端区压力场重构下的高负荷扩压叶栅流动机理及损失预测模型研究

With the perpetual increase of thrust-weight ratio of aero-engine, the flow management and loss of single-stage high-load compressor become the research hotspots. There are two objectives of this project. One is to deepen the understanding of the endwall pressure field configuration effect on high-load flow of diffuser cascade. The other is to improve the one-dimensional design prediction ability of high-load compressor. In this project, the basic theory of high-load flow considering endwall flow control effect is studied firstly, on the base of which the cascade loss prediction model considering the endwall flow control is investigated. Through experimental study and numerical simulation, the evolution mechanism of flow field structure and loss mechanism of diffuser cascade high-load flow considering pressure field reconstruction are investigated. The compound lean blade design parameters are introduced into the traditional cascade loss prediction model framework. As the model dimension increase, the basic science problems arise. Under the new model framework, the parameters migration to the unconventional range, the coupling relations between the parameters and the coupling mechanism are investigated. Finally, a cascade loss prediction model that can profoundly reflect the flow control effect in the endwall is studied. It is expected that this project could provide support to both theory and technology for high-efficiency and high-load compressor design.

随着航空发动机推重比不断提高，高负荷单级压气机的流动控制与损失问题成为研究热点。为了加深端区压力场构型对扩压叶栅高负荷流动影响的认识，提升高负荷环境下的压气机一维设计预测能力，本项目开展了考虑端区流动控制效应的高负荷流动基础理论研究，在此基础上，发展新的能够考虑端区压力场重构效应的叶栅损失预测模型构建方法。通过实验研究和数值模拟，研究端区压力场重构下的高负荷扩压叶栅流动结构演化规律与损失机制，在传统叶栅损失预测模型框架中引入弯叶片设计参数，研究模型维度增加带来的基础科学问题，揭示模型框架改变后参数选取范围的迁移、参数之间的耦合关系及耦合作用机制，研发能够有效反映端区流动控制作用的叶栅损失预测模型。通过本项目的研究，以期为高效高负荷压气机设计中的基础理论和关键技术发展奠定一定的基础。

为不断提高航空发动机推重比，压气机向高负荷、高效率、高稳定性的方向发展，高负荷单级压气机的流动与损失等问题逐渐成为研究热点。为了获得高负荷扩压叶栅中叶片构型对端区压力场和流动影响的系统性认识，提升高负荷压气机一维设计能力，本项目在考虑端区流动控制效应的基础上开展了高负荷流动基础理论研究，开发了新一代叶栅性能预测模型。首先分别针对适用于中低亚音速和高亚音速环境的NACA65叶型和CDA叶型应用弯叶片重构端区压力场，深度认识高负荷扩压叶栅内的流动控制机理，实现当叶栅参数处于非常规范围时的高负荷流动。在此基础上，探究叶栅关键几何参数、弯叶片设计参数与叶栅气动性能参数间的依变关系，建立能够深刻反映端区流动控制作用的叶栅性能预测模型。应用考虑弯叶片设计参数在内的叶栅性能预测模型，探究参数之间的耦合关系及耦合作用机制。研究发现在低负荷叶栅中，角区分离为开式且微弱，弯叶片增强了上下端壁通道涡的强度和尺度，叶栅损失主要来源于增强的通道涡诱导的复杂流动。高负荷叶栅中，角区分离强烈，弯叶片有效削弱了角区吸力面分离涡和集中脱落涡，并使角区低能流体向叶展中部迁移，导致叶型损失增加。总结叶栅关键几何参数和弯叶片设计参数对最小损失冲角下的叶栅性能参数的影响规律，并建立此工况下的包含弯叶片参数在内的叶栅性能预测模型，发现弯叶片打破了直叶栅内参数间的平衡关系，丰富了叶栅设计方案。应用叶栅性能预测模型计算整个参数取值空间内的最优弯角，并探究其随叶栅关键几何参数的变化规律，实现高负荷宽工况的扩压叶栅设计。本项研究结果探明了在负荷提升过程中叶栅典型流动结构的演化规律以及损失机制，及弯叶片对端区压力场的重构作用和流动控制机理。所开发的新模型突破了经典的直叶片技术框架的约束，其反映的叶栅性能参数与损失模型参数的耦合作用规律远超出直叶片叶栅损失预测模型的适用范围，拓宽了决定着压气机DNA的顶层一维设计视野。