螺旋桨与进气道气动耦合对发动机性能及稳定性的影响分析

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推进系统正常稳定工作对飞行器是十分重要的,在涡桨飞机飞行时,螺旋桨/进气道/发动机工况高度耦合,螺旋桨滑流以及进气道型面会对发动机的性能及稳定性造成影响,螺旋桨与进气道气动耦合对发动机的气动干扰是涡桨发动机的重要研究方向。本文针对螺旋桨与进气道气动耦合对发动机的气动干扰现象,建立了有/无滑流影响的螺旋桨/进气道/发动机气动干扰研究试验台,开展了不同工况的试验研究,进行了螺旋桨三维数值仿真与发动机一维总体性能仿真相结合的混合维数仿真,并通过试验与数值仿真相结合的方式探究了螺旋桨与进气道气动耦合对发动机的气动干扰特性。在此基础上,开展了初步的螺旋桨滑流抑制探索,从而为涡桨发动机的设计及优化提供有益的理论支持和方法基础,本文主要工作内容如下:(1)针对螺旋桨滑流引起的发动机进口截面压力增加及分布不均现象,采用试验及数值仿真相结合的方式研究了滑流对发动机性能及稳定性的影响。在滑流影响状态下,当螺旋桨转速相同时,螺旋桨桨距角增大带来的滑流效果增强,加剧了发动机进口截面气流的不均匀分布,畸变指数逐渐增大,喘振裕度下降。当螺旋桨桨距角相同时,随着核心机转速增加,螺旋桨转速增加带来的滑流效果增强不利于气流均匀分布,但发动机流量增加带来的动压头大幅增加则有助于畸变指数降低,进气道出口畸变指数综合表现为逐步下降的趋势。(2)设计了一种单勺进气道,并通过数值仿真及试验方法研究了进气道型面对涡桨发动机性能及稳定性的影响。在相同螺旋桨转速下,进气道型面改变带来的发动机流量的小幅变化相对于螺旋桨影响总流量而言影响甚微,进气道型面变化对螺旋桨特性的影响并不明显。进气道型面的改变主要对发动机进口截面总压恢复系数及畸变指数产生影响,通过改变发动机的输出功率及稳定性,进而影响螺旋桨转速从而影响螺旋桨特性,螺旋桨/进气道/发动机之间通过功率匹配及流量匹配实现动态平衡。(3)针对螺旋桨滑流以及进气道进出口偏置造成的发动机进口截面压力分布不均匀现象,研究了导流叶片及气动格栅对发动机进口截面参数的影响。结果表明:适当地使用“井”字形导流叶片可实现对进气道出口畸变的抑制,且基本不会导致总压损失的增加;气动格栅能有效减小发动机进口截面的总压畸变,但造成的总压损失相对较大,采用导流叶片或者气动格栅进行螺旋桨滑流抑制需综合考虑总压损失增加及畸变指数降低两者之间的平衡。
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