叶轮机械叶片弯掠气动技术研究进展

叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的应用,使叶片通道流场的稳定性得到了明显改善,叶轮机械的工作效率得到了显著提升,越来越引起研究者的重视。结合近年来在叶片弯掠气动技术领域开展的研究,详细综述了国内外叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的研究进展。首先,回顾了叶片弯掠气动技术的发展历程,将叶轮机械叶片的设计分为3个阶段,分别是直叶片、扭叶片和以弯扭掠为主要特征的空间叶片,并指出以弯扭掠为主要特征的第3代叶片虽然已经得到应用,但仍有很多问题还没有完全解决。然后,分析现有研究中对叶片弯掠的定义,指出其本质均是在直叶片的基础上,通过移动叶型积叠点的位置使叶片产生弯曲或扫掠的效果,进而拓展叶片的设计空间。其次,综述了叶片弯掠对流场的影响,并归纳总结其作用机理是通过改变叶片对气流的作用力在径向的分量,实现叶片载荷和流量沿叶展的再分配,进而控制低能流体微团的输运,减小二次流损失。最后,对叶片弯掠气动技术在今后的发展方向进行了展望。该研究为叶轮机械叶片弯掠气动技术的进一步研究提供参考。     

叶轮机械叶片颤振的影响参数

采用基于能量法的流固耦合数值预测方法对比研究了几个主要参数对叶轮机械叶片气动弹性稳定性的影响规律,并较深入地阐述了叶片颤振发作机理.以某型发动机第一级压气机叶片为例,在叶片的不同模态下,通过给定不同的进出口边界条件分别研究了叶片模态和叶间相位角对叶轮机械气动弹性稳定性的影响,并从叶片吸力面激波以及波后分离区共同作用的角度解释了叶轮机械叶片的颤振发作机理.计算结果表明:叶片模态和叶间相位角对叶轮机械叶片的颤振有关键性的影响,而吸力面激波以及波后分离区是导致叶片颤振发作的重要因素.      

具有分流叶片跨声速离心叶轮激波及能量损失分析

对具有分流叶片跨声速离心叶轮,采用激波基本关系式对数值信息进行分析和判定,理论证实了叶轮流道中激波的存在,并确定流道内高速气流易在主叶片前缘、分流叶片前缘以及主叶片的吸力面与分流叶片的压力面通道位置形成激波.进一步对比分析了叶顶间隙和运行工况对激波位置分布特征的影响及引起的能量损失.结果表明:固定叶顶间隙下,随着流量减小,激波位置向流道上游移动;叶顶间隙导致激波线位置向流道下游偏移;分流叶片前缘处有最强激波并引起较明显能量损失.      

大小叶片轴流级反问题设计及数值模拟

 在常规轴流级流线曲率法通流设计和任意中弧线叶型造型方法的基础上,引入了适合于大小叶片的当量扩散因子叶型损失模型,发展了用Miller-Lewis-Hartmann(M-L-H)模型分别计算大叶片和小叶片激波损失的复合激波模型,制定了大小叶片装配方法,建立了大小叶片通流反问题设计系统。用该系统对某级增压比为2.20的单级高负荷后掠风扇进行了后掠和前掠大小叶片改型设计。经计算流体力学(CFD)检验,维持后掠造型的改型,在不提高设计点增压比的条件下,级绝热效率相当,流量和失速裕度都得到了提高;而大小叶片结合前掠的改型,当考虑单排静子的最大载荷将设计级增压比提高至2.31时,级绝热效率略微降低约0.3%,流量略减,失速裕度则显著提高。算例也表明通流反问题设计系统适合于大小叶片轴流级的设计。     

某小型离心压气机扩稳优化设计

针对某小型离心压气机在低转速下失速裕度偏小的问题,对该离心压气机的离心叶轮进行了改型优化设计,以扩大其稳定工作范围.改型设计用的是轴流/离心压气机通用叶片造型设计方法,该方法以二维通流设计计算为基础,配以任意空间曲面造型方法,并通过三维CFD(计算流体动力学)计算检验改型设计的结果.通过修改通流设计控制参数和造型控制参数,成功的实现了对离心压气机子午流道和离心叶轮三维叶片的优化设计.结果表明,对该离心叶轮的改型设计,不仅使失速裕度得到明显提高,满足了设计需求,同时压气机整级的性能也得到了改善.      

基于时间推进的涡扇发动机整机通流数值模拟

为实现航空发动机整机流场与性能快速分析,基于准三维控制方程模型,开发了整机通流数值模拟程序。程序基于计算流体力学理论,并考虑了引气、冷却和喷油等发动机中的物理现象。为模拟叶片对气流偏转作用,推导了一种鲁棒的无粘叶片力模型,同时采用粘性力模型模拟粘性损失效应。采用该程序对某型双轴分排涡扇发动机一个地面试车工况点进行了整机数值仿真,并与实验数据进行了对比验证。结果表明,所发展程序求解稳定,能够自动捕捉激波,并且可以快速获得完全收敛的航空发动机整机准三维流场,单工况点计算时长不大于30min。其中计算截面平均参数与实验测量偏差不大于8%,符合工程应用精度需求。     

轴流/离心压气机叶片通用任意中弧造型设计方法

开发了一种通用于轴流、斜流和离心式压气机叶片的任意中弧造型设计方法.该方法以通流计算的结果为基础,其优点在于可以通过调整通流设计的环量的分布,来获得所要求的气动性能,并最终生成与通流计算结果较为一致的三维叶型.修改造型控制参数可以同时实现对主叶片、分流叶片的造型控制,以及对叶型尾缘形状的控制.通过在微小型发动机压气机叶片设计中的应用,得到了比较理想的叶片.此外,该方法还可以用于压气机叶片的优化设计.      

改进的Qiu滑移因子模型用于离心压气机叶轮的参数研究

为适用于微型离心压气机叶轮的通流设计,对Qiu滑移因子模型加入了3个经验参数.首先对经验参数的求解方法及参数对于设计精度的影响进行了分析研究,发现其中经验参数c_r对于设计精度影响较大.其次在通流设计中应用改进的Qiu滑移因子模型辅助生成叶片,用计算流体动力学(CFD)研究了c_r所影响的模型滑移因子,与数值流场的出口平均滑移因子对比,得到了多种叶轮总体参数下c_r的最佳取值.发现虽然微型、大型离心压气机叶轮总体参数变化范围很大,但c_r的取值均以0.7左右为其最佳值.      

探针耙对跨声速环形涡轮叶栅流场的影响

采用数值模拟方法研究叶栅出口旋转总压探针耙对跨声速环形涡轮叶栅流场的影响,其中对比分析了探针耙在不同周向位置与无探针耙时的流场及叶栅性能参数。结果表明:常规总压探针耙会造成其相邻及上游叶栅通道流动减速、下游叶栅通道流动加速;探针耙尾缘燕尾型激波及其上游的正激波,与相临及下游叶片的尾缘燕尾型激波系互相干涉,形成了复杂的激波系和膨胀波系,造成相邻及上游若干叶栅通道堵塞,导致各叶片的载荷分布均不相同;叶栅各通道的叶片载荷、出口总压、端壁静压、出口气流角等参数偏离无探针耙情形,测得的叶栅出口流场与无探针耙时相差较大。     

流体拓扑优化方法及其在叶轮机械中的应用

相比于结构拓扑优化,流体拓扑优化的发展较为滞后。为了促进流体拓扑优化在叶轮机械领域的应用,根据公开资料中的研究成果,首先介绍了该方法的理论基础,包括优化问题数学模型、流动控制方程及求解方法、灵敏度分析技术、优化不稳定问题的预防措施及几何重构方法。然后总结归纳了流体拓扑优化在叶轮机械气动热力学领域的研究现状,通过对涡轮叶片内部冷却结构、涡轮叶片叶顶结构以及离心压气机弯道设计的描述,指出该方法的技术优势。研究表明,相比于传统形状和尺寸优化方法,拓扑优化具有更高的设计自由度,且突破了结构参数化的限制,有助于挖掘具有优良性能的新型结构。最后,对流体拓扑优化方法在未来叶轮机械设计中的发展进行了展望。     

周向平均方法在某风扇/增压级分析中的应用简

 通过对三维（3D）Navier-Stokes方程进行周向平均,得到了通流模型的控制方程,对其采用时间推进有限体积方法进行数值求解。为实现风扇/增压级在设计初期的快速性能评估,考察了周向平均方法在风扇/增压级分析中的准确性。分别利用NUMECA三维数值模拟软件和周向平均通流模型（CAM）对某高通流风扇/增压级进行了性能分析,从对比结果来看,周向平均通流模型在近设计点给出了与三维数值模拟十分接近的特性参数,最大误差不超过2.0%。在风扇转子中,由于周向平均通流模型能捕获通道激波,其物理本质与三维平均结果有所区别,因此径向参数分布与三维有所差异。而在亚声速流动下的增压级及外涵道各叶片排出口参数的径向分布与三维数值模拟结果都能很好地吻合。     

周向平均方法在某风扇/增压级分析中的应用

通过对三维（3D）Navier-Stokes方程进行周向平均,得到了通流模型的控制方程,对其采用时间推进有限体积方法进行数值求解。为实现风扇/增压级在设计初期的快速性能评估,考察了周向平均方法在风扇/增压级分析中的准确性。分别利用NUMECA三维数值模拟软件和周向平均通流模型（CAM）对某高通流风扇/增压级进行了性能分析,从对比结果来看,周向平均通流模型在近设计点给出了与三维数值模拟十分接近的特性参数,最大误差不超过2.0%。在风扇转子中,由于周向平均通流模型能捕获通道激波,其物理本质与三维平均结果有所区别,因此径向参数分布与三维有所差异。而在亚声速流动下的增压级及外涵道各叶片排出口参数的径向分布与三维数值模拟结果都能很好地吻合。     

某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究

在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上，建立了流动换热分析的气热耦合计算模型．采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算，得到了涡轮叶并流动换热的数值计算结果，对其冷却结构的换热效果进行了分析，并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进行了分析和探讨。     

涡扇发动机低压部件通流耦合计算

为了研究各部件匹配与过渡段几何参数对发动机总体性能的影响,针对某涡扇发动机风扇、低压涡轮、内外涵道、掺混段和尾喷管等部件,基于周向平均Navier-St okes通流控制方程,采用时间推进有限体积法进行了部件耦合计算求解,将沿程各部件性能计算参数与试验做了对比,结果表明:在设计状态下发动机沿程各截面计算特征参数与试验值最大误差不超过5.0%,说明该通流耦合计算方法能够快速预估发动机总体性能,完善各部件匹配关系,在发动机总体设计初期有一定工程应用价值。     

某高负荷跨声双级风扇气动设计与数值模拟

介绍了某变循环发动机的高负荷跨声双级风扇的设计过程和设计结果,详细讨论了设计过程中关键参数的选取,采用基于Szm流面的流线曲率方法和任意叶片造型方法进行了通流设计和叶片造型.为了提高风扇的效率和失速裕度,转子和静子的设计采用了掠形技术.三维数值模拟结果表明,双级风扇的性能参数除绝热效率外,均达到了设计指标的要求,并且在...     

航空发动机宽弦风扇叶片鸟撞损伤模型标定

为建立航空发动机风扇叶片抗鸟撞载荷能力的量化预测方法,针对特定的航空发动机宽弦风扇叶片设计,依据发动机在典型工作状态下的吸鸟速度、角度等撞击参数开展叶片鸟撞试验,采用显式动力学数值仿真方法,建立叶片鸟撞试验仿真分析模型,并通过对模型中叶片材料参数、鸟体本构模型参数、鸟与叶片耦合接触参数进行敏感度分析,对模型进行标定.结果表明,标定后的鸟撞分析模型所预测的叶片损伤模式与试验结果一致,预测的损伤位置与试验测量结果误差小于10%.      

典型涡扇发动机陶瓷基复合材料涡轮叶片概念设计

为了推动先进航空发动机陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮叶片设计技术进步,以典型涡扇发动机基准性能参数为原始数据,按照涡轮叶片正向设计流程,从气动设计,到结构设计,再到变形及强度分析,梳理出以材料强度为约束,发动机推力和耗油率为输入值,涡轮叶片叶身模型为结果的概念设计方法。设计了一种陶瓷基复合材料低压涡轮转子叶片,该叶片实心无冷却,设计工况下的气动性能、强度和振动特性仿真结果满足设计要求。安全储备系数可达1.8,涡轮盘外载预估减少50%,验证了陶瓷基复合材料用于先进航空发动机热端部件的可行性。涡轮效率提高0.98%～1.17%表明陶瓷基复合材料具有提升先进航空发动机热端部件性能的潜力。     

基于叶尖定时的航空发动机涡轮叶片振动测量

介绍了基于叶尖定时的非接触振动测试系统应用于涡轮转子叶片的技术瓶颈,突破高温传感器结构设计、安装以及冷却等技术难点,通过设置系统触发信号保持时间,解决H型涡轮转子叶片对叶尖定时信号的二次触发问题,并给出核心机状态下转速基准实现方法。将非接触振动测量技术成功应用在某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片振动监测中,有效获取涡轮转子叶片共振时的振动频率和幅值,并与应变计测量叶根动应变结果进行比对。结果显示:基于叶尖定时的非接触振动测试系统和接触式动应力测试系统均可监测涡轮转子叶片振动,成功辨识转子叶片8 200 r/min时的12阶激励阶次激发的一弯振动模态,两种分析方法识别共振频率相对误差在4%以内。     

CAD技术在磨叶片叶尖工具中的应用

以生产准备中磨叶片工具的计算为例，使用三维CAD系统的自由曲面建模技术，精确计算出叶片工具设计中所需叶片通道数据。通过与传统计算方法的对比，可以看出：在工艺准备中使用三维CAD技术，不但能准确快速的解决生产准备过程中的复杂计算，而且能有效减少设计的错误，缩短工艺准备周期。     

变循环压缩系统的一体化通流设计方法

以双外涵和三外涵两款典型的涡扇发动机的变循环压缩系统为研究对象发展了一个基于流线曲率法的一体化通流设计方法,以期简化变循环压缩系统的设计流程,缩短设计周期.通过一个三外涵变循环压缩系统的设计实例,验证了方法的正确性和程序的功能完整性,得到了以下主要结论:①第1,2外涵道的连通使压缩系统各部件之间的气动关系变得复杂,正确处理各部件之间的匹配关系是一体化设计的关键;②流线曲率法适用于变循环压缩系统的通流设计,其流量边界条件可方便地用于模拟前可调面积涵道引射器的调节功能;③第1,2外涵道的掺混过程对上游叶片区域的流场影响微弱,采用简单的掺混模型能够满足计算需求.