
					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 | 
| [1] |  
											  肖志祥, 崔文瑶, 刘健, 等. 新一代战斗机非定常流动数值研究综述[J]. 航空学报, 2020, 41(6): 64-79. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [2] |  
											  李博, 王兆祺, 兰发祥, 等. 三维叶片设计技术在现代压气机中的应用[J]. 航空动力, 2023, 3:60-62. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [3] |  
											  | 
										
| [4] |  
											  马宇晨, 吴东润, 吴俣, 等. 压气机环形叶栅尾迹特性试验与数值模拟研究[J]. 工程热物理学报, 2021, 42(10): 2536-2543. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [5] |  
											  | 
										
| [6] |  
											  魏巍, 任思源, 马护生, 等. 亚声速压气机平面叶栅雷诺数影响试验[J]. 航空动力学报, 2022, 37(5): 1020-1029. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [16] |  
											  | 
										
| [17] |  
											  | 
										
| [18] |  
											  | 
										
| [19] |  
											  沈彦佑, 贾民平, 朱林. 基于拉丁超立方抽样的离心式吸叶机噪声分析与降噪优化研究[J]. 振动与冲击, 2016, 35(15): 93-97. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [20] |  
											  冯路宁, 程邦勤, 王加乐, 等. 整体涡旋流对跨声速压气机Stage 67影响的定常数值仿真研究[J]. 推进技术, 2021, 42(9): 1993-2001. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [21] |  
											  冯路宁, 程邦勤, 王加乐. 对涡旋流对跨声速压气机转子Rotor 67的影响[J]. 工程热物理学报, 2021, 42(9): 2284-2291. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [22] |  
											  | 
										
| [7] |  
											  佟鼎, 田红艳, 刘欣源, 等. 进气弯管对离心压气机特性影响及弯管结构优化[J]. 兵工学报, 2021, 42(4):706-714. 
											 											 | 
										
|  
											  doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.004  | 
										|
| [8] |  
											  | 
										
| [9] |  
											  | 
										
| [10] |  
											  | 
										
| [11] |  
											  胡义, 韩吉昂, 钱薪伟, 等. 不同造型方法下鼓包参数对跨声速压气机叶栅性能的影响[J]. 大连海事大学学报, 2021, 47(2):83-96. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [12] |  
											  王宪磊, 刘欣源, 张强, 等. 叶片前缘前掠对离心压气机性能的影响[J]. 车用发动机, 2023, 4: 21-28. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [13] |  
											  | 
										
| [14] |  
											  周创鑫, 成金鑫, 黄松, 等. 基于贝塞尔曲面参数化方法的1.5级高负荷轴流压气机气动优化[J]. 航空动力学报, 2021, 36(4): 673-686. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [15] |  
											  邹如萍, 李传鹏, 安志强, 等. 锯齿尾缘叶片气动特性数值模拟研究[J]. 南京航空航天大学学报, 2021, 53(4): 546-550. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [16] |  
											  杨成浩, 冯和英, 彭叶辉. 尾缘锯齿结构对低压涡轮动静干涉噪声的影响[J]. 推进技术, 2022, 43(5): 132-141. 
											 											 | 
										
| [23] |  
											  | 
										
| [24] |  
											  | 
										
| [1] | 丁伟, 明振军, 王国新, 阎艳, 禹磊. 基于正向解析式和多目标博弈优化算法的复杂装备体系优化设计方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(6): 1974-1990. | 
| [2] | 李作轩, 贾良跃, 郝佳, 王超, 王国新, 明振军, 阎艳. 基于多工况关联的无人车辆车身结构轻量化优化设计[J]. 兵工学报, 2023, 44(11): 3529-3542. | 
| [3] | 吴则良, 叶建川,王江,金忍. 基于深度自动编码器神经网络的飞行器翼型参数降维与优化设计[J]. 兵工学报, 2022, 43(6): 1326-1336. | 
| [4] | 孙宁, 夏艳, 程行清. 基于光纤陀螺仪检测的精密温控装置优化设计[J]. 兵工学报, 2022, 43(4): 910-918. | 
| [5] | 马文朝, 孟繁敏, 马诺, 孟军辉, 邹汝平. 跨介质飞行器头部外形优化及入水性能分析[J]. 兵工学报, 2022, 43(10): 2588-2597. | 
| [6] | 刘钧圣, 王刚, 王琨, 史宏博, 郭斌. 考虑不确定性的模块化战术导弹优化设计[J]. 兵工学报, 2020, 41(2): 270-279. | 
| [7] | 张富毅, 吴钦, 赵晓阳, 刘影, 王国玉. 基于响应面方法的喷水推进器进水流道多目标优化[J]. 兵工学报, 2020, 41(10): 2071-2080. | 
| [8] | 魏巍, 彭卉, 刘旭, 简洪超, 谢文浩, 闫清东, 朱浩月. 液力传动车辆闭锁充油动态缓冲特性优化[J]. 兵工学报, 2019, 40(7): 1358-1364. | 
| [9] | 林通, 钱林方, 陈光宋, 刘太素. 面向输弹一致性的某输弹机稳健优化设计研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(2): 243-250. | 
| [10] | 李彬, 庞永杰, 朱枭猛, 程妍雪. 水下航行器环肋复合材料耐压壳6σ优化设计[J]. 兵工学报, 2018, 39(6): 1171-1177. | 
| [11] | 姚琳, 马大为, 马吴宁, 任杰, 仲健林, 王泽林. 两级提拉式单侧弹射装置内弹道建模与优化[J]. 兵工学报, 2017, 38(3): 466-475. | 
| [12] | 刘勤, 孙志礼, 刘英, 郭志明, 陈岩. 基于改进布谷鸟搜索算法的结构耐久性优化方法[J]. 兵工学报, 2017, 38(12): 2438-2446. | 
| [13] | 李志斌, 卢芳云. 梯度温度场中多胞材料牺牲层的抗冲击分析[J]. 兵工学报, 2017, 38(12): 2463-2471. | 
| [14] | 刘强, 胡灯亮, 吴波, 任元, 王卫杰. 磁悬浮微框架球形飞轮及其转子优化设计研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(11): 2280-2288. | 
| [15] | 高庆玉, 唐乾刚, 张青斌, 丰志伟. 空间绳网二级发射模式动力学分析[J]. 兵工学报, 2016, 37(4): 719-726. | 
| 阅读次数 | ||||||
| 
												        	全文 | 
											        	
												        	 | 
													|||||
| 
												        	摘要 | 
												        
															 | 
													|||||
 京公网安备11010802024360号    京ICP备05059581号-4