高负荷悬臂静叶间隙流影响多级压气机气动性能的机理研究

So far it is lack of researches about cantilevered, bowed stators combined of high loaded stage in the new generation wide-body jet engine HPC. This study will deeply explore the influence of highly loaded, cantilevered, bowed stators on multi stage compressor aerodynamic losses and stability, and provide theoretical basis for application. A new four-stage large scale research compressor will be experimentally investigated by 5-hole probes, oil film visualization as well as TR-PIV. CFD will also be carried out on the LSRC by using RANS, URANS and DES as well to construct the 3D flow model of the highly loaded, cantilevered, bowed stators under complex inlet flow conditions, to explore the balanced relation between the increasing hub leakage flow loss and the decreasing mixing loss of end-wall and hub corner, to explain the interference of cantilevered, bowed stators hub leakage flow instability and upstream/downstream rows. All of above is trying to reveal the impact laws of cantilevered, bowed stators on aerodynamic loss and flow stability under different clearances and operation conditions, to clarify the mechanism and finally to establish the highly loaded, cantilevered, bowed stators hub clearance design methodology for application in engineering.

由于目前还没有将悬臂弓形静叶结构与新一代宽体客机发动机高压压气机后面级中高负荷级相结合的研究，所以对高负荷悬臂弓形静叶间隙流影响多级压气机损失及气动稳定性的深入探究，将为悬臂静叶结构在新一代发动机上的应用提供理论依据。本项目拟采用四级重复级低速大尺寸压气机实验台（LSRC）来进行研究，综合运用五孔探针、油膜显示、高频响动态压力传感器和TR-PIV激光粒子图像速度仪等测试系统，并结合RANS/URANS/DES数值分析，构建复杂来流条件下高负荷悬臂弓形静叶通道内三维流动结构模型，探索增加的轮毂泄漏流损失与减少的角区、端区掺混损失之间的平衡关系，以及静叶泄漏流与上下游不同流动之间的干涉联系，揭示多级环境中悬臂弓形静叶不同间隙在不同工况下影响压气机损失及气动稳定性的规律，阐明悬臂弓形静叶间隙流影响多级压气机损失及气动稳定性的力学机制，建立工程实用的先进高负荷悬臂弓形静叶轮毂间隙设计方法。

悬臂静叶相比于带内环静叶具有重量更轻的优势。研究高负荷静叶在真实多级压气机环境中的流动损失和失速机制，对悬臂静叶在新一代高负荷发动机上的应用有重要意义。. 选取宽体客机发动机高压压气机后面级为研究对象，采用悬臂弓形静叶设计，分别开展了高速和低速两部分研究。高速压气机的研究主要探究悬臂叶根间隙的敏感性。低速压气机是采用低速模化设计方法，将高速压气机相似变换到低速四级大尺寸压气机（LSRC）开展研究，设计加工了实验件，获得了设计点和近喘点的四级压气机叶片排尾迹、二次流和附面层等复杂流场演化的详细级间测量数据，并完成了第三级悬臂静叶通道内的流场测量。选取LSRC的嵌入级第三级进行了非定常数值模拟，以及基于LES/RANS的混合数值模拟，在实验数据校准的基础上，通过多种数值模拟方法完成了悬臂静叶间隙流流场结构和影响损失以及失速机理的分析。. 悬臂叶根间隙的敏感性研究结果表明，悬臂静叶的损失在大间隙下对间隙变化更敏感；不同悬臂间隙会影响60%左右叶高以下的总压损失和出口气流角分布。设计工况下，与1%篦齿间隙带冠静叶相比，2.5%间隙悬臂静叶总压损失系数减小了8.46%，性能更优，原因是轮毂旋转消除了角区分离；但改变了出气角，减小了10%~60%叶高的角度，使得下游转叶的正攻角增大，15%叶高的气流角变化最大为2°。. LSRC高负荷悬臂弓形静叶的研究结果表明，前加载设计叶片载荷在2%叶高8%轴向弦长处达到最大。从设计点到近喘点的工况改变中，悬臂静叶载荷的轴向分区演变导致了不同的泄漏流特征。当流量系数减小时，悬臂静叶根部的加载位置向前移动，泄漏流增强。轴向泄漏动量对失速起决定性作用，通过控制泄漏流轴向动量的大小和分布可以提高压气机的气动稳定性。周向泄漏动量在10%~30%轴向弦长位置达到最大，对悬臂静叶5%以下叶高的总压损失起决定性作用。采用前加载的三维非对称弯叶片设计可以有效控制悬臂静叶根部流场。. 本研究的科学意义在于揭示了高负荷悬臂静叶间隙流影响多级压气机气动性能的机理。