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高负荷轴流压气机内部流动及设计方法研究进展
发稿时间:2018-09-25         作者:阳诚武 赵胜丰 韩戈          来源:轻型动力实验室     【字号:

  航空发动机高压压气机一直朝着高压比和低级数的方向发展,提高压气机的平均级压比一直是压气机设计人员不断追求的目标。针对未来更高推(功)重比发动机需求,中科院工程热物理研究所轻型动力实验室开展了高负荷多级压气机先进气动布局和内部复杂流动机理研究,利用强根部设计、大反力度设计、低展弦比设计、叶片多型面耦合设计等气动设计技术,设计了平均级负荷系数为0.422.5级跨音速轴流压气机,研制了2.5级轴流压气机试验件,在高速压气机试验台上完成了高负荷压气机设计方法验证,实现了两级压比2.7,效率88%,稳定裕度17.5%的技术指标。以2.5级轴流压气机为载体,开展了高负荷轴流压气机叶顶间隙流动、静子叶片端弯和悬臂静子内部流动机理研究,提炼了高负荷轴流压气机内部典型的流动特征,总结了高负荷轴流压气机关键设计参数的影响规律,建立了高负荷压气机的设计方法,为高负荷轴流压气机设计提供了支撑。 

  针对航空发动机高压压气机后面级以及尺寸相对较小的中小型航空发动机压气机存在的间隙敏感性问题,研究团队提出了一种具有扩张形子午流道特征的压气机气动布局(图2)。与传统压气机主要通过叶型折转改变气流方向而使气流减速增压的原理不同,扩张形通道压气机主要是通过增加子午通道的面积降低轴向速度而实现气流减速和加功增压。由于在相同负荷下,扩张形通道转子叶片叶型弯角小,能有效降低叶片吸力面和压力面之间的压差以及局部的压力峰值,从而减少叶顶间隙流动和端区二次流动损失。 

  研究团队以扩张形通道高负荷压气机内部流动机理研究为主题,通过剪裁子午流道扩张角和叶型弯角等参数,对子午面扩张角、叶型弯角、最大弯度位置以及叶栅稠度等关键参数的影响规律进行了研究,并在不同的来流条件下验证了该气动布局的可行性,归纳总结了具有扩张形通道特征的高负荷压气机设计方法。利用该设计方法完成了具有扩张形流道特征的2.5级高负荷轴流压气机设计,其中,具有扩张形通道特征的压气机级与上述传统压气机的第二级具有相同的负荷系数。通过试验测试获得了扩张形通道压气机的性能特性,与传统压气机相比,扩张形通道压气机在设计转速峰值效率提高0.7%的情况下,综合裕度提高了4.8% 

  在此基础上,开展了不同间隙条件下扩张形通道压气机内部流动研究。研究表明:具有扩张形通道特征的压气机失速裕度随叶顶间隙变化较小,即使在2倍设计间隙下,扩张形通道压气机的流量裕度几乎与设计间隙相当;与传统压气机相比,扩张形通道压气机对叶顶间隙变化不敏感。 

  上述工作得到了国家自然科学基金(51606187)和民机专项的支持。 

 

  1  2.5级高负荷轴流压气机 

 

  2 常规与扩张形通道压气机速度三角形对比 

 
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