叶轮机械气动力学3000字(李晓东)

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1、提高压气机压升的方法1・大折转角叶片技术1.1大转折角动叶根据压气机理论加功量的公式H二Q*U*ACu,早期提高单级压升的方法是改变动叶片的弯度和厚度。但当叶型弯度加大到一定程度时，吸力面后半段会出现较大的附面层分离现彖，使流动损失增大。大折转角叶片技术一度陷入瓶颈，一直到20世纪90年代，数值计算能力得到了巨大的发展，使得研究人员能够认清叶轮机械内部的流场，同时全三维设计技术的采用使得叶片吸力面后半段以及叶栅端部损失得以有效控制，才使得大折转角技术乂上了一个台阶。国外对压气机部件中采用高负荷叶栅的研究起步

2、较早，主要通过研制高负荷转子提高单级压比进而减少级数。在过去的四、五I•年里，压气机负荷的提高主要通过提高转子叶尖切向速度、降低展弦比、增加稠度这三方面来实现。1.2大转折角静叶目前一般采用串列静子与高负荷转子匹配来完成级后的轴向出气，而对采用单列大折转角静子的研究相对较少。一般把叶型折转角超过43的叶栅成为大折转角叶栅，大折转角静叶允许动叶岀口更高的气流周向速度，对气流具有更强的扩压能力和折转能力。显然,采用大折转角静子对发动机结构的益处是多方面的。国外Bryce对英国R-R公司C148单级跨声速风扇的研

3、究中静叶根部叶型的最大转角约60。，实验结果表明静叶在大折转角条件下，风扇级流场显示静叶根部局部的流动需要进一步的改善。Emmerson的进一步研究发现在大转角静叶中较强的二次流是造成根部区域的严重分离，导致效率下降的直接原因。Friedrichs的对超过60。叶型折转角的静叶实验研究表明：在高负荷低速压气机中，常规设计和根部前掠设计对压气机性能有显著的影响，尤其在小流量系数工况下，根部前掠静叶使得级效率提高约10%,静叶根部前掠能有效的抑制和延缓吸力面下端壁角区的分离，有益于喘振裕度的提高。2.大小叶片技

4、术在轴流压气机中应用大小叶片技术，最初是由Wennerstrom提出的，其基本思想是在气流最容易岀现分离的叶栅通道后半部分，局部增加小叶片，以抑制气流分离，同时避免增加全弦氏叶片引起的堵塞和效率下降。但由于受当时技术水平的限制，最初设计岀来的单级大小叶片轴流压气机的总性能低于设计指标。20世纪90年代以来，全三维流场粘性分析软件已经达到可用于进行实际工程设计的水平，应用大小叶片设计轴流压气机技术，乂重新受到重视。根据北京航空航天大学严明、陈懋章老师对大小叶片轴流压气机转子流动特性分析的研究，发现大小叶片转子

5、在叶根亚声速流动区的气流流通能力提高、堵塞减少；在叶屮、尖跨声速流动区，可产生更有利的激波体系，减少由激波造成的损失；在设计状态下，小叶片可以有效地控制大叶片吸力而气流的扩散、捉高负荷、减小逆压梯度、减少流动分离；在设计负荷较高的情况下，大小叶片转子在保持喘振裕度不降低的条件下，可以在更高的负荷、更高的效率和更大的流量下工作。图1.2串列叶栅示意图2.串列叶片技术由于提高叶型负荷就需要不断加弯叶型，而加弯之后气流叶背后半段分离就十分严重，科研人员就想到如果用一个叶片转不过来，就用两个叶片，两个叶片之间留出一

6、条缝隙，如图1・2所示，这样从缝隙中流过的气流正好可以用来向第二个叶片的叶背边界层吹气。这种方法能有效提高压比，实验结果显示压头提高T24%,但是效率却下降了1.52%o李绍斌等用数值模拟的方法研究了串列叶栅后排静叶周向位置对压气机性能的影响。结果显示串列叶栅后排静叶周向位置的改变会使低能流休在叶栅流动屮重新分布，有效改善端壁流动，防止低能流休的堆积，抑制流动分离，降低损失。3.可控扩散叶型(CDA叶型)20世纪七十年代末和八十年代初发展起来的可控扩散叶型(ControlledDiffusionAirfoi

7、l,简称CDA),是一种新的叶型设计方法，它适用于亚声速和超声速工作条件。1983年，西德的R.Dunker,H.Starken设计了使用可控扩散叶型的跨音速轴流压气机静子，通过单机试验证明CDA具有较大的负荷，可以使叶片数目减少30%,降低了压气机级的重量。E.Canal将可控扩散叶型用于多级压气机前面级的静子，并进行了实验，单级损失在全叶展均低于用常规叶型设计的静子，当应用于多级轴流压气机时能提供高效率、高负荷、各级容易匹配,扩大喘振裕度。1984年，H.Rechter和W.Steinert将可控扩散叶

8、型用于多级轴流式压气机静子当屮，使压气机损失减小，静压升高，地损失工作范围可以扩展到较高的进口马赫数和较宽的气流进口角范围。上而所讲的是第一代可控扩散叶型，它的设计主要是以二元流规律以及附而层为基础，设计只考虑了远离端部的中间截而。随着技术的发展，压气机呈现出高轮毂比、低展弦比的发展趋势。此时，压气机表现出强烈的三维特性，端部损失占冇了非常大的比重，特别是在多级压气机屮间以及后而几级，端壁附而层得到了高度发展，这