推进系统前沿技术讲座

推进系统前沿技术讲座论文学生姓名学号学院专业2014年4月叶轮机械内流动分离的控制技术一、引言流动控制不是一个新的概念，但它应用于控制发动机部件附面层流动方面却是一种新兴技术。它包括设置主动或被动装置，以对流动产生有益的影响。这些装置的作用包括延迟或促进转捩，抑制或提升湍流度，以及防止或促进流动分离，最终得到的有益结果中包括降低阻力，提高升力，以及抑制流动引起的噪声等。对此，很多研究结果表明，流动控制除了具有减弱流动分离的效果，还具有潜在的增强或减弱掺混的作用，产生可控制流动的“虚拟”形状，改善尾迹流动，控制附面层流动阻力等。在流动控制方法中，通过改变叶栅流道的几何形状如弯、扭、掠叶片、端弯叶片、翼刀、缝隙叶栅、可控扩散叶型、端壁成型和旋涡发生器等达到控制叶栅流动的控制方法称为被动控制方法。在叶栅中通过局部吹气、吸气或其他强化附面层流动从而影响附面层流动、防止分离的控制方法称为主动控制方法。这里流动主动控制定义为用流量很小或接近于零的流动来改变流量大得多的流动的特性的流动控制方法。以旋涡发生器为例来说明流动主动控制和被动控制概念之间的差别。旋涡发生器通过在流动中诱导纵向旋涡从而被成功地用于控制流动分离。而实质上旋涡发生器属于被动控制，因为不管需不需要，在所有运行情况下都在产生作用。这可能会在不需要的时候如稳定运行状态由于旋涡发生器和流动之间的相互作用而产生附加阻力。而主动流动控制是在外部控制流动，它可以根据流动状态通过调节控制流量实现对流动的控制。二、被动控制技术―弯、掠叶片2.1叶片弯掠的定义在弯掠叶片的发展历史上，不同的学者由于研究问题的角度不同，对叶片弯掠的定义也不尽相同。60年代，Smith等人给出了一种经典的叶片弯掠的定义：如图2-1，流动方向与叶展方向不垂直称为“掠”；展向叶片积迭线与端壁不垂直称为“弯”。叶型积迭轴定义为穿过每一叶型截面重心的曲线，用每个叶型截面的弦长组成的曲面代表叶型，这个面也代表在特定状态下沿叶展的主流方向，绕叶片的流动由一个轴对称的锥形流面给出。通过位于积迭轴和流面交点设定Xp，Yp，Zp坐标系，其中，Xp轴为流面与叶型的相交线，Yp轴垂直于叶型表面，Zp轴与叶型相切。在该坐标系下，掠角φ定义为积迭轴与Zp轴的夹角，前掠则通过将端壁截面平行于弦向向来流方向平移获得；弯曲角ν定义为Yp轴与它在流面上投影的夹角，正弯通过将端壁截面沿垂直于弦向向升力方向平移获得。通过一定的变换关系，可以用安装角λ、流面锥角σ、轴向倾斜角ξ、切向倾斜角η表示掠角φ和弯曲角ν。图1-1Smith关于弯掠叶片的定义2.2研究现状关于弯叶片对压气机流动性能影响的研究，开始于比利时的VonKarma实验室。Breugelmans在80年代进行了在低展弦比平面扩压叶栅内采用倾斜和弯叶片的实验研究。所采用的叶型为NACA65系列叶型，气流折转角达45°，来流马赫数0.1左右。实验结果表明，正弯曲叶栅在参考进口附面层条件下，性能没有得到较大改善，但在+6°冲角和失速冲角范围内损失却明显降低。在参考附面层状态下，反弯叶片总压损失比常规叶栅有所降低。因此Breugelmans指出，正确的、适当的倾斜角的应用可改善端壁区域的流动，在中等冲角与失速冲角之间，叶展方向上的平均损失明显降低，其合适倾斜角为15°。Shang的实验研究也有类似的发现：叶片的倾斜和弯曲都可以削弱角隅失速的发展，但若弯角过大加剧了低能流体向叶展中部的汇集，中部区域的流动损失的增加总量可能会超过端区损失减小的总量，而使弯叶片总损失增加。在压气机中应用弯曲叶片并取得卓有成效的实验结果的是Bogod和Weingold等人的工作。90年代，Bogod在中亚音速多级压气机中研究了六种不同弯曲型式的出口导叶栅，如图2-2和2-3所示。级的实验研究显示出对所有五种弯曲叶片级，总的气动特性都有所改善。对不同的正弯曲方案（改型2，4，5，6），在优化的工况范围内，级效率提高1.0%~1.5%；采用反弯曲叶片（改型3）的级的效率在所有的特性范围内提高的最大值更是达到了3%。而所有六种方案的级的稳定工作边界的位置基本相同。级特性的改变是由于沿叶高和弦向的气动负荷的再分配，正弯曲叶栅在平均半径处变得相对过载，顶部的速度分布得到改善，而反弯曲叶栅则相反。Weingold在一个三级实验压气机中，将第三列静叶设计为弯叶片，弯角为30°、弯高在20%~30%之间，在前缘增加了根部的弯曲度，主要是为适应弯叶片前缘根部的冲角变化。实验结果表明弯叶片上、下端壁角区分离得到消除，尾迹区总压分布表明角区损失明显降低，而中径处损失变化不大。整机实验证明在近失速工况点损失降低大约0.04，但在设计点时损失并无太大变化，而在大流量工况点损失反而有所增加。随后Weingold将三列静叶都设计为弯叶片，其性能得到了显著改善，在所有流量工况下等熵效率普遍提高，设计工况时通流率上升0.85%，静叶根部分离区明显缩小。2-2Bogod的静叶积迭线方案2-3级效率的变化最早将弯和掠两种设计自由度综合考虑的是Gümmer和Wenger,并成功的将这种设计应用到发动机跨音速级静叶（BR710-ESS）上。单列静叶实验和数值结果表明，在保持进口马赫数不变的前提下，靠近堵塞点时，弯掠改型增压比明显大于直叶栅，损失下降5%，且有2°进口角的堵塞裕度；同样，在近失速点，弯掠组合优化叶栅的性能也明显强于直叶栅。到目前为止，在实际压气机中有很多的关于弯叶片成功应用的例子。PW公司的PW2037高压压气机采用弯曲静叶后，在失速裕度未降低的条件下，效率提高2%，达到91.5%，显著改善了压气机性能。由普·惠公司所属的F-119和PW4084发动机静叶导流叶片中采用了弯叶片，经实验证明，静叶固壁面扩散损失减小，推力由322KN提高到了397KN，收益非常可观。另外一个例子就是在由R.R、P.W、JAEC和MTU等公司共同研制的涡扇发动机V2500中采用了端部弯转的可控扩散叶型。叶片端部弯转的叶型适用于低速环形附面层气流条件，可以减弱端区二次流和控制涡系的形成。实验结果表明，压气机效率提高1%，同时高压压气机的喘振裕度扩大了近6%。关于掠技术的应用，以GE公司PW公司和RR公司为代表的航空发动机起了重要作用，走在了掠技术的前沿，并拥有了各自的专利。早在1984年前后，美国GE公司就在其研制的最先进的E3发动机中采用了后掠、倾斜叶片，使高、低压气机中间过渡段的气动性能得到改善。到1997年，GE公司又首次展示,对于尖部受限的跨音速风扇，前掠不仅能提高效率，而且能增强工作稳定性，第一次在实际发动机中证明了前掠对失速裕度的改进。美国R·R公司的Gallimore等人利用弯掠两个自由度对动叶和静叶进行三维空间成型设计。在不降低喘振裕度、不减少叶片数、不降低叶展中部流动稳定性的前提下，数值模拟取得满意预测结果之后分别在低速、高速压气机上进行了实验研究，实验效果非常明显：低速压气机的最大效率提高2.1%，高速压气机的最大效率提高1.0%，且高速通流能力显著增加。哈尔滨工业大学的王仲奇教授及其课题组继80年代深入研究弯叶片对涡轮性能的影响后，90年代又开始了弯曲扩压叶栅的研究，并取得了许多研究成果。钟兢军教授等人采用NACA65和CDA叶型，叶型折转角为59.5°，在低速平面叶栅风洞上对常规直叶栅、25°正倾斜叶栅、25°上下对称正弯曲和反弯曲叶栅以及根部正倾斜25°而顶部负倾斜25°的S型弯曲叶栅进行了实验研究。结果表明，叶片正弯曲显著降低了端壁损失，消除角区分离。与直叶栅相比，正弯曲角为20°时，可使叶栅总能量损失降低16%左右。北京航空航天大学的邹正平和陈懋章教授也研究了叶轮机叶片的弯扭及掠形等因素对叶片气动负荷分布的影响。基于线化的小扰动理论,用解析方法对叶片三维造型各因素的位势影响进行了分析,并用三维粘性数值模拟进行了验证。结果表明,叶轮机叶片的弯扭和前缘掠形对叶片的负荷分布有重要的调节作用。周盛教授及其课题组开展了高负荷后掠风扇ATS-2的研究。在分析了增压比大于2的轴流压气机跨音级关键设计技术的基础上，采取了小展弦比、适度后掠、设计点双激波系的总体设计思想。实验结果证明，ATS-2的压比达到2.2，绝热效率为86.8%，喘振裕度大于21%三、主动控制技术―附面层抽吸轴流压气机自诞生起，就一直追求着更高的负荷。根据压气机加功原理，增加扭速即增加气流转折角是提高压气机负荷的途径之一，然而，在扩压叶栅中增大气流折转角则意味着附面层的加厚甚至分离，这造成了损失的增加。因此如何在提高负荷水平的同时降低压气机的流动损失，一直是国内外同行追求的目标。早在1971年，Loughery等人就研究了压气机叶栅中附面层抽气的影响，得到了抽气能明显改善叶栅气动性能的结论。但直到1997年才由Kerrebrock首次给出了附面层抽吸式压气机的概念。并通过理论分析指出：高熵流体每吸除1%，可以使效率增加0.5%。1998年,Kerrebrock等人又提出了附面层抽吸式压气机的设计流程，并进一步指出：在通常情况下，采用附面层抽吸技术的压气机级是常规叶片级加功能力的2倍。这些研究表明，在一定圆周速度下，通过附面层吸气，可以大大提高级的压比，是一种具有广阔发展前景的压气机设计新概念。3-1流动控制静叶设计流动控制静叶设计如图3-1所示。其研究得到的结果是：在1.6%控制流量栅后尾迹分布范围减小，尾迹中心向压力侧移动，尾迹起始点沿轴向后移了约12%轴向弦长；在这一控制流量，总压损失系数减小了约65%；在1%控制流量，气流偏转比基准设计增加了约4.5°，但控制流量的增加并没有带来气流更大的偏转。由于这些研究组合应用了吸气和吹气，因而不能明确这两种流动控制方式中哪一种的效果更好，从对研究结果的分析来看，似乎吸气的作用更大且所需的控制流量更小。近年来，MIT的研究人员对吸气式压气机进行了大量的研究，他们已经把吸气作为获得高作功能力压气机级的基本方法。1997年，MIT的研究小组利用准三维粘性和三维欧拉计算程序设计了叶尖切线速度分别为700ft/s、1000ft/s和1500ft/s的三个风扇级。通过附面层吸气，结果每个级的级压比分别达到1.5、2.0和3.0，级效率分别为0.94、0.92和0.87，同时做功量提高了一倍。1997年，Reijnen在其博士论文中描述了在跨音速压气机级中利用边界层控制技术的实验研究结果。其结果表明，吸气导致边界层变薄，这有利于增加流动转角，得到更高的静压比。并且他还在动叶上观察到了旋转失速的延迟现象。到1999年，Merchant开发了MISES程序中的吸气模型（此模型假定吸气槽开在叶片表面），并且在一系列低速和跨音速叶栅上进行了吸气模型预测结果和实验数据的对比。2000年，Schuler等人利用基于MISES的准三维程序设计分析了在设计和非设计工况下叶尖马赫数为0.7、压比为1.6的风扇级，并且通过实验论证了在低速叶片表面和端壁吸气的可行性。到2001年，Schuler成功进行了整个吸气级的实验，即在动静叶上都采取吸气。实验结果和设计目的非常一致，750ft/s的叶尖速达到了1.59的压比，预测的绝热效率达到了89％。上述研究结果表明在压气机叶栅中抽吸附面层能够增加叶片对气流的转折能力，提高压比和喘振裕度。在跨音和超音情况下，当抽吸附面层流体的位置恰好在压力迅速增加的区域之前，或在激波作用区域以及通常情况下位于叶片吸力面压力迅速升高的位置，能够获得压气机扩压能力的本质提高并进而在给定叶片速度的前提下提高每级的做功能力。此外，McCabe研究了抽吸对发动机效率的影响。Hathaway通过假定吸气和吹气能缓和端部气动阻塞趋势，然后结合最好的吸气和吹气结构提出了自循环叶顶处理概念。他研究了叶栅顶部失速的流动机理以及循环叶顶处理方法。研究结果表明，对高速跨音速动叶应用此方法能明显增加失速裕度而不减少效率。国内的研究人员也对附面层吸气技术作了一些研究和应用。1980年，徐大懋院士首次提出了压气机叶片弦向割缝的思想，目的是要增加附面层内气体的动能，