高压比吸附式压气机级气动性能设计与分析

2翻译部分高压比吸附式压气机级气动性能设计与分析摘要在轴流压气机中，可以通过附面层抽吸的方法来对叶片和端壁附面层区域的逆压梯度进行控制从而提高压比。

这个概念已经在一个最高速度为1500英尺每秒，总压比为3.5的独特的吸附式压气机的设计与分析中被验证。

吸气级是将轴对称的通流程序与一个具有反设计能力的准三维叶片程序搭配而设计的，完成之后用三维NS方程进行了计算验证。

为了满足一个4%的入口质量流量的总吸要求在转子和静子吸力面安装了沿着翼展方向的槽，3%的额外抽吸也将需要在轮毂和缸盖的激波位置附近完成。

除了在端壁区域，设计的三维粘性的评价结果与准三维设计意图高度一致。

三维粘性分析预测的质量平均在转子等熵效率为93%、总压比为3.7和在总压比为3.4、等熵效率为86%的级中。

2.1专业符号H——滞止焓 r——半径方向U——附面层边缘速度 H——运动状态参数kM——马赫数 x——轴向方向P——压力δ*——位移厚度U——叶片速度 e——动量厚度m’——弧长ρ——密度r——半径方向η——等熵效率u——附面层边缘速度ω——损失系数2.2脚注O——停滞，总量 isen——等熵1，2——叶片入口，出口 suct——吸入e——附面层 v——粘性2.3介绍Kerrebrock解决了热力学对发动机性能的影响，他和其他人讨论了吸气时压气机的相关概念，并且描述了一个实验，此实验研究了附面层吸除对于跨声速压气机吸力面的影响。

在Kerrebrock等人1996年的在一个系列的涵盖了最高速度从700至1500英尺/秒，压比从1.5到3的吸附式压气机的设计中呈现出了新的结果，设计研究清楚地表明，级做功的增加，可以实现压气机吸气的愿望。

这些努力仅仅代表了在回答是否抽吸会导致改善发动机性能整体问题过程的第一步。

最后的答案取决于吸入对发动机的重量和燃油消耗的影响。

这些反过来又依赖于整合吸气级进入发动机的细节。

特别是，对循环效率的净效应取决于有多少的放气流的能量可以回收，并且放气流在发动机系统的利用，例如冷却。

这些问题正在研究中。

本文的重点是一个为了实现在叶尖切向速度达到1500英尺/秒，压比达到3.5的高速吸气级的气动设计。

本设计与传统设计相比，在相同的2和2.3之间压比下，叶尖切向速度大幅度提高了。

（WennQrstrom，1984）。

正如Merchant (1999).中描述的那样，超高的压气机叶片载荷对于乍一看下叶片的设计体系以及设计理念有要求。

与传统的设计系统相比，它依赖于轴对称的流线曲率法，并结合级联数据或计算，用于本设计的设计系统由叶片求解Youngren和Drela（1991）开发的米塞斯准三维叶片，再加上一通流程序。

二维码是用来分析叶片部分的设计，这部分设计用于构建三维叶片几何堆叠。

这非粘性-粘性的规划和米塞斯的反设计特点给叶片部分的设计提供了前所未有的灵活性。

为了使吸力计算成为叶片设计程序中的积分部分，在附面层制定时应包括一个强大的吸力模型。

米塞斯要求由一个通过流求解的流面和流动条件的投入。

与传统的流线曲率求解器相比，本设计系统中所使用的通流求解器解决了完全的轴对称欧拉方程，反映出更精确的径向流线型流道以及叶片排内的变化。

端壁附面层，展向混合，以及需要附加的建模和实证研究非对称效应的影响在流量计算中是忽略不计的。

然而，从三维粘性分析中得出的堵塞和损失被用于最终的优化设计。

使用Adamczyk and Celestina在NASA格伦研究中心创造的 APNASA程序进行了一个完整级的三维粘性分析。

在美国宇航局格伦研究中心还将进行一个实验测试级，这个级的机械设计类似于在Schuler（1998）中描述的低速吸气级，在这些吸气级中，一个重要的特征就是在转子上有一个顶部缸盖，它有利于从流动路径上沿径向向外排出气流，而且，在设计系统中，无需对前端间隙的影响进行建模。

在接下来的部分中，吸气级的放气装置将会被呈现出来，其次就是一个关于这个级的气动设计的详细讨论。

通流解和准三维叶片流面解表示设计意图，其次是该级的三维粘性分析探讨。

图1：放气装置示意图2.4放气装置图1所示的是附面层抽吸或放气装置示意图，在表1中给出了每个放气位置的相应的放气要求。

放气质量流量是由占进气质量流量的百分比表示的，这种放气装置的质量流量是由在叶片吸力面翼展方向上的主放气槽和在圆周方向和弦向方向上的次级放气槽组成的。

沿着翼展方向的放气槽的位置和放气要求是准三维设计过程的一个结果。

转子的沿着翼展方向的放气槽是从叶片的弦长40%处延伸到叶尖部分，而静子则是从轮毂延伸到叶尖部分。

对于周向槽的位置和放气要求的初步估计是由转子缸盖和静子轮毂上受到激波位置决定的。

叶片上的周向槽在设计中是在整个叶片上延伸的。

由于在准三维设计系统中并没有对端壁附面层进行建模，所以关于这些放气槽的位置和放气要求的结果是根据三维粘性计算的迭代决定的。

为了控制三维粘性计算中预测的沿着静子轮毂二次流的过度分离和发展，特地在静子轮毂吸力面附近的安装了从叶片的25%一直延伸到了75%处的弦向槽。

表1 放气级要求2.5级设计参数表2是对反映了设计意图的高速级的设计参数的一个总结。

在翼展方向上的转子和其所在级的总压比平均值是由其在交叉的流动条件下计算出的的准三维流面解得到的。

当进行质量通量的计算时，计算区域的选择依据是转子叶片端面中心对前端的半径比。

扩散因子在计算时采用的是Lieblein的（Lieblein等人1953）定义，这个solidifies则是在θ叶片计算平面上叶片的弦线和间距的基础上计算的。

等熵效率仅仅反映叶片的尾迹损失，不包括任何的整体系统级内的放气损失。

表3给出了一些重要的几何参数。

表3：级几何参数2.6贯流式解决方案图2 通流压力云图图2中表示的是通流压力等值线和流动路径的径向视图，对转子的形状来说，轮毂轮廓呈抛物线状，而且是在转子上是线性变化的。

在转子上，轮毂的斜面角是33度，在静子上大概为12度。

为了使斜面角更小，转子的前端半径呈现出减小的趋势，保证了一个额外的5%的收缩流道面积。

转子上的静压在上升，从而减缓了底部附面层的增长趋势。

在转子通道激波位置的附近，还形成了一个具有一定预压缩作用的流线叶型。

通过通流压力等值线可以看出很大一部分静压上升发生在转子上面，原因是总的压力上升的很大一部分是通过增加叶片加载而不是叶片速度来实现的。

而且由于具有负的气流相对流动角的存在，转子从轮毂到叶片中间具有一个低的静压上升的趋势。

由于叶根附近对于环境的低响应，静子叶根在马赫数约为 1.5左右的环境下静压会上升。

2.7级的准三维设计本节介绍了转子和静子的根部、中部和顶部的流面上的流动解决方案。

下图中使用的符号如下：MACH1,MACH2 进、出口马赫数SLOP 1 ,SLOP2 进、出口气流角P1,P2,P0 进、出口静压、入口总压力RE 雷诺数粘性损失转子和静子的来流马赫数与气流角的表示是不一样的，转子是在相对坐标系下的数值，而静子则是在绝对坐标系下的数值。

损失系数的定义为。

整体位移和动量厚度代表的是附面层内质量和动量的损失。

在附面层积分计算时忽略流管高度的附加质量缺陷是由于附面层吸除引起的。

它的定义是：其中代表的是放气或者抽吸的质量。

v t ωω，P P P P --=0102isen 02ω)e e suct suct u m ρδδ -=*suct m图a 等熵马赫数图a 等熵马赫数图三动叶叶根区域2.7.1转子叶根图3中显示的是叶片表面等熵马赫数分布和相邻叶片间的马赫数分布云图。

为了满足压比的要求，-45 °的相对出口气流角是必不可少的，这是本节的一个有趣的特点。

在叶根附近的静压比大约为1.24，相对来说是比较低的，这是因为叶片上此处附着的附面层用不着吸除。

叶片吸力面的形状设计是为了保持在一个非常短的压力恢复区中的弦终端的马赫数。

虽然压力恢复会导致更大的叶型损失，但是由于与叶根附面层的相互作用使附面层分离的可能性和通过推迟尾缘之前的压力恢复减少二次流增长的特性也是可以忽略的。

压力面显示出了一个在叶片上均匀的到弦线中部不良的压力上升梯度，直到上升到尾缘位置。

压力面上的气流的较大的加速度是由于叶片的尾缘是发散形状的，在实际中这样形状主要是为了缓解吸力面上的不良的压力梯度。

图 (a) 等熵马赫数 (b) 马赫数云图图 4 转子叶根叶型2.7.2转子65%处图4显示了转子65%处等熵马赫数的分布和两相邻叶片间马赫数分布的云图。

这一节说明了从较低的激波自由段到高马赫数部分的通道激波的过渡过程。

叶片吸力面形状设计是为了在通道激波之前对气体进行预压缩。

与此同时吸力面会有一个凹形的压力恢复区域，这是因为相对于叶片前端而言负荷较低。

叶片的前缘形状确定的原则就是让气流在从压力面到吸力面时有一个平稳的过渡，此处气流的撞击损失与粘性损失比较起来是可以忽略不计的。

吸气使在激波部位底部流量的减少的效果是可见的。

压力面的形状设计原则是为了拥有一个在叶片上均匀的到弦线中部不良的压力上升梯度，直到上升到尾缘位置。

叶片上显示出了前缘的厚度以及在相同马赫数下相比较于常规叶片的最大厚度。

相邻的叶片马赫数云图显示了激波结构，吸槽的效果将在激波的下游被发现。

2.7.3转子叶尖（a）等熵马赫数（b）马赫数云图图 5 转子叶尖叶型图5展示的是转子叶尖等熵马赫数分布和转子相邻间马赫数分布云图。

这部分最高的压比可以达到3.81.对于转子来说，最大的扩散系数是0.76。

叶片的前缘形状确定的原则就是让气流在从压力面到吸力面时有一个平稳的过渡，而吸力面形状设计是为了在通道激波之前对气体进行预压缩。

吸气槽位于激波的下游，并且趋向于固定坐落在槽位置处的激波部分的底部。

压力面显示的是一个在40%弦长处相当不利的不良压力梯度，随之而来的是一个在尾缘处的恒定马赫数。

叶片压力面的设计原则是削弱通道激波，从而最大限度限制该区域的附面层增加。

增加叶片发散式尾缘的载荷时的效率会由于不寻常的压力面的附面层厚度而被降低。

叶片相邻间的叶片的马赫数云图显示，激波和激波之间的相交将会发生在最大厚度下游处。

成型压力面对降低通道激波力的作用是在压力侧的下游侧看到的。

在相同的来流马赫数的情况下，叶片厚度和前缘半径远远超过传统的超音速叶片。

（a）运动形状参数（b）吸力面位移和动量厚度图 6 转子叶尖附面层）分布和附面层分布图。

吸图6显示了在叶片吸力面叶尖上的形状参数（Hk力面上的形状参数与预压缩区域基本上是一样的，都是在受到逐渐增加的激波之快速增长时，吸力对它的影响是显而易见的。

后在压力恢复区增长。

在控制Hk也会由于不良压力梯度导致其增长，然后从压力梯度压力侧与吸力侧一样的，Hk基本为零的部分开始下降，直到尾缘部分。

图6（b）反映出了吸力对于位移和动量厚度的影响。