關(guān)于壓氣機(jī)過渡段設(shè)計(jì)方法的探討

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252013V01．34No．51057-1063ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．cahkxb@buaaedu．ca關(guān)于壓氣機(jī)過渡段設(shè)計(jì)方法的探討高麗敏*，馮旭棟，陳璇，吳亞楠西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西西安710072摘要：為改善壓氣機(jī)過渡段內(nèi)的流動(dòng)損失，提高設(shè)計(jì)過程的快速性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。首先，發(fā)展了結(jié)合氣動(dòng)評(píng)估與優(yōu)化算法的帶支板壓氣機(jī)過渡段的設(shè)計(jì)方法，并編制了相應(yīng)程序。針對(duì)算法各自的特點(diǎn)將不同的氣動(dòng)

2、評(píng)估方法運(yùn)用到優(yōu)化方法的不同階段，求解子午平面的二維方法用于解空問的全局尋優(yōu)，精確求解三維雷諾平均Navier—Stokes(RANS)方程的方法用于進(jìn)行局部尋優(yōu)，這使得設(shè)計(jì)流程變得快速而不失準(zhǔn)確性，并建立了方便進(jìn)行流通面積控制的過渡段參數(shù)化方法。其次，針對(duì)一算例開展了設(shè)計(jì)工作，并分析了損失來源，結(jié)果表明過渡段的設(shè)計(jì)如果不考慮支板的影響將對(duì)結(jié)果產(chǎn)生重大偏差；對(duì)于進(jìn)出Vl面積相同的過渡段設(shè)計(jì)，沿流動(dòng)方向先增大后減小的面積變化有助于減小過渡段支板后半段的局部快速擴(kuò)壓作用與凹壁面減速作用相互疊加引起的高損失區(qū)域，避免大的流動(dòng)分離；過渡段流通面積擴(kuò)張度

3、有一個(gè)最佳值，其值受支板翼型、進(jìn)出口面積比等因素共同影響。最后，將本文設(shè)計(jì)方法得到的過渡段規(guī)律同前人所做類似工作得到的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，吻合較好，說明本文發(fā)展的設(shè)計(jì)方法是可行的。關(guān)鍵詞：S彎過渡段；支板；設(shè)計(jì)優(yōu)化；遺傳算法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中圖分類號(hào)：V231．3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000—6893(2013)05—1057—07壓氣機(jī)過渡段是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上連接低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)的重要靜止部件，它負(fù)責(zé)將前者已經(jīng)壓縮過的空氣輸送到后者中進(jìn)行進(jìn)一步壓縮。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)增壓能力的提高，高低壓壓氣機(jī)之間的平均半徑落差朝著增大的趨勢(shì)發(fā)展。而且出于減重考慮

4、，過渡段在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地縮短軸向長度。以上兩種情況將大大增加壓氣機(jī)過渡段的流動(dòng)損失。所以有必要開展大徑向落差、短軸向長度條件下的壓氣機(jī)過渡段設(shè)計(jì)方法研究。近年來，國內(nèi)外開展了較多這方面的研究工作。Ortiz等口。通過比較平板附面層和帶曲率端壁附面層的區(qū)別，指出軸向長度的縮短將使流動(dòng)損失增大以及流動(dòng)分離發(fā)生在壓力極小值之后具有強(qiáng)逆壓梯度的位置。Bailey[2]通過實(shí)驗(yàn)指出S彎過渡段無支板損失的產(chǎn)生是壓力梯度與曲率共同造成的，其中曲率、壓力梯度影響著附面層雷諾切應(yīng)力的發(fā)展，而壓力梯度影響附面層形狀因子。Wallin[33和Tiziano[41等

5、通過優(yōu)化算法結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法計(jì)算探討了壓氣機(jī)過渡段的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是為減小過渡段的總壓損失。文獻(xiàn)[33和文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)果都指出，流通面積先擴(kuò)張后收縮的過渡段設(shè)計(jì)可以有效減小后半段逆壓梯度帶來的總壓損失，使總壓損失大幅減小。英國懷特實(shí)驗(yàn)室的Naylor等口3對(duì)壓氣機(jī)過渡段進(jìn)行了非軸對(duì)稱端壁的優(yōu)化，指出支板后部與輪轂交界位置存在雙重逆壓梯度疊加引起的回流現(xiàn)象，通過非軸對(duì)稱端壁可以達(dá)到減小甚至消除回流的目的。Bailey等邸3給出了二維(SN，S代表流線方向，N代表準(zhǔn)正交流線方向)坐標(biāo)系下總壓損失沿流線的分布與切應(yīng)力的關(guān)收

6、稿日期：2012—06—29；退修日期：2012—09—17；錄用日期：2012-10—22；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2012-11—2317：22網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V201211231722003．html基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)基金(2012JM7016)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才資助計(jì)劃(NCET．10-0078)*通訊作者Tel．：029—88495022E—mail：gaolm@nwpu．eduorl引用格式：GaoLM，F(xiàn)engXD．ChengX．eta1．Explorationaboutco

7、mpressorintermediateductdesign．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(5)：1057-1063高麗敏，馮旭棟，睬璇，等．關(guān)于壓氣機(jī)過渡段設(shè)計(jì)方法的探討航空學(xué)報(bào)，2013，34(5)：{057．1863航空學(xué)報(bào)May252013V01．34No．5系，并通過實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果驗(yàn)證了這一關(guān)系的正確性。Clemen等口一用響應(yīng)面方法優(yōu)化了高涵道比外涵導(dǎo)流段子午端壁與支板。國內(nèi)的闕曉斌等[81開展了壓氣機(jī)過渡段的設(shè)計(jì)探索，提出了半程落差比的概念，并用于過渡段設(shè)計(jì)。大徑向落差，短軸

8、向長度的壓氣機(jī)過渡段一般被設(shè)計(jì)成s彎形式，加之過渡段內(nèi)部存在支板葉片(提供強(qiáng)度支撐以及內(nèi)通管路)，這些都是造成過渡段損失的主要來源。在考慮以上影響的基