单级轴流压气机叶端区二次流动的研究

为揭示某单级压气机非设计转速下影响效率和稳定性的关键因素,采用实验和数值模拟相结合的方法,系统地研究了该压气机动、静叶通道内的二次流动随工况（即叶片负荷）的变化规律.对于转子,大流量工况叶端区的二次流主要以泄漏流/泄漏涡和轮毂角区分离为主,而到了峰值效率和近失速工况,整个叶高基元的过度扩压导致的叶片失速抑制了轮毂角区失速的发生.静叶叶尖端区的二次流动虽然具有三维性,但到了近失速工况它依然没有发展成为角区失速.静叶叶根的泄漏流动虽然对端壁附面层的低能流体向轮毂吸力面角区的汇聚起到了一定的抑制作用,但它对角区失速的控制效果却受到压气机不同流量工况的影响.近失速工况叶根泄漏流动抑制角区失速的能力不足是导致压气机效率下降的主要因素,而转子叶尖的二次流动造成的对整个叶尖通道的阻塞是限制压气机稳定性的关键因素.      

叶尖掉块对跨声速压气机气动性能影响

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨音速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰减;掉块叶片产生的流动堵塞和吸力面气流的膨胀加速会影响到吸力面侧的掉块叶片,进而限制泄漏流的发展,使得流动堵塞和损失维持在较低水平,但这种影响会随着掉块叶片距离的增大而减弱。     

基于伴随方法的单级低速压气机气动设计优化

采用梯度方法对某型4.5级压气机最后级进行气动设计优化研究，梯度由连续伴随方法计算确定，多排伴随方程采用伴随掺混面模型进行数值求解。首先，采用基于经验修正的初步设计方法设计带进口导叶的4.5级低速、低压缩比压气机的原始气动外形。之后，在压气机近失速工况对最后级静子叶片进行伴随气动设计优化，通过优化叶型和安装角降低流动损失，目标函数定义为加权求和形式的熵增和流量偏差，优化中对流量进行约束。最后，开展基于伴随方法的多工况气动设计优化研究，改善两个不同转速条件下最后级的气动性能。优化结果表明，基于伴随方法的多排气动设计优化可以通过改变叶片气动外形提升多排全工况气动性能。     

端壁倒圆对高负荷压气机叶栅性能及流场影响的机理探究

为了改善压气机端壁区流动状况,减小流动损失,对一大尺度低速(不可压)压气机叶栅设计了五种倒圆结构。通过Numeca全三维数值方法进行模拟,结果表明,在原叶栅失速工况下,损失降低最多的达到了5.22%,但在设计工况下增加了1.12%。分析了此叶栅端壁区性能及流场改善的机理,给出了其余四种结构效果不佳的原因。对于效果最好的叶栅,倒圆的存在将失速因子降低了41.29%,使其能够适应更大的来流攻角范围。近端壁处吸力面的流动分离得到明显抑制,马蹄涡强度和逆流区减小,出口流动更加均匀,二次流能量显著减小,从而在整体上降低了损失,改善了角区流动。     

压气机端壁自适应流通延迟失速的数值分析

端壁自适应流通方式是轴流压气机主动控制失速方法的有效措施之一,即在机匣上结合喷气与引气的方式来延迟压气机的失速,其特点是自适应流通的喷气或吹气量将随压气机的工况自我调整。采用数值模拟方法研究了端壁自适应流通方式对某轴流压气机气动性能的影响,数值计算结果表明,端壁自适应流通方式能有效地延迟失速并略微提高压气机的效率,通过详细地分析端壁自适应流通方式对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了其改善压气机性能的机理。     

轴流式压气机近失速状态端壁流动时频分析

为准确辨识某型单轴涡喷发动机压气机近失速点的流动特征,对其端壁静压信号进行了时频分析。时频分析结果表明,近失速点的工况下,与其它各级相比,压气机第一级静子机匣壁面流动变化最为显著;随着发动机工作点沿共同工作线趋近喘振边界,压气机第一级静子机匣壁面静压信号中以550Hz为中心的宽带信号开始出现并逐步增强。所发现的压气机端壁流态特征可用于发动机节流过程中工作点接近失速边界的程度的判定,具有一定的工程应用价值。      

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究（两机专刊）

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,本文对某跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况的施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。     

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,对跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。     

一种鲁棒的数据驱动不确定性量化方法及在压气机叶栅中的应用

发展了一种基于预处理矩阵的数据驱动不确定性量化算法，以解决实际工程中面临的实测数据稀缺及分布形式复杂的不确定性量化问题。通过鲁棒性分析、正交基函数的重构、非线性测试函数验证了所发展方法的有效性和精度。基于实测的叶片前缘半径和来流攻角随机波动数据，以某高亚声速压气机叶栅为研究对象，采用自主发展的不确定性量化方法定量评估了不确定性因素对叶栅气动性能的影响。结果表明：在设计攻角和大攻角下叶栅真实的总压损失系数高于名义值的概率分别为83.6%和69.9%；大攻角工况下叶栅总压损失的分散度约是设计工况下的2.4倍；前缘半径耦合来流攻角的不确定性引起前缘绕流发生较大波动，是导致叶栅总体性能退化及性能分散的主要原因。     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

Compressor geometric uncertainty quantification under conditions from near choke to near stall

Geometric and working condition uncertainties are inevitable in a compressor, deviating the compressor performance from the design value. It’s necessary to explore the influence of geometric uncertainty on performance deviation under different working conditions. In this paper, the geometric uncertainty influences at near stall, peak efficiency, and near choke conditions under design speed and low speed are investigated. Firstly, manufacturing geometric uncertainties are analyzed. Next, correlation models between geometry and performance under different working conditions are constructed based on a neural network. Then the Shapley additive explanations (SHAP) method is introduced to explain the output of the neural network. Results show that under real manufacturing uncertainty, the efficiency deviation range is small under the near stall and peak efficiency conditions. However, under the near choke conditions, efficiency is highly sensitive to flow capacity changes caused by geometric uncertainty, leading to a significant increase in the efficiency deviation amplitude, up to a magnitude of ?3.6%. Moreover, the tip leading-edge radius and tip thickness are two main factors affecting efficiency deviation. Therefore, to reduce efficiency uncertainty, a compressor should be avoided working near the choke condition, and the tolerances of the tip leading-edge radius and tip thickness should be strictly controlled.     

Influence of leading edge with real manufacturing error on aerodynamic performance of high subsonic compressor cascades

To investigate the influence of real leading-edge manufacturing error on aerodynamic performance of high subsonic compressor blades, a family of leading-edge manufacturing error data were obtained from measured compressor cascades. Considering the limited samples, the leading-edge angle and leading-edge radius distribution forms were evaluated by Shapiro-Wilk test and quantile–quantile plot. Their statistical characteristics provided can be introduced to later related researches. The parameterization design method B-spline and Bezier are adopted to create geometry models with manufacturing error based on leading-edge angle and leading-edge radius. The influence of real manufacturing error is quantified and analyzed by self-developed non-intrusive polynomial chaos and Sobol’ indices. The mechanism of leading-edge manufacturing error on aerodynamic performance is discussed. The results show that the total pressure loss coefficient is sensitive to the leading-edge manufacturing error compared with the static pressure ratio, especially at high incidence. Specifically, manufacturing error of the leading edge will influence the local flow acceleration and subsequently cause fluctuation of the downstream flow. The aerodynamic performance is sensitive to the manufacturing error of leading-edge radius at the design and negative incidences, while it is sensitive to the manufacturing error of leading-edge angle under the operation conditions with high incidences.     

加工误差对压气机叶栅气动性能及稳定性影响的数据挖掘

为缓解加工误差影响评估过程中的"维数灾难",结合展向平均假设和基于高斯过程的Karhunen-Loève展开,提出了一种由法向加工误差导致的三维叶片表面几何不确定性降阶模型.通过给定加工误差分布的标准差函数求解几何不确定性降阶模型,并运用伪蒙特卡洛方法随机生成样本,最终训练人工神经网络预测了加工误差对高负荷直叶栅气动性...     

叶片扩压器倒角对压气机性能影响的数值研究

研究了单级离心压气机中径向叶片扩压器倒角对其气动性能的影响.在倒角较小时,压气机单级性能改变不大,随着倒角的增大,堵点流量降低,效率和压比下降.在此基础上,开展了优化径向叶片扩压器倒角从而提升离心压气机气动性能的研究.结果表明:在径向扩压器吸力面采用无倒角或小倒角结构,防止流量堵塞,而在压力面采用沿弦向变半径倒角结构,抑制和消除压力面存在的分离,这种结构可明显提升所研究的离心压气机的气动性能.另外,进一步研究了在轮毂和机匣处分别采用如上倒角结构对气动性能的影响,发现轮毂处变倒角对性能优化起了主要作用.      

扩压叶栅角区-吸力面造型设计及流动控制机理

通过数值模拟,分别针对扩压叶栅的设计工况与角区失速工况进行叶身/端壁融合与吸力面优化造型设计,分析其流场结构与性能的变化,并探究两种优化造型对压气机性能改善的机理。优化结果表明:在设计工况下,优化造型吸力面凹陷,使得吸力面附面层厚度变薄,最大端壁融合位置靠近尾缘,角区低能流体在压力梯度的作用下转移并减少,分离结构得到明显控制,损失降低;在角区失速工况下,优化造型吸力面凸起,最大端壁融合位置靠近前缘,使得前缘分离结构显著减弱,当流体在进入吸力面前缘时提前附着,前缘分离区减小甚至消失,损失降低。根据两种造型流场结构特点与控制机理,可构造出在多工况下具有显著作用的叶身-端壁融合造型。     

间隙变化对压气机静叶叶栅气动性能的影响

利用压气机平面叶栅试验,在大负攻角工况、设计工况和角区失速工况下,研究间隙变化对叶栅气动性能的影响,并分析内部流动变化与气动性能变化的关联。试验结果表明,不同工况下间隙变化对流场结构的影响不同,因而对叶栅性能的影响规律也不同。大负攻角工况下,不同间隙叶栅内在压力面前缘附近都存在一对由端壁向叶展中部发展的分离涡,间隙增大可以使叶栅总损失近似线性减小,并使间隙侧气流折转能力略微提升。设计工况下,无间隙侧吸力面角区存在轻微的角区分离,小间隙（0.2%展长）的引入首先会加剧间隙侧角区分离,当间隙进一步增大时,角区分离消失并形成泄漏涡结构。叶栅总损失随间隙增大呈先增大后减小再增加的趋势,角区分离的消除有助于提高间隙侧气流折转能力。角区失速工况下,间隙的引入可以削弱并移除间隙侧角区失速结构,从而使叶栅总损失下降,并在0.5%展长间隙时达到最小值,同时间隙侧气流折转能力得到增强。当间隙进一步增大时,叶栅损失变化不大。在间隙变化过程中,两侧端部流动结构产生相互影响,使两侧流场性能变化呈相反趋势。通过对比全工况范围内的气动性能,叶栅在选取0.5%展长间隙时整体性能最优。