叶身前缘构型控制跨声速压气机前缘分离流动的机制探索

The shape of blade leading edge has a very significant impact on compressor performance, and the curvature change of the leading edge leads to suction peak and the formation of leading edge separation bubble. Reasonable compressor blade leading edge treatment will help to control the whole blade boundary layer development and the formation and development of leading edge separation bubble, improve the structure of flow field inside the compressor, reduce losses, and expand the range of compressor stability. However, due to the special structure, less work has been undertaken on the leading edge configuration. Therefore, carrying out related research timely to improve the compressor performance has a particularly important practical significance. The project intends to use the combination of methods of theoretical analysis, numerical simulation and experiments to study the configuration method on the blade leading edge in transonic compressor. The leading edge at the tip and the root of the blade keeps unchanged, but the leading edge depression near the central part of the blade is used. The inherent mechanism of the leading edge configuration inhabiting the leading edge flow separation will be revealed. The combined design and optimized strategies of the leading edge, the airfoil profile and the blade will be explored, a scientific basis for improving transonic compressor performance and in-depth research will be provided.

叶片前缘形状对于压气机气动性能具有非常重要的影响，前缘曲率变化导致吸力峰的形成，从而在前缘形成分离泡。合理的压气机叶片前缘构型，可控制前缘分离泡的形成和发展，有利于叶片的附面层发展，是改善压气机内流场结构、减少损失、拓宽稳定工作范围的一项有效手段。但由于结构位置特殊，目前国内外对前缘构型开展的工作较少，其控制压气机前缘分离流动机理还不清晰，因此，开展本申请项目的研究，对改善压气机性能具有特别重要的现实意义。本项目拟采用理论分析 、数值模拟和实验研究相结合的方法，开展跨声速压气机叶身前缘构型方法研究。在保证叶顶和叶根附近叶型不变的前提下，对叶身中部前缘进行凹陷处理，揭示叶身前缘构型抑制前缘分离流动的内在机理，探求前缘与叶型、叶身联合设计的理论方法及优化策略，为跨声速压气机的性能提高和深入研究提供科学依据。

合理的压气机叶片前缘构型，有利于叶片的附面层发展，是改善压气机内流场结构、减少损失、拓宽稳定工作范围的一项有效手段。本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，开展跨声速压气机叶身前缘构型方法研究。首先，项目组进行典型截面叶型的实验数据采集，以DMU37动叶根部典型截面叶型及DMU37静叶顶部典型截面叶型为研究对象，通过风洞吹风实验，在改变来流马赫数和冲角条件下，获得叶栅的流场数据，与原型的三维动叶、静叶数值计算结果作对比，为后续的叶型前缘设计提供参考。其次，项目组相继开展了圆形前缘、椭圆形前缘、椭圆-圆形前缘、曲率连续前缘、椭圆鼓包前缘、前缘切削构型研究。在圆形前缘径向构型研究中，主要完成了不同工况下前缘切削深度、前缘切削高度、前缘径向端壁保留长度的研究。在椭圆形前缘、半椭圆-半圆形前缘研究中，主要完成了不同工况下椭圆长高比及最优长高比下的半椭圆-半圆形前缘的研究。在曲率连续前缘研究中，主要完成了曲率连续前缘方法设计及不同工况下前缘曲率尺寸的研究。在椭圆鼓包前缘径向构型研究中，将椭圆形前缘与仿生学鼓包前缘结合起来形成鼓包形前缘复合改型，主要完成了椭圆形前缘造型方法、椭圆形前缘控制参数及不同工况下椭圆鼓包复合前缘鼓包波幅和径向鼓包数的研究。在前缘切削构型研究中，主要完成了轴向位置前缘叶顶端削和径向位置前缘叶顶端削的研究。通过以上研究，获得了不同圆形前缘、椭圆形前缘、椭圆-圆形前缘、曲率连续前缘、椭圆鼓包前缘、前缘切削方案与造型参数对跨声速压气机动叶或静叶叶栅流动特征与总体性能的影响规律，为跨声速压气机未来的优化设计与性能提高提供了指导方向。最后，项目组正在开展最优椭圆前缘叶栅和曲率前缘叶栅实验，实验件还在设计加工中。此外，针对压气机叶片前缘结构相似，且容易被忽略的压气机叶片尾缘，开展了不同工况下的锯齿尾缘造型研究。以上研究工作为跨声速压气机的性能提高和深入研究提供科学依据。