第
”
卷
第 月
期
工
程 热 物 理 学报
丈
。
,
年
,
分
跨速声 轴 流式 压气 机 三 流动 设元 计的理 论方 和法应
、
用中国科
学院 沈 阳 甸 发空 动 公机
司
摘基于 昊仲 华 三 的元 流 动 理论 成 完了 单 级 跨声速 轴流 研 式究压 气 机的 气 动 力热学 设 计
经 过两类 流面 的 轮迭代 五计算 重合其 上参 数如 心, ,
、
,
,、
迥
面转 上 的 中心流 与线 心 和 中 片厚流 度等大 致相 等
犷、,
流
上面应相流 的线形 状 基本,
△
,
获得了 三元流的场收敛解
同
也时
确
,定了 满足 各 项设 计判 断准则及 所 需 量 的 流 流道 和 型 由于叶 道通 激 波的 滞 止 作 用波后 的
,
对 超
速 进 气声截面 的 流 场 分 析 明
△州
等量表发都生了 突 跃
一五十 年 代期初
,、
引
言
文献 〔 建 立了用 两 相类 对 流面 求解叶 机 轮械亚 声 速 和超声 三速
元
,动 的 流 理论之
现
它在已 成 为叶 轮机 三械元 流 设动计 和解 三 元求流 场 的理 论 基 础 可忽以略,
对
轴 于流式 气 机压
流 面 的
曲 而 近翘 似 假 定 为 迥 转 面 设其计 间 题 可
,以
,的 反问 题 算 开计始 经 过造 型 一 迥族面转问正题计 算等 骤 开步从 中心 流 凡 计面 算在 这 过个 中程根 据实验 或 经 验确 定 的 某 些 判 断准 则 对 数 进行参 新始 一轮的,
、
,
,
修改
使得动气方 更案合理 动为 的 计设过 程
在 声跨 压速气 机中的 ,
,
因
此 整 个迭代 过程 既三 是 元 流动的 求 解 过程也 是三 元流
‘
,
超 速 声进 气截 面 的 型造与 迥转面 流 场 计 算 是 紧 密联 系在 起
一主要 设 计参数
为
, 文 本 介绍一 个 单级跨 声 速 轴流 式研 究压 机气 三的元 流 动 计设量
公 斤 秒 子叶 尖切转线速
度
,
流
一米
轮秒毅比
,
,
级压比
,热效率绝
口
并
导 向叶
务,
要 求有足 够 的喘 振 裕 度 和抗 畸 变 能 力
・
片为 高变 提 况工性 能
采
用变 弯度 的 进
二
简径化向 计 算
、中
心
流面 计算 与流 设 计道
。 在 计 算凡 前由 于 道流及 加 功 的量 向径分 布 等 均确 未
,定
,
为了便
,简
先, 进 行简化 径,
计向
算
取 级 压 比加 功规 律 转和 静子 子 内 的外径 七 个 因素每 个 因素 取 三个 水平
、
、
、
今
本 文曾在
年
月 国全第 二届工 程 热物理 学 上会宣 读
期
国中科 学 院
等,
声 跨 速轴流 式 压 机 三 气 流 元动设 计 的 理 论方 法和 用应‘
,,
、
用 活
动 水 的 平 正交设 计 按表 头
进行了
,
次 计 算 果结 下 效率如
务 能够 是达 到的 故取 为之 设计
,,
,
睁
在参数在
,
,
米秒 情的 下况 压
比 、、
,型等 功
三型种 加功 规律中
,
,
型 在顶 既 部加入 较了多 的功 充 分 发挥 了 ,
超
声 速 气 流 作的 功能 力又 使 根 部 负 大 荷 为减轻 对该处 的 气 流 折 转 扩 散因 子和
、
数 都加
型有
好 处 从 而 有 利于保 证根部 的 效 率 和 的 级喘 振 度裕抗 畸 变能力
功 规 图律
、
因此决定 采 用
得 到 流道内 外径 最 佳 值的 范 围 使 得
以比 较 中地集进 行
、
,
的
计算
厅
心 中 流凡面 计 算 的 特点
它 根本放 弃轴对 称 的 假定 不
,同
也
与均
平流 面 有 则原 迥的转 面’
万
丰
“ 秒
米,
州
月
考虑 了 叶
片度的厚影 响 上流量可 表为 仃
,
在栅距
为
一
三
二“
冲
。
’一‘
。
三
。
沙
,
公
‘’’
夕
’
分
一尸
护
一
二。
‘。
,
杏
‘
由
此作 为
,
,
计
算 输入的 流片 度厚’
牙 吕
。川
… 曰
止殊沿
叶 高的 分
、布
蹂
一
,
公、
互
一
,
尸、
其 图中砂 和 砂’分 别 为心流 线
的参上
均密数流
,下标 。
和分 为 别间隙 通 道内 中和由 上 式 可 见雪的 物 意理 义 是中 心 流 线上 的密 流与迥转面 上 平,
和
流面的 流 厚度片
,
之
比,
它
征表叶 片切 向 厚度对 心
流中气面参流的数 影响在 均 平 凡流面
计 算 中杏
在二 计凡 算中 杏直接 取 自
迥
转 面的计 算结果
最后的
一
,护沿径 向 分如布
一
一
…
妙
图
一右
沿径 向 分
布
斗
工
程
热
物
理
掌 才陡
图 值
所
示
图
是
同不 值 雪对又 计 算的,
数和 气 流角 的 分夕布 规
律,
可
以 出 看雪的
响影 大小
图 大中 雪即 上为述 计 算 值
小
乙为 在 前缘 将 叶片 前 半 缘径作 为切 向厚度 所 得
叶 片 通 道沿内 线流的 加 功 规律夸
。
,
。
、
一
。
一
。
是
据根前 一 迥 转轮 计面算 得到 的 中 心 流 线上 的结 果乡。,
典
的 型 亚声速 和超 速 声截 面 的,
分
见布图
可 以,看 出 亚 声速 截面 规 的 可律近 似 地认 为 是线 变性化
绝的大 部 分 加 量 由激 波 完功
截面成
,
而
超 声速 面
截,
・
一
一
・
峨
肠
。
卜
一
叙
。
,卜
告
一
‘
上
一
一
名
毫米
结
果的 影 响图
图大
小
值对
沿道
流 的变化了
叶 片通 道 内 流沿 的 线增墒 律
登规一,
、
一
一
,。
在亚声 截 面 速假定 为线 性 分布
,
超
声 部速分 则由 假定的 激 波 位 置形 在状中 心 流 线 计 上算
出嫡
增
图舀
,
・一
。
。
图
亏
流
沿
道 的嫡变
化,
,
于由叶 片进 出气 边 在 子面 午上 投 的影都 是 曲线 我 们 采用 根
据・
编
制 计算
的
序程
’流道
计 设 中的 择选 数 最参后 定的确流 道 如 图 所 示分流线部 与 算计站也 画在上面
它
是在 凡 计中算 调
、期
国中 科学 院 等
声跨速 轴 流 式 压 气机三 元流 动 设 计 理 的 方论法 和应 用,
、
整
流 道曲率得到的
调 整 目的 在 于改 的变根部 和 顶 部局 部 区 域 的 速度 分布使 荷负 大
较的 子 转顶部 及 转 子 和 子 的 根静 部 基 胜元能 都有 相当 的 改
善面截一
寸
侧』 （兴 姗
二一二 一三
一
…
一…
书…
姻
二匕
一扒州
由
‘侧
且一
卜,
卜
一一 一
生一
一喇
二
仁 米毫
图
流
道
图,、
在凡 计算 时我们 综合了 一系 列 实 验资料 根 据 叶型 截 面 位 置和 建立 况情面
,
数
的 不同 直
接因 数子 值事
先
夕
,
。一
的
线
曲
由 , 此 来选 不取同位 置的 损 失绝 对数
值由
不 知于道 故 损 失 在值 计算 中要迭 代
,
但
当 出气 转角过轴 后 向终最选 用转的
,
子
因子 的 值 不 能再 反 负映
荷在使用 损 失曲
时要线意
,注
效率和静 总压 子恢复 系 数 在
根图本研究据 压机气 的情况 数的
值,
中给出
,
于对流量系数 在析大分量 验数据 实基础的 上
训
厂叫
在各 间 隙 站选 取 了相应
间各 隙站流
『量 乙月盛
叶在 排 片内则 按 线 性插
值
」
系数 …值数 表 如断判 准则
本 设 计 对 中 下列 数参 范的 围 加以 控制 子
转 △
、
口。
二
弓静子
二
多
二
△慈
弓斗。,
算计结果
图。
夕过五经迭代计轮算的 凡
表
,和
收敛结 果
在 图 一
转子效
率 静与子总 压 恢复系数 的 径向分 布
给
为 出了 于易与 验 实较
、比,
还 行进了 把间 隙 拉大 的单级 和单 转 子 的
数以及 扩 散因 子等 都 比较接近
,
计算
计算结果
表 明
三 者的 进 出 角 和气 进口
这
样 我们 只 要 对 拉
不导
叶
进
口动
叶
进
口
静
叶
进
口
铭
工
程
热
表物
理
学
报
卷
进
口
数
进气
角
一 一一斗
出气 角一
一
轴 向度 比速【
,
静压比
斗
总
压比
。总温
比扩散 因
子,
转
子
顶
中根
部
部
斗
斗
部
部
部 部
,
静
子
顶
中
根
,,
〔
斗
弓
,斗
大间隙 的 单级进 行 设计 便 可到 得满足三 个试 件 验要求的 叶片 和轮盘
叫
厂
・
动叶
进
曰
一…
静 ”
口进 叶动出 口
…
。
。
,
匕孺
图生
一犯
之 夕 曰
一度
一
一
一山
一
一
图
进出
数 口的 径 分 向
布‘
。
’进出 口
月角径 向 布
分厂
动叶方
・
。入
・
、
’
,
一
丁二户
公。斤 月垦
乞
米图 扩散 因 子 径的向 分布
偏
图动
叶出 口 总压 分布
期
中国科学院等
跨声 速 轴流 式压 气 三 机 流 动 设元计 的 理 论 方法和 应用
、三
、亚
速 声迥转 面算计
迥
转 正 问面题 计算 和 不同迥 转 计面算 是 在预 先规 定 形 状的 曲 面 上进 行 的
,
要 主内 容有
, 计算得 出 中心 流 线 上 的轮计
算。
、
△
和口砂 为 作 计凡算 的 输 人数据
,
。
构
下成 一
比
较 同 不叶型 和 不 攻同角 造 型 结的 果
选择 整 和调 修 叶 型 改使 动流 失损 尽可
,,
、
,
能
小 叶选型 择和 比 的依据 是
的 峰值 较 低图见 通 迥过 面 的 计 算 转根 据 设 计 本的参 数 围 范除动 叶顶 部 为多 弧 造圆型 外
, ,,
叶
面后 部 的压 力 梯度 小 流 道减 速 均 匀 吸 力 前面部
, ,
,数
,这
样 可 以 减 叶小 边面 界 层 分 离 的损失 或 使 叶栅 在超 转 况 工 时 离 临偏 界溢
不致流生发堵塞
迥转 面 计算 采用 根 〔据
编
排 计的 机 程 序算
典
的型 计 算结 其它 的截果
面采 用 圆 双弧叶型
动
叶部根攻的角 为取
迥图转面 计 算结果
图
价片叶造型 参数图例
工犷 知程
热
物
理
学
报
卷
叶一 型弯角 为
几何造型
由 在 于 转 面迥上 造 型的 困难
中其
展为 面 开 通上 过 叶 型前后 缘 的 两 条母 线 间 的夹 角
为 , 与了 凡 算 一 致 本计设 计 中 定固 型 在叶子 午面 上 的 投影 长 度
定的
攻角 落和 后 角 迭代确 定 弦 长
计 算 中 间的隙 站
算公的式 为
数
夕和角 作 为 在 前 缘后 构成 的锥 面 上 的 造 依 据型
其中
阴
。
为叶
片 数
一,
△ 。 落为后 角 修 正 值
喉
堵 部 裕塞度是几 何 型 造 的 一个重 要 断 准判则
出从进
,
一在锥面
展开面上 何造 几型一
△ 夕十占
图
在 锥面 展 开面
上叭
一
一
一
一
,
正锥
的角
为 正‘
一
,
,一
对
一
时同
,虑到考 取叶得栅实数验 的据方法我 们 用场 采 用 的落 后角 计
卜 羊
’书
△
自
“
,
三 拳
于二
切
’
丫
,月
一
,
,
根据验经选定
图
斗
’
假 定在喉部 流 达动 临界
到
,则可 列
口到 喉 部 的连 续方程
、
瓦丫
,
,一
嵘 甲对可
了
由 于。边界 层 和三 元效 应实 的际 喉 部 面 积产 本在计设 中 转子 各面取 喉 截气部 裕动
度应 大予
,
从
产,
对静
子根据 叶 实验结栅果
为 得获 小 流 动 最损 失在本
,设 计 的右
左
数
・
范 围一 取内喉 部 面 积 裕
度
为 详,
见
七
一
全
部 造 型 计设编 排 计 成算 程机序
,
中 流 线心 法 气 造动
型 对迥转面 上 的 亚声 流速动
甲流
场 中的 各物理 量 儿
抓,
可以
计 算 得 到 由 中的 流 线 上 心 值 的 仇 级而数 得
到卿 沿
切向 甲 展 成
开咬
对
度稠大较 的叶
型
常通 取三 已 有项 足够精
图
度
眼、 后落角 正修 量 ‘ 的变 化
。落
后 角 正修量
、
、
,
、
’
。
,
甲、
、
明’
‘
一
”
”
丁
甲
,。
胆 切树妇,
。
鱼 二匕丛 匕业、 一
川
如
其 士中一 阶 二和阶 导 数由 续 连程 和方动 量方 程 得 出流
线 可便 得 流道 的 上 下叶型 坐 ‘标一 和
, 由再流 量关 系 取 叶 栅 流量的
黄
犷
・
同 时, 还可 求 出 叶 表 型面的 压力 布分
数,布分用 种 方 法 这 制编 的 计机算程 序 「 算 计得 到转 根子 截 面 叶部型 见
图须必 指
出
,,
图 中 也 画出 了数 分布见
几 图何造 型的 型面二 者 是 比较 接近的 中 心 流 法线 造型 得到 的型 面 上的
、
肆
,中
心流 线 法 造 型所 得型面 是否 合理 取 决 于 所给的 中心流 线 形 状 其上参及
,“
数
分布而 后 者又 是从
角后但 由于 它与
计
得 到算的 因 此 尽 管 中心 流线 法造 型 明未显 包含 地 角攻
,
・
,
计
算 的 关 系 因 也而与 一 的定攻 角落 后 角 等 特 点相联 系
畔、
,实上
事
中期国 科院学等
跨
声 速轴 流 压 气式 机 三元流 动 计设的 理 论 方 和 应 用法
、
・
藻
一 一
—
中
心 流 法造 线
型一双 回 弧
、二…茸
,
一
“ 一全
图
巧中
心 线 流 法造型 与 几 何 造 型 比较
线实 为 中心流 线 造法型 虚 线 为 圆双 弧
有 只 流 迭面代 收敛 它后才能 与相 应 几 的何造 型相比 较
,算 ,
,
可见 个方法 的这关 键是 计凡、
,一
旦两类 流 面计 算迭 收代 敛得 到 准确的 凡 数据 便 能 困无难 地 得 表到 面光 这滑方 法亦可 来用修 改型叶
度厚
合
的叶理型
四
转
子顶 部 裁 面多 圆 弧造 型转 叶 子从片根 到 顶 部 进部口
、,
超声
速 转面计算迥
数从
,
变
化
到,
因
此采用 不同 的型
叶
、的
截面用 多圆 弧 其 截余面用 双 圆弧 在 锥 面 展 开 面 上 画 出 的 多圆弧 型叶由 于 可以调 其节 后前段 弯 度 两 段比圆 弧 转的 接 点 位置和 大最厚 度位 能 在 一置 定程度 上控 通制 道 的 波 内 系 小减激 波 损失 为使 多圆 弧叶型 和双 圆弧 叶 之 型间光 滑衔 接
,, ,
,可
适 地 选 择当 两 种叶 型 衔 点 附 接近 因多此 在 造 型 程 中要 进
过行
迭
圆弧叶 型 前 的 弯段度 比 前段和弦 长 使 两 段圆 弧 近接一个 圆弧
对
超 声 进 速气 的 栅 叶 叶型
,
必须 足 唯满 一 进 角气 系
关代
进 口
区计算
实结验和果理论分 都证实析,
,
在
二 元 超声速 气进 叶 头部栅 区存在 着 定 稳的周期 激 性 这样对应 一 定 进气
,的
波 和,膨胀 波系它 们 起 着调整进 气条 件 的作 用 进角 气
夕。
、
。
存 在
着唯 一
的
一这 关可系过通求解进 口 区流 在场 游 上进 和口区 之建间 基立本方 得 出
程 采 用对于 二 元 孤立 翼 型 的 体脱 激波 模
型 ,,
具体
做法
是为前栅激 见
,
波把 它放在 面锥 展 面上开作 计 程 序算
,
对其 后的 声超速 流场 〔用,
中的 特
征 线 方程及 相 容 关 系 求
解
计算过 程从 带 有 头 叶 片 的半无 限 栅叶开 从始 上 向游下 游 推进,
经过
一 栅
。
距个 后流 场 对 内应位
置数 与 夕
值 同相便 满 足 了叶 栅 的 周 期性 条 件 然 后 对切 向距 离 建立 来为流进与口 区 数间的守恒参系关
,,
个 一距栅 的控 体 系制
关夕系。
可即求均匀得 流 的来
,
典型 果见结
图
。当
来流
数 不大 机 匣 且外 壁 锥度 不 大因 而 流 片厚 度和半 径变 化 不大
,
时超音
速 进
口
区 可 似 按 简近 波单流 动考 虑
,
而得到
一
式公
的它好是处能接直建立进口 ‘
区
与 上 游 的参数 关系 要 分只析 无 叶 限 中 栅的 一 个通 道 便 可 得出上 游条 件 这 大就 大减 小
了,作工量
今工 引肚 到 解趁
,胜
程
物
热
理
学报
司卷
趁
二
上
刀
度
。
图
超 声, 速进气 叶 栅的 唯 进一 气角 关
系,
在 种这条 件 下 借 助于 性中 点和 中 性 波 概的 由连念续 方程
公。 。户
夕
。
。
热了
式
中为
叶栅通 道 第中一 道 人吞
尹 民一
。
波的 度 宽 几
和力一一
关系
式中
一
了
伏
一左
一‘
了
快和
,
凡伏
, 一
对
一,一
了对
一
,
两
个 方
程 可 很容 易 求出 个两 未 知量
的唯一 攻 角
“ ,差
。
关 于
三 元 效 应 进对 口 区 计 算 的 响影典 型 的 计 算 数 据 表 流 片 厚 明 差度喉 部堵塞裕 度也 差
要
、,
多 算计
一
,出
多
,△ 刀 和互 的 估值算 中心 流 线 上 价于由 准 确确定 通 道 激 位波置 和形状 的 难
困
用 与采 实验 数 据比 较 有 一定 准 确 性 的 檬
通 激道 波 为等前嫡 膨 胀
,图
型中
来 估 计 激 波损 失突
奋肤‘
这
样,
可
近地认 似为
通过 激 波 滴 增
,激
波 后沿 流线 叶型 失线损性 递 增 直到 出 口・
应相的 子 午面 激波迹 见 线
,
圈
乒
…
寻
一
,
。
汀
。 可
丁
、
一一 一 皿 一 、飞
。 、 飞一
「 。 , 一。一 一
偏 的从 计 结算果 可 看以到 在超 音 速 进 气截面 加功 波占很了大 的比 重 随 着进 气
增 也 速加,
,,
犷
脚人
数
增 的 这加 个比重
激,迹 波线
特
别 是 在靠 近顶部 的 面 截加 功 量差 不多都 是
,
研
一
厂…
一
在 激
波处 完成 的 后波通 道 内 乎几 不增 加 甚 至 会 现 加出鉴 于顶部 附 近截 面 设的 计 整 对个 级有 重 要影 响
、、
,
寄
要
小心 选 叶 择 片 数弦长 气 流 转 角 和 叶型 的 其 它 几 何 舞
数以保证 设计 要求
五
、
流 面迭 代 的最 终结 和果 积
,迭
多一 尸
一
五经迭代轮 面 上中 心 流线与
,
得到
收敛了 结果
、
・要主 志是标
退
一
图
动激 叶 波迹 线
其
参上 数
如上
相 流 应 线 的 状形基 本 合重班 。 △ 汀 和 厚度分 布大 致 相 这 时同
,
竺
项 各断 判准则 也 已 满 有足 了各流 面的 叶 把 它型 们的重 心放 在 同 一 条 径向线 上 迭积 并 ’ 弦对长 的 子 午投影
期
,国中 科学 院 等
跨
声速 轴 式流 压气 机 元 三流 动设计 的理 论 方 法 应和 用
、
稠和 度值 加以 当 调适整 便 到得了 完 的整 叶
本片设 计 积中迭 的 特 点 是
,
,
计算各 截面
重图
心位 置 时考虑 了各 流 片的 重 量,
以厚
为度代表,
从 而使
积迭 法 也 方 与 流面论 理致一
在叶 型 积 迭 后 还 要 计 算 叶 片 的弹性 变 形并 对叶 片坐 标 进行 修 正米
卫‘ 卫 卜
厂
一
—
一
一
一一一 一 丁 一
一一
一一
一
丫一
入）呱 感 侧
图迭 代
敛 时 收迥 面 与 转
凡上
中心流 线
图
叶
积 型 迭示意图
六
、结
语,
两 类 流
面理 论原 来 是对 全亚 声速 或全 声 速 流超动 提 出 的
年来 已得近广泛应到用 和流 面
和 一
, ,族
验证
现
在 我 沿们 用它 来 设 跨 声 计速 压气 机 通即过 一 个 中
心,
,,
迥转
之
面
间的 代计 算 进迭行了气动 力学热 计 算 选择修和 改叶型的 工作
应、 该 说 是一这 尝 试
个
们期 望 我 过通以 后的 试 验 及修 改等反 复过 程
完善跨声速 叶轮机械的的三 流动设元计系体
,
不,断 善完发 展三 元 流 动理论 逐步 建 更立
、
、
超速 进声气 截 面 于由激波 的 在 存使得 加 功 量墒 等 急 剧 跃 面增激 波 后 通 内还 道 可 有能 出 加现 一个速 要重问题 全部工 作 是 吴在 仲华 教 授 的 导 指 参 加和 下 进 行 的
、 、、、 、 、 ,
特 别是 顶在部 附 近截
此因 正 地 确控制 波 系 就
成
为跨 声 速压 气 机计设的 先后 参加工 作 的 还 有、 、 、
、 、
、中
科学
国
、
院徐 建 中 文卢强 姜 作 仁 赵 连兴 邦 吴 杜贤 转 社 金杨 生白荫 明 张 莹逮 根 寿 三机
部 阳沈发 动 机 厂 周卫 张国宝 祥、 、
高
林
跃
、
永湖潘
、
许宝明
何世
慧吴 克 志张 芳 锦俞
施参
考
・
文
,
献
一
川一
・
舰
一
一
,
一
,
,
,桩
,
,
一
伽
一
,
几｝
飞 〕
吴
华仲 吴华
一
仲
使 用非 正 交曲线 座 与标非 正 交速 度分 量的 叶轮机 械 气动 热 力 学基本 方 程叶轮 机三械元 流 动 义 讲中国科学 技术大 学 年盯
,
研 究 记笔
,
年
,
一
一
乃
勒
,
丑
既
,
五
佣
证
爵撼
簇“
一
一一
、
,工,
程
热
物
一理
学
报
卷
—
一 一一
一 一 一
一
一一
一朱 荣
任 国 意非正交 曲线 标
座、
——
、,
—一
一一 一
一 一一
流 线 面松 弛 计 算法机 序 手 程稿
毛
吴
文权 张宝 刘祥林
、
刘 吉娥翠任 意非正 交 曲 坐 标线 流面计 算 方 法和矩 阵解 计 算 机 程 手 序稿 锥面展 开 上 多面弧 圆 造型 双和圆 弧造 型 计 算 机 程序 稿 手卢文 强 何 世 任 意 慧迥转 面 上中 流线心 法计 算 机程 序 手稿,
一,
、
、
一
,一
,
一一,
一
一一‘
‘石
一
、址
伍
廿。
,
五
。康
盛
〔 〕
士
,
一
。‘。
之刀
、〔
。
,叮
二时
,
,
,
〔幻
刘翠
娥
、
文权
等
任吴意 迥 转 叶面 栅 超声 速进口 流 特 征场线 计 法 算机 程 和序 唯一 进 气 的角 确 手 稿
助
定幼
。
。
,去
,
,一
,
郡・
人
,
’
一一
感
,
叭
。
今
拜、 种
,
,一
也
扛
叫
,
,
。
,
护
乙
玩
玛、
。
,,
吞
眺
溉△
第
”
卷
第 月
期
工
程 热 物 理 学报
丈
。
,
年
,
分
跨速声 轴 流式 压气 机 三 流动 设元 计的理 论方 和法应
、
用中国科
学院 沈 阳 甸 发空 动 公机
司
摘基于 昊仲 华 三 的元 流 动 理论 成 完了 单 级 跨声速 轴流 研 式究压 气 机的 气 动 力热学 设 计
经 过两类 流面 的 轮迭代 五计算 重合其 上参 数如 心, ,
、
,
,、
迥
面转 上 的 中心流 与线 心 和 中 片厚流 度等大 致相 等
犷、,
流
上面应相流 的线形 状 基本,
△
,
获得了 三元流的场收敛解
同
也时
确
,定了 满足 各 项设 计判 断准则及 所 需 量 的 流 流道 和 型 由于叶 道通 激 波的 滞 止 作 用波后 的
,
对 超
速 进 气声截面 的 流 场 分 析 明
△州
等量表发都生了 突 跃
一五十 年 代期初
,、
引
言
文献 〔 建 立了用 两 相类 对 流面 求解叶 机 轮械亚 声 速 和超声 三速
元
,动 的 流 理论之
现
它在已 成 为叶 轮机 三械元 流 设动计 和解 三 元求流 场 的理 论 基 础 可忽以略,
对
轴 于流式 气 机压
流 面 的
曲 而 近翘 似 假 定 为 迥 转 面 设其计 间 题 可
,以
,的 反问 题 算 开计始 经 过造 型 一 迥族面转问正题计 算等 骤 开步从 中心 流 凡 计面 算在 这 过个 中程根 据实验 或 经 验确 定 的 某 些 判 断准 则 对 数 进行参 新始 一轮的,
、
,
,
修改
使得动气方 更案合理 动为 的 计设过 程
在 声跨 压速气 机中的 ,
,
因
此 整 个迭代 过程 既三 是 元 流动的 求 解 过程也 是三 元流
‘
,
超 速 声进 气截 面 的 型造与 迥转面 流 场 计 算 是 紧 密联 系在 起
一主要 设 计参数
为
, 文 本 介绍一 个 单级跨 声 速 轴流 式研 究压 机气 三的元 流 动 计设量
公 斤 秒 子叶 尖切转线速
度
,
流
一米
轮秒毅比
,
,
级压比
,热效率绝
口
并
导 向叶
务,
要 求有足 够 的喘 振 裕 度 和抗 畸 变 能 力
・
片为 高变 提 况工性 能
采
用变 弯度 的 进
二
简径化向 计 算
、中
心
流面 计算 与流 设 计道
。 在 计 算凡 前由 于 道流及 加 功 的量 向径分 布 等 均确 未
,定
,
为了便
,简
先, 进 行简化 径,
计向
算
取 级 压 比加 功规 律 转和 静子 子 内 的外径 七 个 因素每 个 因素 取 三个 水平
、
、
、
今
本 文曾在
年
月 国全第 二届工 程 热物理 学 上会宣 读
期
国中科 学 院
等,
声 跨 速轴流 式 压 机 三 气 流 元动设 计 的 理 论方 法和 用应‘
,,
、
用 活
动 水 的 平 正交设 计 按表 头
进行了
,
次 计 算 果结 下 效率如
务 能够 是达 到的 故取 为之 设计
,,
,
睁
在参数在
,
,
米秒 情的 下况 压
比 、、
,型等 功
三型种 加功 规律中
,
,
型 在顶 既 部加入 较了多 的功 充 分 发挥 了 ,
超
声 速 气 流 作的 功能 力又 使 根 部 负 大 荷 为减轻 对该处 的 气 流 折 转 扩 散因 子和
、
数 都加
型有
好 处 从 而 有 利于保 证根部 的 效 率 和 的 级喘 振 度裕抗 畸 变能力
功 规 图律
、
因此决定 采 用
得 到 流道内 外径 最 佳 值的 范 围 使 得
以比 较 中地集进 行
、
,
的
计算
厅
心 中 流凡面 计 算 的 特点
它 根本放 弃轴对 称 的 假定 不
,同
也
与均
平流 面 有 则原 迥的转 面’
万
丰
“ 秒
米,
州
月
考虑 了 叶
片度的厚影 响 上流量可 表为 仃
,
在栅距
为
一
三
二“
冲
。
’一‘
。
三
。
沙
,
公
‘’’
夕
’
分
一尸
护
一
二。
‘。
,
杏
‘
由
此作 为
,
,
计
算 输入的 流片 度厚’
牙 吕
。川
… 曰
止殊沿
叶 高的 分
、布
蹂
一
,
公、
互
一
,
尸、
其 图中砂 和 砂’分 别 为心流 线
的参上
均密数流
,下标 。
和分 为 别间隙 通 道内 中和由 上 式 可 见雪的 物 意理 义 是中 心 流 线上 的密 流与迥转面 上 平,
和
流面的 流 厚度片
,
之
比,
它
征表叶 片切 向 厚度对 心
流中气面参流的数 影响在 均 平 凡流面
计 算 中杏
在二 计凡 算中 杏直接 取 自
迥
转 面的计 算结果
最后的
一
,护沿径 向 分如布
一
一
…
妙
图
一右
沿径 向 分
布
斗
工
程
热
物
理
掌 才陡
图 值
所
示
图
是
同不 值 雪对又 计 算的,
数和 气 流角 的 分夕布 规
律,
可
以 出 看雪的
响影 大小
图 大中 雪即 上为述 计 算 值
小
乙为 在 前缘 将 叶片 前 半 缘径作 为切 向厚度 所 得
叶 片 通 道沿内 线流的 加 功 规律夸
。
,
。
、
一
。
一
。
是
据根前 一 迥 转轮 计面算 得到 的 中 心 流 线上 的结 果乡。,
典
的 型 亚声速 和超 速 声截 面 的,
分
见布图
可 以,看 出 亚 声速 截面 规 的 可律近 似 地认 为 是线 变性化
绝的大 部 分 加 量 由激 波 完功
截面成
,
而
超 声速 面
截,
・
一
一
・
峨
肠
。
卜
一
叙
。
,卜
告
一
‘
上
一
一
名
毫米
结
果的 影 响图
图大
小
值对
沿道
流 的变化了
叶 片通 道 内 流沿 的 线增墒 律
登规一,
、
一
一
,。
在亚声 截 面 速假定 为线 性 分布
,
超
声 部速分 则由 假定的 激 波 位 置形 在状中 心 流 线 计 上算
出嫡
增
图舀
,
・一
。
。
图
亏
流
沿
道 的嫡变
化,
,
于由叶 片进 出气 边 在 子面 午上 投 的影都 是 曲线 我 们 采用 根
据・
编
制 计算
的
序程
’流道
计 设 中的 择选 数 最参后 定的确流 道 如 图 所 示分流线部 与 算计站也 画在上面
它
是在 凡 计中算 调
、期
国中 科学 院 等
声跨速 轴 流 式 压 气机三 元流 动 设 计 理 的 方论法 和应 用,
、
整
流 道曲率得到的
调 整 目的 在 于改 的变根部 和 顶 部局 部 区 域 的 速度 分布使 荷负 大
较的 子 转顶部 及 转 子 和 子 的 根静 部 基 胜元能 都有 相当 的 改
善面截一
寸
侧』 （兴 姗
二一二 一三
一
…
一…
书…
姻
二匕
一扒州
由
‘侧
且一
卜,
卜
一一 一
生一
一喇
二
仁 米毫
图
流
道
图,、
在凡 计算 时我们 综合了 一系 列 实 验资料 根 据 叶型 截 面 位 置和 建立 况情面
,
数
的 不同 直
接因 数子 值事
先
夕
,
。一
的
线
曲
由 , 此 来选 不取同位 置的 损 失绝 对数
值由
不 知于道 故 损 失 在值 计算 中要迭 代
,
但
当 出气 转角过轴 后 向终最选 用转的
,
子
因子 的 值 不 能再 反 负映
荷在使用 损 失曲
时要线意
,注
效率和静 总压 子恢复 系 数 在
根图本研究据 压机气 的情况 数的
值,
中给出
,
于对流量系数 在析大分量 验数据 实基础的 上
训
厂叫
在各 间 隙 站选 取 了相应
间各 隙站流
『量 乙月盛
叶在 排 片内则 按 线 性插
值
」
系数 …值数 表 如断判 准则
本 设 计 对 中 下列 数参 范的 围 加以 控制 子
转 △
、
口。
二
弓静子
二
多
二
△慈
弓斗。,
算计结果
图。
夕过五经迭代计轮算的 凡
表
,和
收敛结 果
在 图 一
转子效
率 静与子总 压 恢复系数 的 径向分 布
给
为 出了 于易与 验 实较
、比,
还 行进了 把间 隙 拉大 的单级 和单 转 子 的
数以及 扩 散因 子等 都 比较接近
,
计算
计算结果
表 明
三 者的 进 出 角 和气 进口
这
样 我们 只 要 对 拉
不导
叶
进
口动
叶
进
口
静
叶
进
口
铭
工
程
热
表物
理
学
报
卷
进
口
数
进气
角
一 一一斗
出气 角一
一
轴 向度 比速【
,
静压比
斗
总
压比
。总温
比扩散 因
子,
转
子
顶
中根
部
部
斗
斗
部
部
部 部
,
静
子
顶
中
根
,,
〔
斗
弓
,斗
大间隙 的 单级进 行 设计 便 可到 得满足三 个试 件 验要求的 叶片 和轮盘
叫
厂
・
动叶
进
曰
一…
静 ”
口进 叶动出 口
…
。
。
,
匕孺
图生
一犯
之 夕 曰
一度
一
一
一山
一
一
图
进出
数 口的 径 分 向
布‘
。
’进出 口
月角径 向 布
分厂
动叶方
・
。入
・
、
’
,
一
丁二户
公。斤 月垦
乞
米图 扩散 因 子 径的向 分布
偏
图动
叶出 口 总压 分布
期
中国科学院等
跨声 速 轴流 式压 气 三 机 流 动 设元计 的 理 论 方法和 应用
、三
、亚
速 声迥转 面算计
迥
转 正 问面题 计算 和 不同迥 转 计面算 是 在预 先规 定 形 状的 曲 面 上进 行 的
,
要 主内 容有
, 计算得 出 中心 流 线 上 的轮计
算。
、
△
和口砂 为 作 计凡算 的 输 人数据
,
。
构
下成 一
比
较 同 不叶型 和 不 攻同角 造 型 结的 果
选择 整 和调 修 叶 型 改使 动流 失损 尽可
,,
、
,
能
小 叶选型 择和 比 的依据 是
的 峰值 较 低图见 通 迥过 面 的 计 算 转根 据 设 计 本的参 数 围 范除动 叶顶 部 为多 弧 造圆型 外
, ,,
叶
面后 部 的压 力 梯度 小 流 道减 速 均 匀 吸 力 前面部
, ,
,数
,这
样 可 以 减 叶小 边面 界 层 分 离 的损失 或 使 叶栅 在超 转 况 工 时 离 临偏 界溢
不致流生发堵塞
迥转 面 计算 采用 根 〔据
编
排 计的 机 程 序算
典
的型 计 算结 其它 的截果
面采 用 圆 双弧叶型
动
叶部根攻的角 为取
迥图转面 计 算结果
图
价片叶造型 参数图例
工犷 知程
热
物
理
学
报
卷
叶一 型弯角 为
几何造型
由 在 于 转 面迥上 造 型的 困难
中其
展为 面 开 通上 过 叶 型前后 缘 的 两 条母 线 间 的夹 角
为 , 与了 凡 算 一 致 本计设 计 中 定固 型 在叶子 午面 上 的 投影 长 度
定的
攻角 落和 后 角 迭代确 定 弦 长
计 算 中 间的隙 站
算公的式 为
数
夕和角 作 为 在 前 缘后 构成 的锥 面 上 的 造 依 据型
其中
阴
。
为叶
片 数
一,
△ 。 落为后 角 修 正 值
喉
堵 部 裕塞度是几 何 型 造 的 一个重 要 断 准判则
出从进
,
一在锥面
展开面上 何造 几型一
△ 夕十占
图
在 锥面 展 开面
上叭
一
一
一
一
,
正锥
的角
为 正‘
一
,
,一
对
一
时同
,虑到考 取叶得栅实数验 的据方法我 们 用场 采 用 的落 后角 计
卜 羊
’书
△
自
“
,
三 拳
于二
切
’
丫
,月
一
,
,
根据验经选定
图
斗
’
假 定在喉部 流 达动 临界
到
,则可 列
口到 喉 部 的连 续方程
、
瓦丫
,
,一
嵘 甲对可
了
由 于。边界 层 和三 元效 应实 的际 喉 部 面 积产 本在计设 中 转子 各面取 喉 截气部 裕动
度应 大予
,
从
产,
对静
子根据 叶 实验结栅果
为 得获 小 流 动 最损 失在本
,设 计 的右
左
数
・
范 围一 取内喉 部 面 积 裕
度
为 详,
见
七
一
全
部 造 型 计设编 排 计 成算 程机序
,
中 流 线心 法 气 造动
型 对迥转面 上 的 亚声 流速动
甲流
场 中的 各物理 量 儿
抓,
可以
计 算 得 到 由 中的 流 线 上 心 值 的 仇 级而数 得
到卿 沿
切向 甲 展 成
开咬
对
度稠大较 的叶
型
常通 取三 已 有项 足够精
图
度
眼、 后落角 正修 量 ‘ 的变 化
。落
后 角 正修量
、
、
,
、
’
。
,
甲、
、
明’
‘
一
”
”
丁
甲
,。
胆 切树妇,
。
鱼 二匕丛 匕业、 一
川
如
其 士中一 阶 二和阶 导 数由 续 连程 和方动 量方 程 得 出流
线 可便 得 流道 的 上 下叶型 坐 ‘标一 和
, 由再流 量关 系 取 叶 栅 流量的
黄
犷
・
同 时, 还可 求 出 叶 表 型面的 压力 布分
数,布分用 种 方 法 这 制编 的 计机算程 序 「 算 计得 到转 根子 截 面 叶部型 见
图须必 指
出
,,
图 中 也 画出 了数 分布见
几 图何造 型的 型面二 者 是 比较 接近的 中 心 流 法线 造型 得到 的型 面 上的
、
肆
,中
心流 线 法 造 型所 得型面 是否 合理 取 决 于 所给的 中心流 线 形 状 其上参及
,“
数
分布而 后 者又 是从
角后但 由于 它与
计
得 到算的 因 此 尽 管 中心 流线 法造 型 明未显 包含 地 角攻
,
・
,
计
算 的 关 系 因 也而与 一 的定攻 角落 后 角 等 特 点相联 系
畔、
,实上
事
中期国 科院学等
跨
声 速轴 流 压 气式 机 三元流 动 计设的 理 论 方 和 应 用法
、
・
藻
一 一
—
中
心 流 法造 线
型一双 回 弧
、二…茸
,
一
“ 一全
图
巧中
心 线 流 法造型 与 几 何 造 型 比较
线实 为 中心流 线 造法型 虚 线 为 圆双 弧
有 只 流 迭面代 收敛 它后才能 与相 应 几 的何造 型相比 较
,算 ,
,
可见 个方法 的这关 键是 计凡、
,一
旦两类 流 面计 算迭 收代 敛得 到 准确的 凡 数据 便 能 困无难 地 得 表到 面光 这滑方 法亦可 来用修 改型叶
度厚
合
的叶理型
四
转
子顶 部 裁 面多 圆 弧造 型转 叶 子从片根 到 顶 部 进部口
、,
超声
速 转面计算迥
数从
,
变
化
到,
因
此采用 不同 的型
叶
、的
截面用 多圆 弧 其 截余面用 双 圆弧 在 锥 面 展 开 面 上 画 出 的 多圆弧 型叶由 于 可以调 其节 后前段 弯 度 两 段比圆 弧 转的 接 点 位置和 大最厚 度位 能 在 一置 定程度 上控 通制 道 的 波 内 系 小减激 波 损失 为使 多圆 弧叶型 和双 圆弧 叶 之 型间光 滑衔 接
,, ,
,可
适 地 选 择当 两 种叶 型 衔 点 附 接近 因多此 在 造 型 程 中要 进
过行
迭
圆弧叶 型 前 的 弯段度 比 前段和弦 长 使 两 段圆 弧 近接一个 圆弧
对
超 声 进 速气 的 栅 叶 叶型
,
必须 足 唯满 一 进 角气 系
关代
进 口
区计算
实结验和果理论分 都证实析,
,
在
二 元 超声速 气进 叶 头部栅 区存在 着 定 稳的周期 激 性 这样对应 一 定 进气
,的
波 和,膨胀 波系它 们 起 着调整进 气条 件 的作 用 进角 气
夕。
、
。
存 在
着唯 一
的
一这 关可系过通求解进 口 区流 在场 游 上进 和口区 之建间 基立本方 得 出
程 采 用对于 二 元 孤立 翼 型 的 体脱 激波 模
型 ,,
具体
做法
是为前栅激 见
,
波把 它放在 面锥 展 面上开作 计 程 序算
,
对其 后的 声超速 流场 〔用,
中的 特
征 线 方程及 相 容 关 系 求
解
计算过 程从 带 有 头 叶 片 的半无 限 栅叶开 从始 上 向游下 游 推进,
经过
一 栅
。
距个 后流 场 对 内应位
置数 与 夕
值 同相便 满 足 了叶 栅 的 周 期性 条 件 然 后 对切 向距 离 建立 来为流进与口 区 数间的守恒参系关
,,
个 一距栅 的控 体 系制
关夕系。
可即求均匀得 流 的来
,
典型 果见结
图
。当
来流
数 不大 机 匣 且外 壁 锥度 不 大因 而 流 片厚 度和半 径变 化 不大
,
时超音
速 进
口
区 可 似 按 简近 波单流 动考 虑
,
而得到
一
式公
的它好是处能接直建立进口 ‘
区
与 上 游 的参数 关系 要 分只析 无 叶 限 中 栅的 一 个通 道 便 可 得出上 游条 件 这 大就 大减 小
了,作工量
今工 引肚 到 解趁
,胜
程
物
热
理
学报
司卷
趁
二
上
刀
度
。
图
超 声, 速进气 叶 栅的 唯 进一 气角 关
系,
在 种这条 件 下 借 助于 性中 点和 中 性 波 概的 由连念续 方程
公。 。户
夕
。
。
热了
式
中为
叶栅通 道 第中一 道 人吞
尹 民一
。
波的 度 宽 几
和力一一
关系
式中
一
了
伏
一左
一‘
了
快和
,
凡伏
, 一
对
一,一
了对
一
,
两
个 方
程 可 很容 易 求出 个两 未 知量
的唯一 攻 角
“ ,差
。
关 于
三 元 效 应 进对 口 区 计 算 的 响影典 型 的 计 算 数 据 表 流 片 厚 明 差度喉 部堵塞裕 度也 差
要
、,
多 算计
一
,出
多
,△ 刀 和互 的 估值算 中心 流 线 上 价于由 准 确确定 通 道 激 位波置 和形状 的 难
困
用 与采 实验 数 据比 较 有 一定 准 确 性 的 檬
通 激道 波 为等前嫡 膨 胀
,图
型中
来 估 计 激 波损 失突
奋肤‘
这
样,
可
近地认 似为
通过 激 波 滴 增
,激
波 后沿 流线 叶型 失线损性 递 增 直到 出 口・
应相的 子 午面 激波迹 见 线
,
圈
乒
…
寻
一
,
。
汀
。 可
丁
、
一一 一 皿 一 、飞
。 、 飞一
「 。 , 一。一 一
偏 的从 计 结算果 可 看以到 在超 音 速 进 气截面 加功 波占很了大 的比 重 随 着进 气
增 也 速加,
,,
犷
脚人
数
增 的 这加 个比重
激,迹 波线
特
别 是 在靠 近顶部 的 面 截加 功 量差 不多都 是
,
研
一
厂…
一
在 激
波处 完成 的 后波通 道 内 乎几 不增 加 甚 至 会 现 加出鉴 于顶部 附 近截 面 设的 计 整 对个 级有 重 要影 响
、、
,
寄
要
小心 选 叶 择 片 数弦长 气 流 转 角 和 叶型 的 其 它 几 何 舞
数以保证 设计 要求
五
、
流 面迭 代 的最 终结 和果 积
,迭
多一 尸
一
五经迭代轮 面 上中 心 流线与
,
得到
收敛了 结果
、
・要主 志是标
退
一
图
动激 叶 波迹 线
其
参上 数
如上
相 流 应 线 的 状形基 本 合重班 。 △ 汀 和 厚度分 布大 致 相 这 时同
,
竺
项 各断 判准则 也 已 满 有足 了各流 面的 叶 把 它型 们的重 心放 在 同 一 条 径向线 上 迭积 并 ’ 弦对长 的 子 午投影
期
,国中 科学 院 等
跨
声速 轴 式流 压气 机 元 三流 动设计 的理 论 方 法 应和 用
、
稠和 度值 加以 当 调适整 便 到得了 完 的整 叶
本片设 计 积中迭 的 特 点 是
,
,
计算各 截面
重图
心位 置 时考虑 了各 流 片的 重 量,
以厚
为度代表,
从 而使
积迭 法 也 方 与 流面论 理致一
在叶 型 积 迭 后 还 要 计 算 叶 片 的弹性 变 形并 对叶 片坐 标 进行 修 正米
卫‘ 卫 卜
厂
一
—
一
一
一一一 一 丁 一
一一
一一
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