关于压气机过渡段设计方法的探讨

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252013V01．34No．51057-1063ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．cahkxb@buaaedu．ca关于压气机过渡段设计方法的探讨高丽敏*，冯旭栋，陈璇，吴亚楠西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072摘要：为改善压气机过渡段内的流动损失，提高设计过程的快速性和结果的准确性。首先，发展了结合气动评估与优化算法的带支板压气机过渡段的设计方法，并编制了相应程序。针对算法各自的特点将不同的气动

2、评估方法运用到优化方法的不同阶段，求解子午平面的二维方法用于解空问的全局寻优，精确求解三维雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方程的方法用于进行局部寻优，这使得设计流程变得快速而不失准确性，并建立了方便进行流通面积控制的过渡段参数化方法。其次，针对一算例开展了设计工作，并分析了损失来源，结果表明过渡段的设计如果不考虑支板的影响将对结果产生重大偏差；对于进出Vl面积相同的过渡段设计，沿流动方向先增大后减小的面积变化有助于减小过渡段支板后半段的局部快速扩压作用与凹壁面减速作用相互叠加引起的高损失区域，避免大的流动分离；过渡段流通面积扩张度

3、有一个最佳值，其值受支板翼型、进出口面积比等因素共同影响。最后，将本文设计方法得到的过渡段规律同前人所做类似工作得到的结论进行对比，吻合较好，说明本文发展的设计方法是可行的。关键词：S弯过渡段；支板；设计优化；遗传算法；神经网络中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)05—1057—07压气机过渡段是航空发动机上连接低压压气机与高压压气机的重要静止部件，它负责将前者已经压缩过的空气输送到后者中进行进一步压缩。随着现代航空发动机增压能力的提高，高低压压气机之间的平均半径落差朝着增大的趋势发展。而且出于减重考虑

4、，过渡段在设计时应尽可能地缩短轴向长度。以上两种情况将大大增加压气机过渡段的流动损失。所以有必要开展大径向落差、短轴向长度条件下的压气机过渡段设计方法研究。近年来，国内外开展了较多这方面的研究工作。Ortiz等口。通过比较平板附面层和带曲率端壁附面层的区别，指出轴向长度的缩短将使流动损失增大以及流动分离发生在压力极小值之后具有强逆压梯度的位置。Bailey[2]通过实验指出S弯过渡段无支板损失的产生是压力梯度与曲率共同造成的，其中曲率、压力梯度影响着附面层雷诺切应力的发展，而压力梯度影响附面层形状因子。Wallin[33和Tiziano[41等

5、通过优化算法结合计算流体力学(CFD)方法计算探讨了压气机过渡段的设计方法，优化设计的目标是为减小过渡段的总压损失。文献[33和文献[4]的研究结果都指出，流通面积先扩张后收缩的过渡段设计可以有效减小后半段逆压梯度带来的总压损失，使总压损失大幅减小。英国怀特实验室的Naylor等口3对压气机过渡段进行了非轴对称端壁的优化，指出支板后部与轮毂交界位置存在双重逆压梯度叠加引起的回流现象，通过非轴对称端壁可以达到减小甚至消除回流的目的。Bailey等邸3给出了二维(SN，S代表流线方向，N代表准正交流线方向)坐标系下总压损失沿流线的分布与切应力的关收

6、稿日期：2012—06—29；退修日期：2012—09—17；录用日期：2012-10—22；网络出版时间：2012-11—2317：22网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V201211231722003．html基金项目：陕西省自然科学基金(2012JM7016)；新世纪优秀人才资助计划(NCET．10-0078)*通讯作者Tel．：029—88495022E—mail：gaolm@nwpu．eduorl引用格式：GaoLM，FengXD．ChengX．eta1．Explorationaboutco

7、mpressorintermediateductdesign．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(5)：1057-1063高丽敏，冯旭栋，睬璇，等．关于压气机过渡段设计方法的探讨航空学报，2013，34(5)：{057．1863航空学报May252013V01．34No．5系，并通过实验测量结果验证了这一关系的正确性。Clemen等口一用响应面方法优化了高涵道比外涵导流段子午端壁与支板。国内的阙晓斌等[81开展了压气机过渡段的设计探索，提出了半程落差比的概念，并用于过渡段设计。大径向落差，短轴

8、向长度的压气机过渡段一般被设计成s弯形式，加之过渡段内部存在支板叶片(提供强度支撑以及内通管路)，这些都是造成过渡段损失的主要来源。在考虑以上影响的基