那个题目串列转子稳定性研究

那个题目串列转子稳定性研究

唐殿宇郭作燃王少锋

关键词：跨音速串列转子；失速机制；叶尖泄漏流；间隙配合；数值计算

在军事领域与交通领域，飞机作为目前速度最快的运输与战斗工具，扮演着重要的角色。作为其动力装置的航空燃气涡轮发动机，其性能也必然需要不断提高，这需要压气机拥有更高的级压比和效率。

从原理上分析，提高压气机压比的途径主要有两种：一是提高叶片的切线速度；二是增加叶片表面气流的折转角。前者对材料的性能有极高的要求，后者则需要合理的气动设计和流动控制方法。对于传统叶栅，单级压气机负荷的提高主要限制条件就是附面层的分离。目前已经有了很多延迟叶片分离的技术，如附面层抽吸、串列叶栅，拱形转子等，本篇文章中主要讨论的是串列叶栅技术。

与传统单排叶栅相比，串列叶栅有其结构的特殊性，可将气流转角分为两排叶栅分别完成，当气流转角分别由两个单独的叶栅来完成的时候，会在后排叶栅前缘形成新的附面层，这就可以推迟甚至避免附面层分离的发生，而且不会造成更大的损失，因此在适当的位置放置串列叶栅，可以有效增加压气机的效率和压比，提高压气机的总体性能，从而可以提升发动机的推重比。

就串列转子的结构而言，前后排叶栅的周向位置、轴向搭接量以及叶尖间隙对压气机性能有着显著的影响，其中，关于轴向搭接量：McGlumphy[3]和赵斌、刘宝杰[4]研究结果表明，从综合角度考虑，当前后排叶片轴向距离为0时，串列转子的总体性能最好。而最佳轴向搭接量与最佳周向相对位置成反比，在轴向搭接量为0时，后排叶片在前排叶片弦向上有15%左右弦长时的效果最为理想。关于叶尖间隙效应：宋明哲的研究结果表明[5]：叶尖间隙的大小决定串列转子的失速机制。当间隙较小时，流场失速机制为前排叶片尾迹堵塞后排叶片通道，后排叶片为最先失速级；当间隙较大时，流场失速机制为前排叶片叶尖泄漏流堵塞，前排叶片为最先失速级。但对于前后叶片的间隙配合对串列转子失速机制的影响，目前还并没有相关的研究。因此笔者将在前人的研究基础上进一步研究串列转子前后排叶栅叶尖间隙各自对失速机制的影响，并通过控制一排叶栅叶尖间隙不变，改变另一排叶栅叶尖间隙的方法，寻求最合理的间隙配合，使失速裕度达到最大。

为了更加直观地观察与分析串列转子的流场结构与失速机制，本文对所要研究的跨音速串列转子，使用NUMECA商用软件包进行三维数值模拟。

本文的研究对象为宋明哲《串列转子叶尖流场及处理机匣研究》一文中所设计的串列转子，设计转速为7612.35m/s，设计叶尖间隙为0.5mm，设计流量为115.1kg/s，在设计流量点，前排总压比1.9，负荷系数0.3066；后排总压比1.6，负荷系数0.2804，具体设计参数见下表。

总温（K）288.15

总压（Pa）101325

流量（Kg/s）100~120

总体负荷系数0.55~0.65

绝热效率0.88

前排叶片负荷所占比例50%~60%

进口轮毂比0.6~0.7

前排叶片出口轴向马赫数0.45~0.55

后排叶片出口轴向马赫数0.45~0.55

叶片展弦比1.0~1.2

叶片稠度1.2~1.5

轴向搭接量（AO）0

前后叶片周向相对位置（PP）80%~90%

通过对题设串列转子进行数值仿真实验，可以发现随着叶尖间隙的减小，压气机的压比和效率均有所提高；由于前排转子R1的负荷更高，R1叶尖间隙的变化对叶尖泄漏流强度的影响更大，所以R1对串列转子性能的影响更明显；就稳定性而言，该串列转子存在最佳间隙配合，即转子R2保持为设计间隙1.0时，转子R2的叶尖间隙取2，此时串列转子的失速裕度最大。

在设计间隙的基础上分别改变前后排转子的叶尖间隙，构成不同的间隙配合进行模拟计算，具体的配合方案为：保持后排转子叶尖间隙为设计间隙，前排转子叶尖间隙分别取0.0，0.5，1.0，1.5和2.0；保持前排转子叶尖间隙为，后排转子叶尖间隙分别取0.0，0.5，1.0，1.5和2.0，观察串列转子的叶尖流场结构，分析其失速机制。

两排转子叶尖间隙的变化均会改变串列转子的失速机制，以设计间隙为标准，当R1间隙变小或R2间隙变大时，失速机制由前排叶尖泄漏流堵塞变为前排尾迹堵塞后排通道，最先失速级由R1变为R2。

本文探索出的使串列转子失速裕度最大的“最佳间隙配合”，并不够准确，当串列转子取“最佳间隙配合”时，虽然稳定性有所上升，但串列转子的压比和效率均有下降，应该是因为只对“保持一排叶片间隙为设计值，改变另一排叶片间隙”这种情况进行了研究，所得结果并不精确。在今后的工作中，可以继续探索“两排叶片叶尖间隙均不为设计值”的情况下，使串列转子总体性能最好的间隙配合。

参考文献：

[1]周正贵，吴国钏，郭秉衡.WZ8A轴流压气机静子叶栅性能特点[J].航空学报.1993.

[2]方德昌.航空动力装置——飞机的心脏[M].北京：航空工业出版社.2001

[3]McGlumphyJ，WellbornSR，KempfS.3DNumericalInvestigationofTandemAirfoilsforaCoreCompressorRotor[J].JournalofTurbomachinery.July2010，Vol.132/031009：1-9.

[4]赵斌，刘宝杰.前、后排叶片相对位置对串列转子性能的影响[J].航空动力学报.2012.

[5]宋明哲.串列转子叶尖流场及处理机匣研究.硕士学位论文.2014