毕业设计（论文）-前掠形叶片性能特征分析

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1、青岛科技大学本科毕业设计（论文）1.绪论1.1课题背景、目的及意义弯掠叶片的成型方法自上世纪六十年代初提出以来[1]，受到世界各国研究人员的高度重视，一些工业发达国家相继开展了弯掠叶片的气动实验和数值计算方面的研究工作，并取得了一定的研究成果。随着理论和实验研究的发展，弯掠叶片作为螺旋桨和压气机叶片，在气动性能和声学特性上的优点愈来愈被研究人员所证实。美国NASA研究中心1984年的研究报告指出[2]，采用弯掠螺旋桨的航空发动机，油耗降低15%-40%，近声场降低6dB(A)以上。美国Garrent发动机公司已经制造成功具

2、有弯掠静叶和动叶的航空涡轮，级效率达到92%。弯掠方案成功用于飞机机翼的设计以降低跨音和超音飞行时的阻力这一事实，一直鼓励着内流工作者将此思想用于风扇/压气机的设计[3-5]。在压气机和风扇中采用弯掠叶片逐渐被大家所重视，并愈来愈引起研究人员的广泛兴趣，陈矛章院士指出，风扇/压气机是涡轮发动机的一个重要部件，技术含量高，难度大，常成为阻碍涡轮发动机研制成功的关键部件，开展在子午面内前掠转子的计算和试验研究是提高风扇/压气机失速裕度和抗畸变能力的有效途径。研究者从叶片动力学研究及其新叶型研制上为寻求改善叶轮机械的性能作出了不

3、懈的努力。弯掠叶片成型规律的研究也由单纯弯、扭发展到三维弯掠造型，并逐渐形成了“弯掠叶片空气动力学”分支学科[4-6]。美国国防部提交国会的“关键技术计划”中连续6年提到“弯掠叶片动力（SweepAerodynamics）”，并将它列为“集成高性能透平引擎技术”（IntegratedHighPerformanceTurbineEngineTechnology）计划的核心内容[7-9]，其目标是到2000年使美国军用航空及大气层武器系统使用的涡轮发动机推重比达到20左右（增加1倍），同时油耗下降约40%。上世纪七十年代以后，

4、经过各国科学家和工程技术人员的共同努力，弯扭叶片的研究已取得了不少成果[10-14]，并成功地应用于汽轮机、燃气轮机和航空发动机和压气机上[15]。A.J.Wennerstorm等[16]在文献中就当时的状况和历史作了综述，近年的研究如掠叶片[17]、上反叶片[18]、掠叶片[19]等向人们展示了这方面的新进展。在我国，王仲奇院士领导的研究集体[20-21]35青岛科技大学本科毕业设计（论文）对弯扭叶片所做的系统研究，其研究成果得到了国内外同行的公认。北航周盛及其学生[22]对前·后掠跨超音轴流风扇的研究以及钟芳源、蔡娜教

5、授等对轴流弯掠风扇的气动声学的研究，都使我国成为在这方面研究起步较早的国家。研究表明，端弯叶片多级轴流压缩机的性能与常规叶片相比，不同压比和流量下的性能虽有着较大的进步，但由于前缘端弯叶片出口其叶型中弧线（CamberLine）出口角变化，这种叶片不得不改变原来的设计系统，造成了与常规叶片设计系统不同的问题。日益苛刻的能源与环境问题，要求叶轮机械具有高效（高负荷）和喘振裕度大的性能。随着燃气轮机联合循环发电方式的开发，要求轴流压缩机在满足高效和较大喘振裕度性能前提下，又要增大叶片级的负荷已显得力不从心和感到困难。此外弯曲叶

6、片在轴流压缩机的静叶上的应用虽取得进展，但在动叶及其级的动态实验研究上，国内外还较为少见。近年来国外在斜流叶轮研究和应用方面所取得的新进展，如斜流压缩机叶尖泄漏涡流动[23]以及飞行器推进系统和水下武器装备上斜流叶轮的应用[24]，越来越明显地展示了斜流叶轮在中高比转速范围内，与离心叶轮和轴流叶轮相比，具有比前者的大流量和比后者的高负荷的性能特点，日益受到国内外研究者的关注。所研究的低速轴流风扇是指主要应用公共场所、隧道、地下商场的散热和通风。本文通过数值模拟方法研究掠叶片技术对低速轴流风扇性能的影响，为研制高效的轴流风扇

7、提供了依据。早在20世纪40年代，弯扭技术开始进入叶片设计者们的视线，到了70、80年代，弯扭技术已经很好地应用于汽轮机与涡轮机领域，与此同时，学者们又开始研究掠叶片对风机及其涡轮机的影响，已取得了不少成果。ScottMcnuhy研究了前掠动叶对低速压气机间隙流动的影响，前掠降低了叶端间隙泄露损失，使得压气机的效率增加；文献[21]采用数值模拟技术详细地研究了不同掠高的某蒸汽轮机末级前掠叶片叶栅内部的二次流动，结果表明前掠能有效地抑制低能流体向叶展中部的发展，降低了端壁低能流体和主流高能流体相互掺混造成的能量损失；文献[2

8、3]对不同掠角的涡轮静叶栅内的三维粘性流场进行了数值模拟比较，其结果表明后掠不仅降低了总压损失，还使出口参数沿叶高分布均匀，整体性能要优于前掠叶片。35青岛科技大学本科毕业设计（论文）针对以上研究现状及存在问题，本文根据国内外所作的环壁边界层的机理性实验，结合已有斜流叶轮研究的工作基础，着重研究验证前掠