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压缩机设计

原创 chino 2022-06-20
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目前压缩机设计中的主要目标是在减少减少叶片和级的数量的情况下提高压力比和效率。这可以通过使用高负载压缩机叶片来实现。其中现阶段和未来的压缩机设计所面临的挑战之考虑非定常的有益影响从而提高提高发动机的参数。这就要求对非定常流场的物理机理及其对压气机性能和流动稳定性的影响。

因为叶片的粘性尾流和势流影响,相对运动的转子叶片和定子叶片相互作用。叶片的尾流和势流影响还会与其他流动模式叠加,例如端部间隙的涡流和二次流动现象,这在跨音速压气机中激波和尾流的互动作用起着重要的作用。因此压缩机流场是高度周期性非定常和非常复杂的。

叶片间相互作用课题已经在近几十年的各种出版物中有研究。Kemp、Sears[1]、Meyer[2]、Lefcort[3]进行了通过叶列尾流传播的早期研究。Kerrebrock、Mikolajczak[4]和Hodson[5]完成了进一步的涡轮机的尾流切割和切割尾流段的叶片通道内传输叶片通道内传播的研究。

图1给出了下游叶片通道内尾流传播的基本特性示意图。如果尾流冲击下一个叶片的前缘那么它会被切割成两个部分(图1-A)尾流在叶片流道内传输过程中会转向、变形、衰减。确定尾流结构和衰减的基本机制是粘性混合、非粘性尾流拉伸和负射流影响。在实际流场上这些影响互相叠加。

粘性尾流混合会使尾流段变宽。由于尾流周围自由流体的混合尾流与周围流体的速度差会减小。尾流段的非粘性应变(“尾流拉伸”)因压缩机叶片通道下游方向的扩大而在其通过叶片通道的传输过程出现。所以压缩机叶栅处的尾流拉伸会导致下游叶栅更快的尾流衰减和粘性混合损失的减少。Smith[6]最早发现了这种效应,通常称之为“尾流恢复”。Smith[7]、Deregel、Tan[8]、Van Zante[9]等的研究证明了尾流恢复对轴流压缩机性能的有利影响。

另一种流动效应,通常表示为“负射流效应” ,由于低动量尾流流体而产生。如图1-A所示定子尾流进入后续的转子叶片通道。定子尾流的绝对速度C及其轴向分量的Cax相对于自由流速度较低。如果定子尾流冲击转子叶片的前缘这就导致了尾流相对速度w的降低和叶片冲角的增加。

尾流长度、相对速度矢量方向的不同,自由流滑动速度的存在导致了'负射流'(图1-A)。此滑移速度刺激低动量尾流流体沿从吸力面(SS)经过叶片通道流向相邻转子叶片压力面(PS)的尾流路径移动。附近SS的高动量的流体进入被切割的尾流段,取代已经流过通道的流体。

 

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