超声压气机叶型设计方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252014V01．35No．4975—985ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．eduon超声压气机叶型设计方法邱名，周正贵*，刘龙龙，崔翠南京航空航天大学能源与动力Z-程学院，江苏南京210016摘要：在设计超声叶型时，为使得叶栅进VI马赫数和气流角等于给定值，提出一种新的叶型参数化方法。该方法以经典唯一进气角计算方法为基础，将超声叶栅的唯一进气角

2、和叶型几何形状关联起来，由进1：3马赫数和气流角确定吸力面进121段叶型；根据喉部面积、前后缘小圆半径、最大挠度和最大厚度等特征参数确定其他部分叶型。用此参数化方法设计了6个超声叶型，并用Fluent对设计结果进行了验证。结果表明，来流马赫数及进气角的设计值与Fluent求解结果基本一致，进气角最大误差仅为0．7。，进口马赫数最大误差仅为0．01；并且实现了多激波增压和减小激波损失等效果。关键词：超声叶栅；压气机；叶型设计；唯一进气角；叶型参数化；C形叶型；S形叶型中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：

3、1000—6893(2014)04—0975—11随着航空工业的发展，航空发动机的推重比越来越大，压气机的总增压比越来越高，级数越来越少‘¨，这使得压气机的级压比越来越高。随着级压比的提升，压气机的叶尖轮缘速度增大，这导致压气机部分或全部叶高的流动相对超声(称之为跨声压气机或超声压气机)。超声压气机的流动与亚声压气机不同，其流量只与转速相关，而与压比无关。此现象最早在Erwin等瞳3的实验中观察到，后来的研究表明，唯一进气角是造成流量与压比无关的原因。若来流相对速度超声而轴向分速度亚声，叶栅进口气流角(以下称进气

4、角)唯一，过去的研究者将其称为唯一进气角(或唯一攻角，a。。)。造成唯一进气角的原因是膨胀波和激波向上游传播，只有两者在远上游相互抵消时才能形成稳定流动。基于此流动机理，Levine[31提出曲线形进口段的超声叶栅唯一进气角计算方法，后来的研究者将其称为Levine法。Lichtfuss和Starken¨o用半无限叶栅理论解释唯一进气角现象，并以连续方程、动量方程和能量守恒为基础提出新的唯一进气角计算方法，称为四守恒率法。四守恒率法被认为是比Levine法更精确的求解方法，但使用此方法需预先知道叶栅通道中某一界面

5、上的流动参数(此界面由研究者自行确定)及此界面以前的叶片吸力面压力分布。因此，四守恒率法不能直接用于唯一进气角预测。此后，York和Woo—dardc51提出将特征线法与四守恒率法相结合求解平面叶栅的唯一进气角，刘翠娥和吴文权卟1将特征线法与四守恒率法相结合求解任意回转面叶栅的唯一进气角。压气机转子设计分为3步：通流设计、叶型设计和弯掠复合设计[7]。叶型设计是压气机设计的关键部分，应使得叶栅进出口流动满足通流设计，并尽可能降低损失，通常采用中弧线叠加厚度的方法生成压气机叶型凹]，此方法直观，容易给定合理的叶型设

6、计参数，但不能预先估计叶栅进口马收稿日期：2013．06．17；退修日期：2013-08—16；录用日期：2013·09-06；网络出版时间：2013·09·1110：06网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929．V．20130911．1006．001．htmI*通讯作者．Tel．：025-84892201—2401E·mail：zzgon@nuaa．edu．ca}

7、用播武；QiuM．ZhouZG。L

8、uLL，eta／．Supersoniccompressorbladeprof

9、iledesignmethod￡Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSini—Ca．2014．35(4)：975-985邱名．周正贵．瓤龙龙．等?超声压气机叶型设计方法iJ]?航空学报，2014．35(4)：975．985．航空学报Apr252014Vol35No．4赫数Ma。。和气流角。对于亚声叶栅流动，进口气流角由上游流动决定，流量与压比相关，若用此方法设计亚声压气机叶型，设计过程只需调整叶型形状、安装角和弦长，使叶栅流量和压比近似满足通流设计。反问题设计方法[9’1妇是另一种经典

10、叶型设计方法，设计时需要先给定初始叶型和叶型表面压力分布(或等熵马赫数分布)，然后调整叶型，使得目标叶型的压力分布与给定值一致。反问题设计同样不考虑叶栅来流马赫数及进口气流角。由于超声叶栅存在唯一进气角，且唯一进气角与中弧线和厚度无直接联系。若采用传统方法设计超声压气机叶型[12

11、，很难实现叶栅来流马赫数和进气角等于给定值，即难以实现由通流设计确定的流动状态。为使叶栅来流