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高负荷压气机康达喷气流动控制方法研究进展
发稿时间:2018-07-16         作者:杜娟          来源:先进燃气轮机实验室     【字号:

  高推重比和低耗油率是未来高性能航空发动机(如图1所示)的发展趋势。对于压气机部件而言,提高推重比主要有两种途径,一是保证重量不变,提高压气机总压比,二是保证总压比不变,减少压气机级数或单级叶片数,从而降低压气机重量。无论哪种途径,都需要提高压气机的平均级负荷。为了提高负荷,常规的设计方法是提高叶尖速度和气流周向折转角度。若想进一步大幅度提高压气机负荷,受叶片材料强度限制,通过增大叶尖速度提高负荷的方法遭遇瓶颈;而通过增大气流折转角度的高负荷大折转角叶型的附面层流动在高逆压梯度下极易发生分离(如图2所示),从而大大降低叶型的扩压能力和总压损失。因此,必须采用新的流动控制方法,实现高负荷压气机的气动设计。 

  “康达效应”是流体射流具有绕其附近固体表面流动的趋势的特性,通过康达效应提高环量的翼型被称作环量控制翼型。先进燃气轮机实验室在所长基金和科技委的支持下,创新性地将康达效应应用在高负荷压气机的大折转角静叶上,在叶片尾缘构造康达表面,通过康达喷气抑制吸力面的附面层分离,从而实现高负荷且高效压气机静叶的气动设计。 

  截止目前,中国科学院工程热物理研究所研究团队在低速环境下完成了大折转角压气机叶栅附面层/角区分离流动特征,大折转角压气机叶栅康达喷气表面优化设计与试验和压气机环境下康达喷气对大折转角静叶吸力面分离的控制机理和效果研究,并都进行了实验验证。实验结果表明:压气机静压升系数和效率均随着康达喷气量的增加而提高,施加1.5%喷气量时,在峰值效率工况下,压气机效率提高2.7%,静压升系数提高1.9。图3给出了施加康达喷气前后对压气机吸力面附面层分离流动的控制效果。 

  综上所述,可以看出使用康达喷气流动控制方法能够有效控制由静叶叶片数减少带来的大分离流动及相应的流动损失,同时能够有效提升静叶扩压能力,是提高压气机负荷、增加航空发动机推重比一个非常有效的途径。现有的实验研究结果主要集中在低速叶栅和低速压气机实验台上,2019年,研究团队将完成高速叶栅环境下,康达喷气流动控制方法的计算和实验验证工作,全面掌握康达喷气流动控制方法对大分离流动的控制效果和规律。 

 

  1典型涡扇发动机结构示意图 

 

  2 大折转叶片吸力面分离 

 

  3 采用康达喷气对叶片吸力面附面层分离的控制效果 

  (左:静叶原型;右:施加1.5%喷气量的康达喷气静叶) 

 
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