兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (12): 4565-4577.doi: 10.12382/bgxb.2023.0981
杨文军1,*(), 隋东东1, 王旭鹏1, 潘五九1, 王磊2
收稿日期:
2023-09-27
上线日期:
2024-01-17
通讯作者:
基金资助:
YANG Wenjun1,*(), SUI Dongdong1, WANG Xupeng1, PAN Wujiu1, WANG Lei2
Received:
2023-09-27
Online:
2024-01-17
摘要:
转静干涉效应诱发了压气机叶片尾流的复杂激扰行为,而尾缘锯齿特征为叶片尾流的激扰控制提供了有效手段。在考虑叶排间转静干涉的基础上,通过在静子叶片尾缘引入锯齿特征,以改善其对叶片尾流扰动以及压气机性能的影响,并进一步利用拉丁方试验设计优化了转子叶型,实现转静干涉下压气机叶片的尾流扰动控制与性能优化。研究结果表明:非均布锯齿特征有效改善了静子叶片的尾流形态,增强了叶片主流与尾流区域的混合效应,减小了叶片尾缘的速度亏损;跨声速压气机的效率提高了2.70%,稳定工作范围提高了12.31%;通过优化转子叶片型面,压气机效率提高至91.42%,进一步拓宽了其性能裕度;研究成果不仅对尾流扰动控制具有重要的理论价值,而且对高性能叶盘系统的设计具有重要的工程意义。
中图分类号:
杨文军, 隋东东, 王旭鹏, 潘五九, 王磊. 转静干涉下压气机叶片尾缘锯齿设计与性能优化[J]. 兵工学报, 2024, 45(12): 4565-4577.
YANG Wenjun, SUI Dongdong, WANG Xupeng, PAN Wujiu, WANG Lei. Performance Optimization and Serrated Design of Trailing Edge on Compressor Blade under the Effect of Rotor-stator Interaction[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(12): 4565-4577.
工况点 | 参数 | 试验结果[ | 仿真结果 | 偏差值/% |
---|---|---|---|---|
堵塞点 | 总压比 | 1.630 | 1.627 | 0.18 |
效率 | 0.882 | 0.880 | 0.23 | |
失速点 | 总压比 | 1.649 | 1.636 | 0.79 |
效率 | 0.818 | 0.801 | 2.12 |
表1 数值仿真与试验结果的偏差值对比
Table 1 Comparison of deviation values between numerically simulated and experimental results
工况点 | 参数 | 试验结果[ | 仿真结果 | 偏差值/% |
---|---|---|---|---|
堵塞点 | 总压比 | 1.630 | 1.627 | 0.18 |
效率 | 0.882 | 0.880 | 0.23 | |
失速点 | 总压比 | 1.649 | 1.636 | 0.79 |
效率 | 0.818 | 0.801 | 2.12 |
模型 | 方案1 | 方案2 | 方案3 |
---|---|---|---|
h/λo系列 | λ/co系列 | λ/ho系列 | |
1 | 1.00 | 0.12 | 1.00 |
2 | 1.60 | 0.16 | 1.40 |
3 | 2.00 | 0.20 | 1.60 |
表2 3种不同锯齿叶片设计方案
Table 2 Three different serrated blade design schemes
模型 | 方案1 | 方案2 | 方案3 |
---|---|---|---|
h/λo系列 | λ/co系列 | λ/ho系列 | |
1 | 1.00 | 0.12 | 1.00 |
2 | 1.60 | 0.16 | 1.40 |
3 | 2.00 | 0.20 | 1.60 |
叶高/% | λ, h/mm | vo/(m·s-1) |
---|---|---|
8 | 12.02 | 177.54 |
16 | 11.67 | 173.82 |
23 | 11.18 | 168.47 |
31 | 10.71 | 163.13 |
39 | 10.12 | 156.14 |
47 | 9.80 | 152.20 |
54 | 9.23 | 144.88 |
62 | 8.54 | 135.40 |
70 | 8.17 | 129.98 |
77 | 7.84 | 124.92 |
85 | 7.55 | 120.26 |
93 | 7.17 | 113.81 |
表3 锯齿尺寸与尾流速度的匹配设计
Table 3 Matching design based on serrated sizes and wake velocities
叶高/% | λ, h/mm | vo/(m·s-1) |
---|---|---|
8 | 12.02 | 177.54 |
16 | 11.67 | 173.82 |
23 | 11.18 | 168.47 |
31 | 10.71 | 163.13 |
39 | 10.12 | 156.14 |
47 | 9.80 | 152.20 |
54 | 9.23 | 144.88 |
62 | 8.54 | 135.40 |
70 | 8.17 | 129.98 |
77 | 7.84 | 124.92 |
85 | 7.55 | 120.26 |
93 | 7.17 | 113.81 |
静子叶片 类型 | 堵塞流量/ (kg·s-1) | 失速流量/ (kg·s-1) | 流量范围/ (kg·s-1) | 增长 率/% |
---|---|---|---|---|
原始 | 34.43308 | 30.9214 | 3.51194 | 0 |
均匀锯齿 | 34.52812 | 30.8007 | 3.72742 | 6.13 |
非均布锯齿 | 34.62448 | 30.6802 | 3.94428 | 12.31 |
表4 压气机稳定工作流量对比
Table 4 Comparison of compressor stable operating mass flows
静子叶片 类型 | 堵塞流量/ (kg·s-1) | 失速流量/ (kg·s-1) | 流量范围/ (kg·s-1) | 增长 率/% |
---|---|---|---|---|
原始 | 34.43308 | 30.9214 | 3.51194 | 0 |
均匀锯齿 | 34.52812 | 30.8007 | 3.72742 | 6.13 |
非均布锯齿 | 34.62448 | 30.6802 | 3.94428 | 12.31 |
叶高/% | LEn/(°) | TEn/(°) | 优化区间/(°) |
---|---|---|---|
0 | -39.580 | 23.288 | LE1∈[-41,-37], TE1∈[21,25] |
25 | -42.243 | -13.081 | LE2∈[-44,-40], TE2∈[-15,-11] |
50 | -52.358 | -35.978 | LE3∈[-56,-50], TE3∈[-37,-33] |
75 | -59.217 | -49.87 | LE4∈[-62,-55], TE4∈[-51,-47] |
100 | -65.328 | -53.202 | LE5∈[-67,-63], TE5∈[-58,-50] |
表5 转子叶片前缘、尾缘安装角及其优化范围
Table 5 Mounting angle of rotor blade at leading edge and trailing edge and their optimized ranges
叶高/% | LEn/(°) | TEn/(°) | 优化区间/(°) |
---|---|---|---|
0 | -39.580 | 23.288 | LE1∈[-41,-37], TE1∈[21,25] |
25 | -42.243 | -13.081 | LE2∈[-44,-40], TE2∈[-15,-11] |
50 | -52.358 | -35.978 | LE3∈[-56,-50], TE3∈[-37,-33] |
75 | -59.217 | -49.87 | LE4∈[-62,-55], TE4∈[-51,-47] |
100 | -65.328 | -53.202 | LE5∈[-67,-63], TE5∈[-58,-50] |
叶高/% | LEn/(°) | TEn/(°) |
---|---|---|
0 | -39.659 | 21.099 |
25 | -42.496 | -12.113 |
50 | -55.395 | -36.770 |
75 | -55.783 | -50.169 |
100 | -66.243 | -57.778 |
表6 优化后转子叶片的前缘、尾缘安装角
Table 6 Mounting angle of the optimized rotor blade at
叶高/% | LEn/(°) | TEn/(°) |
---|---|---|
0 | -39.659 | 21.099 |
25 | -42.496 | -12.113 |
50 | -55.395 | -36.770 |
75 | -55.783 | -50.169 |
100 | -66.243 | -57.778 |
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