离心压气机失速及导风轮机匣处理扩稳研究

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1、中图分类号：V231.3，V235.1论文编号：102870214-B019学科分类号：082502博士学位论文离心压气机失速及导风轮机匣处理扩稳研究研究生姓名康剑雄学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向推进系统内流流动控制指导教师黄国平教授合作导师朱俊强研究员南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一四年十一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringInvestigatonofCent

2、rifugalCompressorStallandStabilityEnhancementbyInducerShroudCasingTreatmentAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyKangJianxiongAdvisedbyProf.HuangGuoping&Prof.ZhuJunqiangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofEngineeringNovember,2014

3、承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要机匣处理是一类经济高效的扩稳手段，虽然其应用已经有几十年的历史，但由于机匣处理内部与压

4、气机之间耦合流动的复杂性，直到今天人们对其扩稳机理的认识尚不够彻底和完善。随着负荷的不断提高，机匣处理在离心压气机上的应用越来越普遍。开展离心压气机失速内流特征和机匣处理的扩稳机理研究，有助于改变当前机匣处理设计过程中以经验占主导和以反复试验为代价的状况，也有利于满足对未来高性能航空发动机稳定裕度提升的迫切需求。本文采用数值模拟和试验相结合的手段，针对离心压气机开展了自循环机匣处理和导风轮端壁引气两种机匣处理型式的研究，主要包括如下几方面工作：1）开展了单级离心压气机在不同转速条件下流动失稳的内流特征研究。从部件间的匹配关系和叶轮内部导风轮

5、和工作轮的压比－流量特性，找到了不同转速下的失稳触发部位，得到了三种失速模式，分析了失稳部位随转速的变化规律。对叶尖间隙中一类重要的触发压气机失稳的二次流动——叶尖泄漏流的流动结构和泄漏流对压气机失稳的触发机制进行了探索。2）按照经验和一般性认识设计了一种带外部环腔的双向开槽自循环机匣处理，研究了抽吸槽与导风轮的轴向搭接长度、开槽角度、开槽数量和开槽宽度以及环腔容积等的参数选取方法。通过实壁机匣与处理机匣的对比试验，验证了机匣处理的扩稳效果，并从试验结果中所体现出的转速差异性，用以指导数值模拟的状态点，减少计算的盲目性。3）对带自循环机匣处

6、理的离心压气机建立了流动结构模型，通过模型分析了机匣处理对叶轮轮缘功的影响，以及回流二次注入预旋角的选取规律，并预测了机匣处理的回流流量与扩稳效果之间的定量关系。4）运用非线性谐波方法对带机匣处理整级压气机的非定常流动开展了数值模拟，研究了机匣处理内部非定常流动特性和机匣处理与叶轮之间的转/静干涉效应。这些研究为进一步简化计算量，采用转子冻结法进行定常数值模拟提供了合理性依据。5）对带机匣处理的离心压气机开展了相对折合转速nc=0.5、0.8和1.0三条等转速线的定常数值模拟。在数值模拟结果的分析中，研究了自循环机匣处理的扩稳机理，并对机匣

7、处理在扩稳和效率两方面的影响开展了转速差异性研究。结合离心压气机的不同失速模式，总结了自循环机匣处理的应用准则。6）开展了单级离心压气机和斜流-离心组合压气机末级压气机中的导风轮端壁引气研究，对比了端壁引气与自循环机匣处理在扩稳效果和整级效率影响的差异，分析了末级离心压气机导风轮端壁引气相对级间引气的优势。I离心压气机失速及导风轮机匣处理扩稳研究关键词：自循环机匣处理，端壁引气，流动分离，失速模式，非线性谐波法，机理分析，稳定裕度，实验，数值模拟II南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACTCasingtreatmentisakindof

8、efficientandeconomicwaysforcompressorstabilityenhancement.Althoughitsapplicationhasahisto