对转压气机轮缘端壁抽吸流场特性数值分析及实验研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252015Vol36No．92968-2980lSSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn对转压气机轮缘端壁抽吸流场特性数值分析及实验研究史磊，刘波*，巫骁雄，那振结，张鹏西北工业大学动力与能源学院，西安710072摘要：以某双排对转轴流压气机为研究对象，通过区域缩放法开展非定常数值研究。数值结果显示近喘点附近转子2(R2)叶尖泄漏流动造成了高叶展范围内的流动阻塞以及高熵

2、流动区域的产生，下游出口导流叶片承受着非常不利的来流条件。通过在转子叶尖近高熵流动核心区轮缘端壁处设置抽吸孔进行低能流体的移除能够明显改善叶尖区域的流场品质，提高压气机工作特性。根据数值研究结果，重新设计并加工了用于端壁抽吸的轮缘机匣，搭建了附面层抽吸系统及测控系统。在80％设计转速下，针对转子2叶尖进行端壁附面层抽吸，相对抽吸流量为1．0％。实验结果显示，端壁附面层抽吸应工作在低于原始特性最高效率点所在流量的小流量范围内。在此流量范围内端壁抽吸会大幅提高工作效率，改善压气机负荷水平。而在高于此流量的范围内，端壁附面层抽吸会带来负面影响

3、。关键词：对转压气机；非定常计算；区域缩放法；端壁附面层抽吸；工作特性中国分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)09—2968—13高效节能一直是压气机设计中不断追寻的目标口。2]，然而叶片通道内部各种涡系结构的相互作用以及近些年来平均级负荷的提升[3‘4]，压气机工作效率难以维持在较高水平。在压气机广泛应用的今天，面对日益紧迫的能源危机[5]，较大幅度地提高压气机工作效率不仅会带来可观的经济利益更能缓解世界能源压力，为社会的可持续发展争取更多空间。研究表明压气机转子叶尖间隙对效率和喘振裕度有较大影响

4、，由其引起的旋涡会引起叶尖区域的流动阻塞甚至导致失速现象的发生。目前针对转子叶尖流动控制的手段较多，根据是否有能量输入大致可分为叶尖喷气及自循环[6剖、等离子体激励口。1【、附面层抽吸等主动控制方法和叶尖小翼‘1213

5、、叶顶肋条‘14-153、叶顶凹槽m。181等被动控制方法。相比于其他控制方法，轮缘端壁附面层抽吸具有独特的优势。因为发动机一般会从高压压气机末级或者中间级引气作为涡轮冷却、机舱空调系统和飞机除冰等用气，如果引气的影响在设计中未能正确的反映，会导致压气机性能的下降，尤其是喘振裕度的降低[1争20]。若将压气机级间引气全部

6、或者部分转移到转子叶尖合理位置处，不仅可以满足引气的要求，同时还能改善尖部流场品质，提高压气机的工作效率，扩大稳定工作范围。而且引气处的气流经过前期压缩已经具备了较高的压升，抽吸无需借助外力，其工程应用价值较高。目前关于端壁附面层抽吸的实验研究工作并不多。美国麻省理工学院在1998—2003年之间开展了高负荷吸附式压气机的设计及实验验证工收稿日期：2014—09—29；退修日期：2014．10-31；录用El期：2014-12-09；网络出版时间：2015—01-2815：08网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail

7、／11．1929．V．201501281508．001．html基金项目：国家自然科学基金(51236006)*通讯作者．Tel．：029-88488029E-mail：liub0704@nwpu．edu．cn}

8、用格武lShiL．LiuB．WuXX．etal．Numericalanalys，sandexperimentalresearchofshroudcasingboundarylayerremovalonacounter-rotatingcompressorEJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSini

9、ca，2015，36(9)：2968-298&史磊·翘渡，巫骁雄，等．对转压气杌轮缘端壁接吸流场特性数值分析及实验研究[国．航空学报，2015，36(9)：2968-2980．史磊等：对转压气机轮缘端壁抽吸流场特性数值分析及实验研究作[2“。由于吸附式压气机负荷很高，为了降低泄漏流动所带来的设计及分析难度，转子被设计成了戴冠结构，因此缺少关于端壁抽吸控制叶尖泄漏流动的实验研究。Rolls—Royce公司在2008年针对某转子叶尖机匣处的端壁附面层抽吸进行了数值研究。数值结果显示，端壁附面层抽吸可以改善近端壁处的流动阻塞状况，降低流动损失

10、心2

11、。西北工业大学的王掩刚等心3]以NASARotor35为研究对象，数值分析了上端壁抽吸对于近端壁区域流场的影响，结果显示附面层抽吸改善了近端壁区域的进出口气流角。对于对转压气机而言，反转的压气机转子叶