超低转速超高载荷风扇转子设计方法研究

发布时间：2017-07-26 20:09

  本文关键词：超低转速超高载荷风扇转子设计方法研究

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【摘要】：超低转速超高载荷风扇级气动设计方法的研究,为大涵道比涡扇发动机未来的发展提供了技术储备。本文借助遗传优化方法和数值分析手段,对超低转速超高载荷风扇级叶片设计及气动性能影响因素进行了探索,分析出该风扇转子设计有别于传统风扇转子设计的气动特性和几何结构特征,并提出风扇转子叶根叶型采用尾缘负载荷的设计概念。首先,建立了一套超低转速超高载荷风扇转子叶片的气动设计流程。以课题组现有的大涵道比风扇转子的气动性能为设计指标,通过S2通流计算,研究了载荷系数和流量系数对转子气动性能的影响。再通过S1流面叶型设计、S1流面叶型优化及叶型径向积叠得到本文的超低转速超高载荷风扇转子。NUMECA计算结果表明,在流量相同且压比分布一致的前提下,风扇转子转速从原有的3750RPM降低到2240RPM,转子叶尖达到0.82的超高载荷。转子在设计工况的总压比为1.78,等熵效率为0.964,失速裕度为24.78%。并得出超低转速超高载荷风扇转子气动设计的主要特征为轮缘速度低、扭速大及气流转角大,其几何结构特征为叶片弯度大、叶片轻薄、整体质量轻。其次,通过调整下子午面斜率,叶根叶型等比例扩张,及积叠线前后掠对超低转速超高载荷风扇转子进行优化改进研究,并分析出上述变化对风扇转子气动性能带来的影响规律。结果表明:下子午面斜率的改变对风扇转子的等熵效率和总压比影响不大,通流能力有一定的提高;转子叶根叶型等比例扩张,提高了转子做功能力,却略微降低了通流能力,等熵效率唯有喘点附近才有明显提高;积叠线改进后的转子,总压比基本不变,等熵效率和失速裕度有明显提高。再次,利用课题组成熟的叶片设计优化平台,以风扇转子出口气动参数为静子设计的进口条件,进行静子气动设计研究。其中,主要包括S2流面通流计算、S1流面叶型设计、S1流面叶型优化及叶型径向积叠成风扇静子叶片几个部分。风扇静子在级环境下用NUMECA软件进行气动性能计算,计算结果表明本文静子基本达到预期设计目标。最后,研究了转子叶根叶型等比例扩张、静子叶根叶型优化改进及转子积叠线前后掠对风扇级气动性能的影响。结果表明:转子叶根叶型比例扩张后,风扇级和转子总压比有所提高,其它气动性能基本不变;静子叶根叶型优化改进后,转子气动性能基本不变,但静子气动性能得到了较大提高,整个风扇级的气动性能也较大提高;改进积叠线掠的转子使得整个风扇级的工作范围明显增大,风扇级的等熵效率和失速裕度明显提高。
【关键词】：超高载荷 超低转速 风扇转子 优化设计 叶型设计
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V235.13
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-18
• 第一章 绪论18-26
• 1.1 研究背景和意义18-20
• 1.2 国内外研究现状20-24
• 1.2.1 齿轮传动涡扇发动机的研究历史和现状20-21
• 1.2.2 高负荷压气机/风扇设计方法研究现状21-22
• 1.2.3 叶片积叠线掠研究现状22-24
• 1.3 本文研究主要内容24-25
• 1.4 本文组织结构25-26
• 第二章 超低转速超高载荷风扇转子设计26-49
• 2.1 转子S2通流计算27-34
• 2.1.1 风扇转子不同载荷系数的研究27-30
• 2.1.2 风扇转子不同流量系数研究30-34
• 2.1.2.1 高载荷系数下不同流量系数研究30-32
• 2.1.2.2 低载荷系数下不同流量系数对风扇转子气动影响研究32-34
• 2.2 S1叶型设计及优化34-38
• 2.2.1 S1流面叶型初始设计34-36
• 2.2.2 转子S1叶型优化36-38
• 2.3 单转子径向积叠三维计算结果38-47
• 2.3.1 超低转速超高载荷风扇转子网格质量38-40
• 2.3.2 超低转速超高载荷风扇转子总体性能曲线40-41
• 2.3.3 超低转速超高载荷风扇转子不同工况流面流场对比41-44
• 2.3.4 超低转速超高载荷风扇转子气动参数沿径向分布对比44-45
• 2.3.5 NUMECA计算与S2通计算关键参数对比45-47
• 2.4 本章小结47-49
• 第三章 主要几何参数对风扇转子气动性能影响49-67
• 3.1 下子午面斜率对风扇转子气动性能影响49-52
• 3.1.1 不同斜率下子午面特性曲线对比49-50
• 3.1.2 设计点下不同斜率下子午面气动参数沿径向分布对比50-52
• 3.2 叶根叶型比例扩张对风扇转子气动性能影响52-57
• 3.2.1 叶根叶型比例扩张前后特性曲线对比53
• 3.2.2 设计点下叶根叶型比例扩张前后气动参数沿径向分布对比53-57
• 3.3 积叠线掠对风扇转子气动性能影响57-66
• 3.3.1 积叠线掠前后特性线对比58-59
• 3.3.2 设计点下积叠线掠前后气动参数沿径向分布对比59-62
• 3.3.3 积叠线掠规律改进前后对比62-66
• 3.3.3.1 积叠线掠规律改进前后特性线对比62-63
• 3.3.3.2 积叠线掠改进前后气动参数沿径向分布对比63-66
• 3.4 本章小结66-67
• 第四章 静子设计及优化67-77
• 4.1 静子设计及优化67-73
• 4.1.1 静子通流计算67-69
• 4.1.2 静子S1叶型设计69-70
• 4.1.3 静子S1叶型优化70-73
• 4.2 级环境下静子三维计算73-76
• 4.3 本章小结76-77
• 第五章 超低转速超高载荷风扇级转静子间匹配77-103
• 5.1 超低转速超高载荷风扇级气动性能77-85
• 5.1.1 超低转速超高载荷风扇级网格质量77-78
• 5.1.2 超低转速超高载荷风扇级特性曲线78-79
• 5.1.3 风扇级气动参数沿径向分布79
• 5.1.4 级环境下各工况不同流道流场对比79-81
• 5.1.5 级环境下转子计算与单转子计算结果对比81-85
• 5.1.5.1 级环境下转子计算与单转子计算特性曲线对比81-82
• 5.1.5.2 设计点各气动参数沿径向分布对比82-85
• 5.2 转子叶根叶型等比例扩张影响85-89
• 5.2.1 级特性线对比85-86
• 5.2.2 设计点转子修改前后计算结果沿径向分布对比86-88
• 5.2.3 设计点转子修改前后静子计算结果沿径向分布对比88-89
• 5.3 优化静子叶根叶型影响89-95
• 5.3.1 特性曲线对比90-91
• 5.3.2 静子优化前后转子叶片设计点计算结果对比91-93
• 5.3.3 静叶优化前后静子叶片设计点计算结果对比93-95
• 5.4 转子积叠线掠对风扇级的影响95-101
• 5.4.1 特性曲线对比95-96
• 5.4.2 转子积叠线掠前后转子叶片设计点计算结果对比96-98
• 5.4.3 转子积叠线掠前后静子叶片设计点计算结果对比98-101
• 5.5 本章小结101-103
• 第六章 总结及展望103-106
• 6.1 总结103-104
• 6.2 展望104-106
• 参考文献106-109
• 致谢109-110
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文110

【参考文献】

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本文编号：578103