向心入流转-静系盘腔流动机理及其控制策略研究

Since the centrifugal compressor technique is commonly used in turbine jet, turbine shaft and turbine fan type aeroengine, superimposed radial inward flow within rotor-stator system is prevailed in common as well. Such type of cavity flow, furthermore, plays vital role while evaluating the axial trust and designing secondary air flow system in the engine. With the aid of 7 hole probe, PIV, three dimensional hot-wire and oil flow experimental techniques, the aim of the current project is to analyze such kind of inwardly moving cavity flow, depict its flow structure and revealed the underneath loss mechanism. On this basis, meanwhile, some proper flow control techniques are also prepared to be used and evaluated. All the findings in the current project aim to provide prosperous key technology which can be used in the state-of-art aeroengine’s design.

考虑向心入流条件下转-静系旋转盘腔内部的气流流动型式在应用离心压气机气动/结构布局的小型涡喷、涡轴以及涡扇发动机中普遍存在，位于离心叶轮背腔的这种典型盘腔向心流动型式的气流流动发展特性对整机轴向力平衡、二次流空气系统气路设计等有十分重要的意义。本申请项目拟以探究这种转-静系盘腔内气流的向心流动机理为切入点，以能产生不同旋转向心入流条件的旋转盘腔实验台为实验载体，借助七孔探针、PIV、三维热线风速仪以及表面油流显示等实验测量技术，辅之以自主开发的盘腔一维计算程序和先进的三维CFD数值模拟技术，尝试描绘该类盘腔流动的流动图谱、分析“旋转核心”区域的动量交换机理、探究压力分布特性/损失机理。最终以揭示不同流动区域的差别化气流流动特性并寻求合适的流动控制策略为目标。为发动机研制提供基础性的关键技术支撑。

本项目以某小型涡扇发动机离心叶轮背腔为研究载体，针对向心流转静系盘腔流动机理及控制方法，开展了以下3个方面的研究工作：（1）不同来流条件、几何结构下向心流转静系盘腔流动机理研究。采用数值模拟方法，首先对等间距向心流转静系盘腔流动开展研究，掌握基本流动结构，找出决定流动的无量纲参数以及这些无量纲参数的影响；在此基础上研究变间距盘腔（离心叶轮背腔）流动的特点，并与等间距时进行对比。（2）向心流转静系盘腔流动控制方法研究。提出了背板式、控涡孔式流动控制方法来对盘腔内压力分布、损失进行调节。采用数值模拟方法研究背板、控涡孔的控制原理，进一步的，研究了背板长度、背板与转盘间距，控涡孔数量、角度、径向位置等几何参数对控制有效性的影响。（3）向心流转静系盘腔流动实验研究。搭建了低转速常温转静系盘腔基础理论研究实验平台，实验台涵盖了几款中小型发动机中离心叶轮背腔无量纲流动参数范围，在该实验台上开展不同向心流条件下不带背板及带背板转静系盘腔流动实验。这些工作不仅能完善对向心入流转静系旋转盘腔流动机理的认识，还可以为航空发动机空气系统设计提供新的参考依据。