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《对当前跨音风扇气动设计体系中损失系数和堵塞系数的关联分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第14卷 第1期航空动力学报Vol114No111999年1月JournalofAerospacePowerJan.1999对当前跨音风扇气动设计体系中损失系数和堵塞系数的关联分析33北京航空航天大学 邢秀清 周 盛中国航空工业总公司624所 张 健【摘要】 现有设计体系中对于损失系数主要是由实验和经验来确定。通流气动设计需计入叶片槽道内的附面层堵塞,反映附面层堵塞影响的堵塞系数也是依经验给定。本文对多台风扇设计进行分析后,发现现有的设计体系中损失系数和附面层堵塞系数之间彼此孤立,且不够协调,而事实上,两者是紧密相关的,体现在物理上就是损失和开式分离流之间的关
2、系。本文在分析现有设计体系模型的基础上,提出了一个新的工程模型,把两者关联了起来,并给出了算例分析,且从算例结果中可以看到现有设计体系中单转子效率远大于级效率的原因之一。 主题词:跨音速 风扇 叶栅 气动特性 分离流动 损失系数 分类号:V2111 引 言 在早期的跨音风扇气动设计方法中,使用流线曲率管流法,也就是只考虑叶片槽道之外的q流场如何组织。反映流动损失的参数是损失系数X,是通过多个转子与静子进出口大量实验数[1][2]据整理成经验曲线,至今仍得到广泛推广及引用。[3]然而,以HTFC为例,其气动设计不是使用管流模型,而是发展为子午面r-z投影面内的通流
3、气动设计。通流设计需计入转子与静子叶片槽道内部的流动,因而必须计入金属叶片的堵塞效应,除此之外,由于转子和静子叶片表面都是减速流动,在逆压力梯度作用下,叶片表面特别是吸力面的大尺度开式分离流几乎是难以避免的,因此还应计入叶片表面附面层与开式分离区的堵塞效应。由于叶片槽道内分离流场测量的困难,目前多采用近似估算的方法。如[3]Wennerstrom在HTFC的设计中,堵塞的绝对值是按照紊流附面层或者平板流动的简化公式来估算的,用子午面速度和长度代替绝对速度和流道长度。文献[2]在设计中采用更为粗略的工程估算方法,堵塞被认为是由于端壁附面层、叶片厚度、叶片的尾迹和二次
4、流造成的,堵塞系数是用当地环面面积的百分比来表示,并平均分配给轮毂到叶尖整个流道。现有设计体系中,对损失系数和堵塞的处理,这些处理方式很具代表性。但存在缺陷,就是损失系数和堵塞系数之间彼此孤立,没有反映出损失系数和堵塞之间的关联,且经验性与近似性较强。而实际上,堵塞和损失系数之间是紧密相关的,体现在物理上,就是开式分离流和损失1998年4月收稿;1998年5月收到修改稿。33女 27岁 博士生 北京航空航天大学航空发动机热力国防重点实验室 100083©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsres
5、erved.2航空动力学报第 14 卷系数及堵塞系数之间的关系。由于损失系数和堵塞系数都是经验性系数,所以需对其可信性进行分析和对比。对应于当代的通流气动设计体系来说,需考虑在r-z投影面内每一节点处的流动堵塞效应,而不是只考虑叶片槽道之外的情况。要想在跨音叶片排内部测量开式分离流并q整理出经验性的堵塞系数,将比损失系数X的经验曲线的整理复杂得多,所以至今不存在建立在实验基础上的堵塞系数经验曲线。损失系数的测量是在槽道外进行的,而且几十年来已经积累了大量实验数据,因而可信度相当高。作者把文献[3]估算的堵塞系数数值化为开式分离流尺度,然后与文献所使用的损失系数数值
6、进行对比后,发现二者之间存在较明显的差异。究其原因,在于当使用紊流边界层平板流动近似时未能考虑逆压力梯度导致的开式分离。由此可见,对于当代应用的通流气动设计与任q意叶型几何造型设计体系来讲,r-z投影面上各节点处堵塞估算与损失系数X之间存在着数值上的矛盾,主要原因是对于堵塞的工程估算方法未能与叶片表面开式分离流的本质特征建立直接联系。为此,本文给出了一种试图消除上述矛盾现象的新模型,以及相应的计算结果。2 模型分析2.1 新模型的描述 由于叶片机械进出口边界条件的不对称性,对于风扇转子或静子叶片排来说,减速扩压流动构成了本质性特征。特别是对于跨音风扇,开式分离流
7、几乎是不可避免的。现有设计体系中用的堵塞系数经验性较强,对于超跨音风扇、压气机的适用性较差,这是本文建立将损失系数与堵塞系数二者相关联的工程模型的物理基础。因此,本文在尝试建立改进的物理模型过程中,其核心是如何通过基元流动中的开式分离流来把损失系数和堵塞系数二者之间关联起来。2.2 损失系数与分离流尺度之间的关联q 现由平面叶栅损失系数的定义出发,来探讨X与开式分离流尺度之间的关联。损失系数q333的定义式为:X=(p1-p2)ö(p1-p1)(1)33式中:p1为进口总压平均值;p2为出口总压平均值;p1为平面叶栅进口静压。与(1)式相对应的物理图如图1所3示
8、,图2为栅
