北京航空航天大学吴宏博士论文Word文件下载.docx

北京航空航天大学吴宏博士论文Word文件下载.docx

《北京航空航天大学吴宏博士论文Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北京航空航天大学吴宏博士论文Word文件下载.docx（174页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

另一方面，传统的压气机设计体系尚未能充分考虑涡量的分布对设计性能的影响，未能在设计阶段预先组织涡量场，本论文尝试在这方面进行补充，建立压气机涡量动力学设计方法并应用于高负荷风扇级的设计。

首先，借鉴于外流的涡量矩理论和边界涡量动力学理论，以及导数矩变换的数学方法，分析流量、压比、加功量等总性能参数提取出两个重要的涡动力学诊断因子：

流场诊断因子周向涡量和壁面诊断因子边界涡量流（BoundaryVorticityFlux，BVF）。

流量和压比都可以表达为周向涡量的矩的积分形式，周向涡量分布对流量和压比有重要影响；

加功量可以表达为叶片表面BVF的矩的积分形式，叶片BVF分布对加功量有重要影响。

绝热效率亦可表达为这两个诊断因子的形式。

通过周向涡量和BVF可以揭示流场关键区域流动结构对总性能产生影响的涡动力学机制，于是将两者分别放入设计不同阶段，以预先组织涡量场，指导高性能压气机的设计。

随后，将周向涡量应用于压气机通流设计阶段优化环量分布。

通过分析总结出较优的周向涡量分布形式是：

正峰值贴近机匣，负峰值贴近轮毂，峰值不向主流区扩散，有利于通流能力和总压的提高。

因此在通流设计时子午面上的最优周向涡量分布准则是：

主流区周向涡量为零。

以该设计准则为指导，根据涡量与环量的密切关系，从叶轮机轴对称Crocco方程出发，推导了环量自动迭代寻优的公式。

通过跨声速风扇转子的优化算例表明，该设计方法是有效的且易实现的，优化后转子在整个流量范围内压比效率都有所提高，在峰值效率点，压比从2.319提高到2.364，提高了1.9%，效率从88.4%提高到89.6%，提高了1.36%。

3D粘性结果的周向涡量分布表明，叶尖区正峰值更贴近机匣，向主流的扩散得到抑制，叶尖区效率提高。

进一步，按照压气机设计流程，探索将BVF应用于2D叶栅设计和3D叶

I

片优化。

较优的BVF分布形式是：

降低吸力面BVF正峰值并将其推向下游，有利于减小逆压梯度，减弱并推迟分离。

2D叶栅设计中以亚声叶型为例，从动量方程出发建立BVF与中弧线曲率的数学关系，发现在曲率幅值最大处，吸力面恰恰出现BVF正峰值。

改型设计降低了中弧线曲率最大幅值并推后其位置，使吸力面BVF正峰值降低，分布更趋平滑，改型叶栅分离点位置推后，分离减小，在最小损失攻角下损失系数从0.0417减为0.0387，减少了7.2%。

在3D叶片优化方面，以转子为例，为了降低对加功量起负贡献的吸力面BVF正峰值，以BVF表达的加功量为目标函数，针对各截面叶型进行优化。

优化结果表明，吸力面中部正峰值降低并移向下游，范围大大缩小，使叶中区域的负荷大大提高，而叶尖的负荷有所减小，实现了更佳的负荷空间分布形式，压比效率都有所提高，在峰值效率点压比提高了5.73%，峰值效率从89.4%提高到90.4%，提高了1.12%，验证了基于BVF的3D优化方法的可行性。

最后，介绍了压气机涡量动力学设计方法在高负荷单/双风扇设计中的应用。

其中，单级风扇设计压比为3.0，双级风扇设计总压比为4.28，负荷水平较高。

两者都应用借助周向涡量诊断的通流设计方法进行设计，通过周向涡量指导环量分布形式，最终都达到了设计指标。

在3D粘性分析基础上，进一步对转静子进行了BVF诊断，指明了改进方向和办法。

另外，在压比3.0的风扇设计中，还探讨了考虑抽吸气效果的通流设计方法，以及静子内出现激波情况下，探索采用串列叶栅解决静子来流超声条件下实现大转角的可行性。

关键词：

风扇/压气机，高负荷，设计方法，涡量动力学

II

Abstract

Asthetrendofhighthrust-weightratioofaero-engine,fans/compressorsarerequiredtobemorecompactandhigherloaded.Compressorflowisaflexibleandstrongvorticityfield,andthehigherloadedcompressor,thestrongervorticitywillexistinflowfield.Althougheachkindofvortexmakesitsowncontributiontototalperformanceofcompressor,thereisnodirectlinkbetweentotalperformanceandlocalvortexstructure.Ontheotherhand,theeffectsofvorticitydistributionincompressorhaven’tbeenfullytakenintoaccountindesignsystem,andthemanagementofthevorticitydistributionindesignprocesshasn’tbeenstudiedbasedonvorticitydynamics,consequently,thispartwasstudiedinmythesisasasupplementofdesignsystem,andanewdesignmethodbasedonvorticitydynamicsforcompressorwasdevelopedandappliedinthedesignofhighlyloadedfanstage.

Atfirst,twoimportantandnoveldiagnosticparameterswereintroducedandraisedthroughanalyzingthetotalperformanceparameterssuchasmassflow,pressureratio,workdoneusingsocalledDerivativeMomentTransformation（DMT）,whichwaslearntfromvorticitymomenttheoryandboundaryvorticitydynamicstheoryinexternalflow.ThefirstdiagnosticparameterisCircumferentialVorticity（CV）usedinflowfielddiagnosis,andtheotheroneisBoundaryVorticityFlux（BVF）usedinwallboundarydiagnosis.BothofmassflowandpressureratiocanbeexpressedastheintegralofmomentofCVinwakesurface,andCVplaysanimportantroleinmassflowandpressureratio.Ontheotherhand,workdoneofrotororaxialtorqueofbladecanbeexpressedbyintegralofthemomentofBVF,andBVFalsoplaysanimportantroleinworkdone.Consequently,efficiencyofcompressoralsocanbecorrelatedwithCVandBVF.Themechanismofhowlocalflowstructuresinkeyregionsaffectthetotalperformancecanbeprobedthroughthesetwonovelparameters,soCVandBVFwereintroducedindifferentdesignphasestoguidethedesignofcompressor.

Subsequently,CVwasappliedtooptimizethecirculationdistributioninthroughflow

design.ThebetterCVdistributionisthatpositivepeakswererestrictedclosertocasingandnegativepeakswererestrictedclosertohub,inordertorestrictCVpeaksnottodiffuseintocoreflow,whichisbeneficialforhigherthroughflowcapabilityandhigherpressureratio.Consequently,thecriterionofCVdistributioninmeridionalsurfaceistomakeCVincore

III

flowclosetozero.Accordingthiscriterion,theformulaforcirculationoptimizationisdeducedfromtherelationshipbetweencirculationandvorticity,andtheaxisymmetricCrocco’sequationforturbomachinery.Throughanoptimizationsampleoftransonicfanrotor,itisdemonstratedthatthisthroughflowdesignmethodbasedonCViseffectiveandfeasible.Theoptimizedrotorhashigherpressureratioandefficiencyinwholerangeofmassflow.Atpeakefficiencypoint,pressureratiowasincreasedby1.9%from2.319to2.364,andefficiencywasincreasedby1.36%from88.4%to89.6%.Theresultsof3DCFDanalysisshowedthatthepositivep