引气方式对轴流压气机性能影响研究-论文.pdf

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1、应用数学和力学，第35卷第10期AppliedMathematicsandMechanics2014年1O月15日出版Vo1．35，No．10，Oct．15，2014文章编号：1000—0887(2014)10—1124．11⑥应用数学和力学编委会．ISSN1000．0887引气方式对轴流压气机性能影响研究侯丽娜，杜刚，陈江(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191)摘要：航空发动机空气系统需要从多级轴流压气机中间级引气，不同引气方式将对轴流压气机性能和流场产生不同影响．以一带进口导叶的单级轴流压气机为研究对象，采用数值模拟方法研究了全周开缝、均布开孔以及不同开孑L角度等

2、引气方式对压气机性能的影响．结果表明，引气可不同程度地提高压气机性能，沿流向倾斜开设引气孔使喘振裕度提升最大，达到8．2％，反流向开设引气孔使压气机效率、压比有较大提高．关键词：轴流压气机；气动性能；引气方式；数值模拟中图分类号：V231．3文献标志码：Adoi：10．3879／j．issn．1000．0887．2014．10．007引言航空发动机的空气系统需要从进口压缩部件中引出一定流量的压缩气体，其主要用途是冷却发动机的热端部件，如燃烧室、涡轮等，也有机翼防冰、发动机进口防冰1等作用．军用发动机空气系统从高压压气机中引出的气流流量一般是主流流量的3％5％l2]．而民用发动机引气流

3、量则可高达10％以上．压气机设计中需要根据引气压力、流量需求来确定高压压气机的中间级引气位置及引气方式，高压轴流压气机中间级引气将对压气机流场结构及性能产生重要的影响l3]．从设计角度考虑，引气后流量减小导致的压气机流动匹配的问题也非常重要．近年来，国内外研究人员开始关注引气对压气机性能的影响．Wellborn等研究了引气位置对亚音速压气机转子和静子叶排性能的影响l5；Leishman等做了一系列不同引气结构下的引气流动研究_6J，主要包括：圆孔引气结构、引气量和端壁引气位置的影响、引气孔或引气槽进口斜面的影响、斜面引气槽与主流的干扰等研究；他们的研究表明，引气与主流的相互干扰会对叶

4、片通道的流动损失、堵塞和气流转角产生不利的影响，其影响程度依赖于引气位置和引气量的大小；Glimmer和Dobrzynski等研究了端壁引气对压气机叶排损失的影响l9。．表明端壁引气显著减小了回流范围和损失；赵斌等

5、1。以单级跨声速轴流压气机NASAStage35为研究对象，研究了转子机匣端壁引气以及静子机匣端壁引气位置对压气机性能及流场的影响，根据转子间隙泄漏流和静子角区分离位置，进行了3种引气方案的数值模拟，得到如下结论：转子收稿15t期：2014—01．06：修订日期：2014—09—03基金项目：航空基金重点项目(2011ZB24002)作者简介：侯丽娜(1988一)，女，河

6、南人，硕士(E—mail：869597573@qq．con)；杜刚(1974一)，男，四川人，副教授(通讯作者．E-mail：dugang@buaa．edu．cn)；陈江(1963一)，男，四川人，研究员．1124侯丽娜杜刚陈江机匣端壁引气能够有效控制间隙泄漏流的发展，减小叶尖损失，提升压气机性能：不同的引气槽结构和轴向位置对间隙流动的影响机理不相同；静子机匣端壁引气能够有效减小静子叶排损失，提升压气机效率．张皓光等[13]研究了在轴向问隙引气措施相同的进口条件下，压气机进O口空气流量、引气槽位置、引气量的大小对压气机性能及流场的影响，认为动叶前的引气槽可∞扩大喘振裕度，而对压比和效

7、率并无损害．上述文献中所研究的引气方式，均采用轴对称的几何模型进行周向开缝或机匣均布开槽等方式的研究。而实际压气机引气大多采用全周开缝或者周向分布开孔方式．两者有较大差别，开展考虑引气机构真实几何构造情况下的压气机性能研究很有必要．本文以一带进口导叶(IGV)的单级轴流压气机为研究对象，采用全周建模的方式模拟实际压气机的引气，研究不同引气方式对压气机性能以及流场的影响。为压气机设计提供参考．1研究对象与数值模拟方法1．1数值模拟方法本文采用商业软件NUMECA的FineTM／Turbo模块对压气机流场进行数值模拟．该软件采用时间相关法求解定常三维Reynolds平均Navier．St

8、okes(RANS)方程，空间采用有限体积法离，‘0散，时间采用显式四阶Runge．Kutta法，数值迭代过程采用了多重网格法、局部时间步长和残差光顺等加速收敛措施．在边界条件设置方面，压气机进口边界给定总温、总压、进口气流角度，进口总压为102510Pa、进口总温为285．15K，压气机出口采用径向平衡方程并给定中径处的背压．在模拟过程中，通过改变出口静压获得压气机整机特性曲线上的主要工况点．在计算中，动／静叶交界面采用混合平面法，保证动／静叶交界面流量