周向槽机匣处理对某跨音转子性能的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252014V01．35No．82163-2173ISSN1000-6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaaeducn周向槽机匣处理对某跨音转子性能的影响段真真1’2，柳阳威1’2一，陆利蓬1’21．北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室，北京1001912．先进航空发动机协同创新中心，北京100191摘要：为了研究处理机匣对压气机稳定性的影响并探讨其中的流动机理，采用数值模拟方法研究了一系列深度不同的

2、周向槽处理机匣结构对跨音压气机转子Rotor37性能的影响。结果表明：叶尖泄漏涡与激波干涉后形成的堵塞区是诱发失速的主要原因。采用周向槽机匣处理可以显著增加转子的稳定裕度，且裕度增量与槽深度呈“双峰”关系；尺寸最优的浅周向槽和深周向槽可分别获得6．7％和7．3％的稳定裕度增加，而前者的效率损失更小。该处理机匣的扩稳机理在于减弱甚至移除了泄漏涡破碎形成的堵塞区。最后从动量方程的角度对深浅槽的扩稳机理分别进行了分析。关键词：压气机；跨音压气机；稳定裕度；机匣处理；周向槽；叶尖泄漏流中图分类号：V231．3；TKl2文献标识码：A文章编号：i000—6893(2014)08

3、—2163—11在压气机转子通道中，叶尖区域的流动结构最为复杂，对压气机压比、效率及稳定性的影响也最大。该区域存在叶尖泄漏流／涡、叶背分离、附面层潜移等多种流动结构。对跨音转子来说，激波的存在使尖区流场更加复杂。激波和泄漏涡相互作用产生的堵塞区的发展被认为是造成跨音转子旋转失速的重要原因[1。2]。泄漏涡在近失速状态下发生破碎[3。4o以及泄漏涡的自激非定常性口]也被认为与失速密切相关。机匣处理技术是一种应用广泛且简单有效的端区流动控制手段。自机匣处理被实验室发现以来¨]，其在几何造型及其对压气机性能的影响方面得到了一系列研究发展[7。1⋯。其中，周向槽处理机匣结构简

4、单，可以在较小降低效率的前提下获得中等水平(一般10％以内)的裕度改进量¨1。。国内外学者对周向槽的结构尺寸进行了一系列优化研究¨2。13

5、。影响周向槽扩稳效果的主要结构参数有槽数／槽宽[t4-15]、槽的位置[1617]和槽深[17。211等。研究结果普遍表明，周向槽的数目宜选择在10槽以内，覆盖范围在叶尖弦长的中前部，可获得较佳扩稳效果[12+1⋯。早期研究认为开槽深度的增大，在一定范围内能使稳定裕度增加[12_13]。Kim等n81采用一套优化系统对Ro—tor37的周向槽深度在一定范围内进行了优化，证明对增加稳定裕度而言存在最佳周向槽深度，在设计间隙下最优深度

6、约为13．5倍间隙。黄旭东等Ll9。200对Rotor37采用了3种周向槽深度，结果表明槽深度为间隙尺寸的7倍左右时扩稳效果显著，进一步增加深度，获得的裕度改进有限。Rabe和Hah[2¨在某跨音转子上测试了2种深度的周向槽对转子性能的影响，结果表明浅槽(约1．4倍间隙)和深槽(约22．75倍间隙)几乎具有收稿日期：2013·10—30；退修日期：2013—12—09；录用日期：2014—02—18；网络出版时间：2014—02—2113：03网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／S1000—689320130546htmI基金项目：国家自然科

7、学基金(51376001，51136003)；国家“973”计划(2012CB720205)；航空科学基金(2012ZB51014)*通讯作者．Tel：010-82316455E-mail：liuyangwei@buaa．edu．cn荸I用格武

8、DuanZZ，LiuYW，LuLP．InfluenceofcircumferentialcasinggroovesontransoniccompressorrotorperformancefJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2014，35(8)：2163-2173段真真，榜阳或．睡翻

9、蓬．周向槽机匣处理对某跨音转子性能的影响!J-航空学报．2014．35(8)：2163-2173航空学报Aug．252014V01．35No8相同的扩稳效果。李相君等[173在某跨音转子上试验了4种深度的周向单槽，发现深宽比为0．154的浅处理槽可在较小降低效率的前提下有效地扩稳。以上研究均表明，周向槽的深度对压气机的性能影响较大，但对于最优槽深的选择存在差异。深度为间隙尺寸量级的浅槽有望在较小损失效率的同时显著提高稳定裕度。因此，本文以Rotor37为算例，首先对转子的流动失稳机理进行了探讨，然后系统地研究了周向槽深度对转子性能的影响(槽深的选择范