轴流跨声速压气机附面层抽吸抑制分离与扩稳的机理探索

Compressor is one of the most important parts of aero engine and gas turbine. The development direction of compressor is the higher coefficient, more total pressure ratio and wider surge margin. The interaction among shock wave, corner separation and tip leakage is one of the most important reasons of rotating stall in a transonic compressor. So a validly control of shock wave, corner separation and tip leakage is an effective approach to improve the transonic compressor's total performance. It shows that the boundary layer suction at hub, casing and blades can improve the compressor's flow field significantly. The coefficient, total pressure ratio and surge margin increase all while the low-energy fluid near boundary is sucked. In this project, the methods of theory analysis, experimental examination and numerical simulation will be used to investigate the influence rules of boundary layer suction in a sector cascade and transonic compressor. And the vortex structure model will be founded with the method of topological analysis to study the theory of flow separation control and compressor stability extending by boundary layer suction. Based on these results, the general application criteria will be set up to investigate the higher performance transonic compressor in the near future.

压气机作为航空发动机和燃气轮机三大核心部件之一，其发展方向是更高的效率、压比和喘振裕度。在跨声速压气机中，激波、角区分离与叶尖泄漏之间的相互作用是压气机发生失速的主要诱因。因此，若要提高跨声速压气机整体性能，必须对流道内部的激波、角区分离及叶尖泄漏进行有效控制。研究资料表明，在跨声速压气机的轮毂、机匣及叶表进行合理的附面层抽吸可以明显改善压气机流动性能。即吸除部分近壁面低能流体，减轻或消除附面层分离，最终提高效率、压比和喘振裕度。本项目将以跨声速压气机及扇形叶栅为研究对象，结合理论、实验与数值模拟手段，研究附面层抽吸对跨声速压气机及扇形叶栅气动性能的影响规律，同时采用拓扑分析的方法建立压气机与叶栅内部旋涡结构模型，分析附面层抽吸抑制流动分离和拓宽喘振裕度的作用机理。并以此为基础，归纳附面层抽吸技术在跨声速压气机中的一般应用准则，为设计更高性能的轴流跨声速压气机提供有益借鉴。

本课题针对高性能航空发动机和燃气轮机的研发需求，尝试采用附面层抽吸的方法对高负荷压气机内部存在的流动分离现象进行流动控制，同时探索附面层抽吸抑制分离与扩稳的内在作用机理和设计准则。.研究过程中，首先选取跨声速压气机静叶叶型，在跨声速平面扩压叶栅中对附面层抽吸技术的作用效果和作用机理进行了数值研究，结果表明不论是端壁抽吸还是吸力面抽吸，均具有良好的流动控制效果，角区分离明显减弱，在设计冲角下叶栅损失最大降低14.5%，同时静压升系数提高8.2%。之后对跨音压气机转子和静叶中采用附面层抽吸的分离控制效果和控制机理进行了分析，对于跨音转子的抽吸，可以在效率提高1.46%的同时压比增大2.77%，而在静叶中开展的抽吸控制，可以在压比增大0.97%的前提下效率提高3.26%。而针对压气机在近失速条件下的详细流场测试需求，设计了扇形叶栅及其进口导叶，近似模拟了跨音压气机近失速工况下的流动分离现象，并采用附面层抽吸技术对其进行了有效控制，在损失最大降低16.68%的前提下静压升可提高4.73%。.最后，结合已有的研究结果，采用了一种仿生学凹坑结构的被动流动控制方法，对现有的扩压叶栅和跨音压气机叶片进行了流动控制，获得了较为明显的流动控制效果。通过对附面层流动控制方法的研究，结合发动机空气系统和涡轮冷却用气需求，本课题的研究成果在发动机中的实际应用具有较高的实际应用价值，可以为高负荷压气机的研发提供一定的理论参考意义。