基于叶轮机械内部流动特点的超音叶栅启动机制研究

In the design of transonic/supersonic compressor, the aerodynamic performances of the supersonic cascades play an important role in enhancing the pressure ratio of the compressor and also improving its efficiency. If the supersonic cascades can not involved in the starting state properly, detached shock waves are formed at the leading edge of the blade, as a result, the performance parameters such as the flow rate, pressure ratio and efficiency decrease significantly. On the basis of the synthesis of the starting problems of the supersonic compressor, the investigations are conducted as following:.1) The formation and maintenance of the flow field for the starting/unstarting states and the switch disciplines between the two states are studied, and the salient feathers of the flow are also illustrated..2) The model of the shock loss for the starting/unstarting state is established..3) The contraction ratio of the supersonic cascades is determined at self-starting condition..From the point of internal flow, the characteristics of the project is to consider the influence between the blades, combined with the shock-boundary layer interaction. Based on the experimental study, theoretical analysis and numerical simulation, the research program is executed according to the prepared research plan. At last, the mechanism of the starting process of the supersonic cascades is illustrated from the perspective of the internal flow, which is the foundation of the further improvement of the aerodynamic performances of the transonic/supersonic compressors.

在跨/超音压气机设计中，超音叶栅的性能对提升其压比、效率等性能具有重要作用。超音叶栅如果无法进入启动状态，会在叶片前缘形成脱体激波，导致进口流量、压比、效率等性能下降，甚至诱发颤振。在总结分析超音叶栅启动问题的研究现状和发展趋势的基础上，本项目拟开展以下研究：1)研究启动/非启动流场形成、维持以及两种状态的转换规律等流动机理，并阐明其流动特性；2)针对启动与非启动状态，建立激波损失的计算模型；3)确定超音叶栅的自起动收缩比。项目的特色在于从内流的角度出发，考虑叶片间的相互影响，结合激波与边界层的相互干涉，对超音叶栅的启动机制进行研究。研究计划建立在以实验研究为主导，理论分析和数值模拟为支撑的构架上，采用平面叶栅实验获取流场信息，并按拟订的研究方案执行。通过解决上述问题，希望从内部流动机理上澄清超音叶栅的启动机制，为解决启动问题提供一定的理论支持，并以此提高跨/超音压气机的性能。

在跨/超音压气机设计中，超音叶栅的性能对提升其压比、效率等性能具有重要作用。超音叶栅如果无法进入启动状态，会在叶片前缘形成脱体激波，导致进口流量、压比、效率等性能下降，甚至诱发颤振。在总结分析超音叶栅启动问题的研究现状和发展趋势的基础上，本项目从三个方面，对超音叶栅的启动机制进行研究：.1）提出了超音叶栅的激波结构模型和激波损失计算方法。从叶栅的前缘外伸激波、前缘内伸激波和叶栅通道的结尾激波出发，建立了超音叶栅的激波结构模型，并根据超音叶栅的激波结构模型对激波损失进行分析计算，进而得出了超音叶栅的叶型优化设计方法。.2）通过理论分析和数值模拟，对超音叶栅的启动机制进行研究，得出了典型超音叶型的自启动条件，通过自启动条件可以得出叶栅的几何喉口面积，以此确定叶栅的自启动收缩比。.3）通过超音叶栅的风洞实验及数值模拟研究，得出了超音叶栅的启动/非启动流场的流动机理，重点阐明了超音叶栅在启动/非启动状态下的激波结构特点和流动分离特点，研究表明，在非启动状态下，超音叶栅的激波结构主要为前缘形成的前缘脱体激波，前缘脱体激波的存在，一方面增加了叶栅的激波损失，另一方面诱发叶表的流动分离，流动分离引起的总压损失进一步降低了超音叶栅的气动性能。在启动状态下，超音叶栅的激波结构主要集中在叶栅通道内，包括前缘入射斜激波、反射斜激波以及通道激波，叶栅通道内的流动分离主要由激波与边界层的相互作用引发。.本项目在执行过程中，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，研究了超音叶栅的启动机制，为超音叶栅的气动设计提供了理论支撑，在此基础上为提高超音压气机的气动性能打下了基础。