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【6h】

矩形扩压叶栅中应用叶尖小翼的性能研究

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摘要

随着航空工业的迅猛发展,航空发动机向着高推重比、低耗油率、高效率和安全性方向飞速发展,而压气机作为航空发动机的核心部件,主要的发展方向是更高的压比,更高的效率及更大的级负荷。其中,压气机级负荷的提升将导致叶顶泄漏更加严重,叶片分离更加容易。诸多研究表明,叶顶泄漏流动所造成的能量损失在压气机总损失中占举足轻重的分量。削弱叶顶泄漏流动,对于改善压气机气动性能具有可观的效果,因此,有效地抑制压气机叶顶泄漏流动成为国内外专家学者关注的重要研究方向之一。受到飞机翼梢小翼的启发,在压气机叶片顶部加装叶尖小翼来改善叶栅气动性能是本论文的主要研究内容。
　　 本论文通过低速风洞吹风实验测量了不同间隙和不同冲角下原始叶型(即不带有叶尖小翼的叶片)、带有吸力面叶尖小翼的叶型、带有压力面叶尖小翼的叶型和带有组合小翼的叶型(即既带有吸力面叶尖小翼又带有压力面叶尖小翼的叶片)出口截面的气动参数和上端壁壁面静压分布,研究叶尖小翼的应用对于改善矩形扩压叶栅气动性能的影响及其机理。
　　 与原始叶型相比,带有吸力面叶尖小翼的叶型有效地削弱了叶顶泄漏涡的尺度和强度,从而降低了矩形扩压叶栅总的能量损失,有效地改善了叶棚流场气动性能。实验结果表明,在0°冲角、叶顶间隙为1.0%H(即叶顶间隙为1%叶片高度)工况下,带有吸力面叶尖小翼的叶型改善叶栅气动性能效果最为明显。而压力面叶尖小翼的应用增加了叶顶泄漏涡的强度,增大了叶栅的能量损失,恶化了叶栅流场气动性能。组合小翼受到吸力面侧小翼和压力面侧小翼的共同影响,对叶栅流场的气动性能影响不是十分明显。
　　 在不同冲角下,原始叶型的能量损失波动较为强烈,而带有吸力面叶尖小翼的叶型能量损失在不同冲角下变化比较平稳。吸力面叶尖小翼的应用一方面降低了叶栅的能量损失,提高了叶栅的效率;另一方面,使得叶棚变冲角特性变化更加平稳。实验研究发现,在较大负冲角下,压力面叶尖小翼和组合小翼的应用不但没有降低叶栅的能量损失,反而加剧了叶栅的压力面分离程度。
　　 本论文通过数值模拟方法对原始叶型和带有吸力面叶尖小翼的叶型在0°冲角、叶顶间隙为1.0%H下的旋涡结构做了详细的分析,建立了相应的三维旋涡结构,分析了叶栅流道内的叶顶泄漏涡、通道涡、集中脱落涡等主要旋涡结构的形成和发展规律,从旋涡结构演化的角度分析了叶尖小翼的应用对矩形扩压叶栅的作用机理。

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