喉道对压气机超声叶栅流态及性能的影响

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1、航空学报Mar．252017voI．38No．3ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb《萤buaaedu．cn喉道对压气机超声叶栅流态及性能的影响江雄，邱名，范召林*中国空气动力研究与发展中心计算空气动力学研究所，绵阳621000摘要：为更深入认识超声叶栅流动机理，以ARL—SLl9、CMl-2和sM一1．5叶栅为研究对象，采用数值模拟和理论分析相结合的方式开展喉道对超声叶栅激波结构和性能影

2、响的研究。研究结果表明：超声叶栅存在两种稳定工作状态，起动状态和溢流状态；在来流马赫数较高时，叶栅只工作于起动状态；在来流马赫数较低时，叶栅只工作于溢流状态；存在一个马赫数区间，叶栅的工作状态由前一个状态决定；对于低马赫数C形超声叶栅，高压比下气动喉道起决定因素；对于高马赫数s形超声叶栅，真实喉道起决定因素；若为气动喉道导致溢流，溢流实现更大的裕度和更低的损失，进口马赫数和气流角会受压比影响；若为真实喉道引进的溢流，溢流会降低裕度并增加损失，叶栅保持唯一进气角流动，但进口气流角和马赫数与起动状态不同。关键词：超声叶栅；叶

3、栅喉道；起动状态；溢流状态；激波结构；唯一进气角中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2017)03—120308—12随着航空发动机的推重比不断增加，压气机的级压比越来越高。为实现高级压比，压气机的叶尖轮缘速度越来越高，这使得压气机部分或全部叶高的相对流动超过声速(称之为跨声压气机或超声压气机)。由于超声叶栅的性能对跨／超声压气机的性能有着决定性影响，设计高级压比压气机需要开展超声叶栅流动机理研究。其中，喉道及起动问题是超声速内流的共性问题，对超声叶栅的流动状态和性能有着重要影响。自20世

4、纪四五十年代，美国积极开展超声压气机研究，提出并测试“内激波转子式[1。3”’和“冲压转子式[4。5]，’超声压气机。在进行超声压气机级设计之前，Kantrowitz和Donaldson[61先开展超声扩压的一维无黏管流分析。通过此分析发现，由于喉道的存在，正激波可能位于喉道之后，也可能位于唇口之前；并提出两个重要的收缩比(管道入口面积与喉道面积之比)，分别为喉道马赫数为1的收缩比和正激波贴着唇口的收缩比。前者为维持起动状态的最小收缩比，后者为由溢流状态自动进入起动状态的最小收缩比。由于没有考虑二维性，此两个收缩比无法直

5、接用于超声叶栅；但从中仍然可以得到一些定性结论，若喉道过大，超声叶栅损失过大；若喉道过小，超声叶栅难以起动。虽然此研究对超声叶栅的指导意义不大，但由此提出来的第2个收缩比却成为进气道自起动的重要差别准则[7’8]，被称作Kantrowitz收缩比。早期美国国家航空航天局(NASA)的超声压气机研究虽然在提高级压比上取得很大成功，但设计的压气机效率都比较低，且流量偏差较大。设计失败的原因有多方面，但叶栅性能低下是主要原因之一，表现为存在较大溢流和较强的激波／附面层干扰。为改善叶栅性能，Gragam等‘91提收稿日期：201

6、6-04·11；退修日期：2016-05．16；录用日期：2016．06．14；网络出版时间：2016—06．2810：22网络出版地址：wwwcn¨net／kcms／detail／111929．v20160628．1022．002．htmI基金项目：国家自然科学基金(11572339)*通讯作者．E—mail：fzl—cardc@163．com礅用榕武：江雄，邱名。范召林。喉道对压气机超声叶概流态及性能的影响：J]．航空学报．2017．38(3)：120308iJ

7、ANGX．QlUM．FANZLE仟ecto{su。ef

8、soniccomoressorcascadethroatonfIowoattemanacascadeoerformance!Jj．ActaAeronauticaetAs打onauticas{nica。2017．38(3)：120308．120308．1航空学报出三角形的钝尾缘超声叶栅，并进行实验验证。Gragam的叶栅实验显示，此叶栅存在两种不同流态，并将其分别称为起动状态和未起动状态；当叶栅处于未起动状态时，性能急剧下降。在怀特·帕森空军基地航空航天实验室(称“ARL”)，Wennerstrom和Frost[10]提出

9、预压缩叶型，并设计了ARLSLl9叶栅。此叶栅出现后，激波／附面层的干扰减弱，喉道的影响更明显。Tweedt等[1妇研究者对ARL—SLl9叶栅进行实验分析时，提出用简单波估算叶栅的最小起动马赫数。自20世纪六七十年代以来，跨声压气机的研究成果突飞猛进n}13]。其使用范围从风扇／低压压气机发展到高压压气机[14‘1