论文摘要：轴流压气机转子叶尖非定常射流的机理研究

航空发动机推重比的不断提高，要求压气机必须随之提高级负荷，这使压气机更容易发生失速。采用转子叶尖流动控制技术能够提高高负荷压气机的失速裕度，例如处理机匣、转子叶尖射流及合成射流等，但是这些扩稳技术在压气机上的应用仍然存在一些问题。相比其他转子叶尖流动控制技术，转子叶尖射流的结构简单，机理明确，在航空发动机上的应用前景较为广阔。为了进一步挖掘转子叶尖射流的潜力，使其在压气机上的应用更有效，更适用，由此展开了本文的研究工作。本文从以下两点对转子叶尖射流进行深入研究。其一，转子叶尖非定常因素的考虑。本课题组的研究发现，对叶栅流场采取周期性激励能够改善叶栅的流场结构，减小分离与堵塞，这些因素与转子流动稳定性密切相关。实际中的转子叶尖射流，由于射流器是周向离散分布的，因而对转子叶片产生周期性的激励作用，因此，在转子叶尖射流的研究中考虑非定常因素有利于进一步提高射流的扩稳效果。其二，射流实现形式的探索。从转子叶尖射流的研究来看，射流器出口速度是影响射流扩稳效果的主要参数，即射流提高了转子叶尖轴向速度。采用转子机匣局部修型的办法，利用凸曲面绕流加速的原理，使其在不增加发动机重量的前提下提高转子叶尖轴向速度，因而能够更简便的实现压气机扩稳的目的。本文正是从这两个问题出发，开展了如下的研究工作。首先，探索了转子叶尖周期性射流激励对转子失速裕度及流场的影响。针对该问题，本章进行了转子叶尖周期性射流的非定常数值模拟研究，并从射流角度分析了课题组之前在一台1.5级压气机上完成的声激励实验的结果。在数值模拟中发现，存在一个使转子失速裕度提升最多的频率，当激励频率远离这个最优频率，转子的失速裕度降低。在声激励实验中存在同样的结果。对声激励的射流效果的分析表明，二者在扩稳机理上存在相同点。其次，为了简化转子叶尖射流的形式并保证压气机的性能不降低，以传统的转子叶尖射流为原型对射流的形式进行了改进研究。从以往的研究来看，提高转子叶尖射流速度有利于推迟失速的发生。受曲面绕流的加速原理启发，对转子叶尖前缘附近的机匣进行局部修型，使转子叶尖前缘附近的局部流场加速，从而达到类似射流的扩稳效果。在此简称这种方法为机匣修型。在Rotor37上分析了不同机匣修型参数对扩稳效果的影响，结果表明，这种方法能够最多提高转子失速裕度6.7%。然后，在一台四级高压压气机上对非定常射流进行了初步的设计。内容包括：（1）分析了各级转子叶尖泄漏涡的振荡频率，对转子叶尖激励器的数目进行了设计；（2）对不同转速下机匣修型的扩稳效果进行了探索。研究结果表明，一方面，不同转子的叶尖激励器的数目与传统的转子叶尖射流中射流器的数目较为接近，可以实现射流器数目的优化；另一方面，高转速下设计的机匣修型在低转速下的扩稳效果并不理想，因此机匣修型在低速下的应用还有待于进一步的研究。最后，对本文的主要工作内容进行了总结，并对非定常射流的发展进行了展望。本文提出的转子叶尖流动控制方法中综合考虑了定常因素及非定常因素对转子叶尖流动稳定性的影响，对转子叶尖流动控制技术的研究及发展具有参考价值。

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