http://www.paper.edu.cn1旋转冲压压缩转子三维进气流道数值研究韩吉昂1，钟兢军2，严红明1，孙鹏2，于洋21哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨（150001）2大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连（116026）E-mail：hja6065@126.com摘要：借鉴典型三维超声速进气道的设计方法，设计了一种旋转冲压压缩转子的三维进气流道，并采用三维雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型对其设计工况条件下的流场进行了数值仿真，探讨了转速、背压对三维进气流道中波系结构、内部流动特性和性能的影响。计算结果表明：三维进气流道的激波系与三维超声速进气道中产生的激波系相类似，不同的是三维进气流道中的激波是曲线激波，而三维超音速进气道中的激波为平直激波；与二维进气流道中的激波系相比，三维进气流道中的激波系要相对模糊和复杂；转速和背压对二维进气流道的性能有较大影响。关键词：旋转冲压压缩转子；三维超声速进气道；三维进气流道；数值仿真中图分类号：V231.11.引言从系统的观点看，航空发动机是以部件技术为基础的，先进的部件技术是获得高性能航空发动机的必要前提。压气机作为航空发动机一个技术含量高、研制难度大的核心部件，不仅关系到航空发动机的推重比、耗油率等关键性能，而且对整机的稳定性、可靠性也有重大影响，其性能的好坏直接影响着航空发动机总体性能的优劣。研究具有单级压比高、效率高而又重量轻的压气机是提高航空发动机推重比、降低其耗油率和成本的有效途径之一。为此，需要不断发展新概念、新方法、开发新技术并将其应用于压气机的设计之中以期获得性能优良的压缩系统。随着压气机设计技术的发展，一些新的气动概念和有效措施开始逐渐应用于压气机的设计中，如叶片三维造型技术、大小叶片设计技术、宽弦叶片、掠形转子叶片、高的叶尖切线速度、更低展弦比的叶片、更高的稠度和非定常流动研究等[1-3]，这些都使压气机的级压比和性能有了较大程度的提高。与此同时，一些新结构在压气机设计中的应用，也使高增压比压气机的设计成为可能。如吸附式压气机[4]、对转压气机[5]和Rampressor[6][7]压气机等。Rampressor压气机是美国Ramgen动力系统公司提出的一种基于激波压缩技术的新型压缩系统，其在设计过程中融合了轴流和离心式压气机的设计技术，与常规压气机相比，Rampressor压气机单级压比高（可达15[8]或更高）、结构简单、体积小、重量轻。鉴于Rampressor压气机本身具有诸多的优点，如果我们用其替代航空发动机中的常规压气机，将很有可能较大程度上提高航空发动机的推重比并降低其成本[9]。旋转冲压压缩转子是Rampressor压气机的核心部件，其性能的好坏对Rampressor压气机的性能优劣有决定性影响。因此，研究旋转冲压压缩转子的设计方法，特别是旋转冲压压缩转子进气流道的设计方法就显得非常必要。本文设计了一种旋转冲压压缩转子的进气流道，并对其设计和非设计工况下的流场进行了数值研究，以获得其内部流动特点，评估其性能。1本课题得到国家高技术研究发展计划（863计划）（项目编号：2007AA05Z255）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn2三维进气流道设计旋转冲压压缩转子是基于激波压缩技术的压缩系统（如图1[10]所示），其进气流道中的激波系配置方式将直接决定旋转冲压压缩转子的压缩性能和压缩效率。而旋转冲压压缩转子进气流道中的激波系结构和形式主要由进气流道中设计的气流压缩面所决定，所以，合理的设计旋转冲压压缩转子进气流道中的气流压缩面就显得非常必要。由于旋转冲压压缩转子进气流道可近似看作超声速进气道经过弯曲变换而来（如图2[6]所示），因而在旋转冲压压缩转子三维进气流道中气流压缩面、喉部和亚声扩压器的设计过程中可以在旋转冲压压缩转子二维进气流道设计的基础上借鉴三维超声速进气道的设计经验。本文所设计的三维进气流道是在二维进气流道设计的基础上添加z轴坐标来实现的。图1旋转冲压压缩转子结构图a.超声速进气道b.旋转冲压压缩转子进气流道Fig.1Schematicdiagramofram-rotorstructure图2旋转冲压压缩转子流道转变示意图Fig.2Thechangeoftheflow-path图3沿节距中间截面设计图图4设计的旋转冲压压缩转子三维进气流道Fig.3ThedesignedsketchofthemiddlesurfacealongFig.4Thedesignedthreedimensionalflow-pathofthepitchwisera