发动机轴流压缩系统逐级模拟技术

基于轴流压气机逐级过失速特性,建立了一个能够显示压缩系统喘振和旋转失速等过失速行为的一维非定常逐级模拟技术,发展了分析轴流压缩系统过失速响应的动态滞后方法。并将该模型应用于国内某型号的高转速、双转子压缩系统的过失速行为的分析,讨论了时间滞止的常数、燃烧室对压缩系统失速行为的影响,得到了合理的定性结果。     

轴流压缩系统中主动抑制旋转失速的数值模拟

提出一个可用于分析轴流压缩系统通过附加扰动主动抑制旋转失速的理论模型,利用该模型讨论了系统参数对抑制效果的影响及旋转失速和喘振之间的关系.结果表明该方法的抑制效果随着B参数及压气机级数、级负载的增加而降低;同一压缩系统发生一维喘振的工作点轴向速度系数由B参数及压气机轴对称特性共同决定,与特性线斜率无关;并且只有当喘振由旋转失速引起时,才可以通过抑制旋转失速来防止喘振的发生.      

轴流压缩系统动态失速的简化模型

在原Moore-Greitzer模型的基础上,发展了一个描述轴流压缩系统动态失速过程的一阶非线性模型。该模型耦合了旋转失速和喘振,并考虑了旋转扰动波中高阶谐波分量的影响,可用于详细分析旋转失速/喘振的动态特性、由失速状态退出的恢复特性,及系统参数的影响等。     

带主燃烧室的轴流压缩系统过失速行为的数值模拟

基于轴流压气机逐级过失速特性和燃烧室特性 ,建立了带主燃烧室的多级轴流压气机过失速的分析模型。发展了分析轴流压气机过失速响应的动态滞后方法 ,确定了压气机过失速响应的统一时间常数。并将该模型应用到国内某型发动机的过失速行为的分析 ,得到了合理的定性理论结果。     

旋转总压畸变对压气机稳定性影响的二维不可压缩模型

以Moore-Greitzer模型为基础, 发展了一个预测轴流压缩系统动态失速特性及进气非均匀性影响的二维不可压缩理论模型, 并利用该模型计算分析了进气总压畸变的幅值和旋转频率对下游压气机稳定性的影响.计算结果表明:进气总压畸变的幅值和旋转频率对压缩系统的动态失速特性和稳定性都有强烈的影响, 旋转频率对旋转失速边界和喘振边界的影响类似.但是, 对应系统稳定裕度损失最大值的"危险"响应频率强烈地依赖于其旋转失速的传播频率.      

基于特征值理论的轴流跨声速压气机失稳预测

流动失稳问题是叶轮机械所面临的严峻挑战之一,而旋转失速是轴流压气机及压缩系统中普遍存在的一种典型流动不稳定状态。基于特征值理论发展了一个轴流压气机流动失稳开始点预测模型,应用谱方法和奇异值分解(SVD)算法求解所建立的特征值方程,通过特征频率的虚部判断压缩系统的流动稳定性。并通过一个高速单转子在高低两个转速时的算例,定量分析了流动压缩性对跨声速压气机流动失稳开始点预测的重要影响。该模型可在合理的精度范围内,以工程应用可接受的计算资源消耗来预测跨声速单级压气机旋转失速的开始点流量,同时不应用大量经验数据,为压气机设计阶段的稳定性评估提供指导。     

旋转失速状态下静子叶排的新认识

测量了孤立转子及单级轴流压气机的旋转失速起始边界、旋转失速后续性能及其流场结构以及整个压缩系统的不稳定形态。讨论了单级轴流压气机中静子叶排对各特征参数的影响, 分析了旋转失速状态下静子叶排所起的作用。通过分析指向静子叶盆的滑移速度, 讨论了旋转失速状态下静子叶排加入后各性能参数的变化趋势, 解释了单级压气机所固有的一些性质。      

胡骏教授及其课题组介绍

胡骏南京航空航天大学能源与动力学院教授、博士生导师,现任《航空动力学报》副主编,《南京航空航天大学学报》编委、中国航空学会动力分会叶轮机械专业委员会委员、中国空气动力学会流体弹性专业委员会委员。长期从事航空发动机教学和科研工作,在燃气涡轮发动机气动稳定性理论、叶轮机械气动热力学和非定常流动,以及进气畸变对压气机性能和稳定性的影响、轴流压缩系统的动态失速过程和轴流压缩系统失速的主动抑制等方面开展了较为深入的研究并取得了良好的成果。     

压气机失速及喘振模拟技术研究

本文了一个有能力展示诸如压缩系统喘振和旋转失速行为的一维非定常逐级压缩系统过失速模型,讨论了模拟技术、控制方程,数值方法以及数值稳定性准则,通过利用试验所得的低速压气机的过失速级特性,模拟了这个系统的过失速行为,并把模拟结果和前人在类似低速压气机上所作的过失速试验结果进行了比较,两者的规律和特性是一致的。     

带机匣处理的轴流压气机过失速性能的研究

 针对一种可提高压气机裕度而又不牺牲效率的新型机匣处理,实验研究了亚音速单级轴流压气机孤立转子机匣处理前后的过失速性能,借助于压缩系统的一维逐级可压流数学模型,发展了一种可用于带机匣处理的压气机过失速性能预测程序,并用它解释了机匣处理后转子所特有的失速现象。     

轴流压气机中喘振和旋转失速的数值模拟

基于轴流压气机逐级过失速特性，建立了多级轴流压气机过失速瞬态，包括喘振或旋转失速的分析模型。发展了分析轴流压气机过失速响应的动态滞后方法，并确定了压气机过失速响应的统一时间滞后常数。对一实验轴流压气机的过失速瞬态进行了数值模拟，与实验结果的一致性较好。     

基于分岔理论的轴流式压气机旋转失速主动控制技术

旋转失速是轴流式压气机的一种基本气动不稳定工作现象, 首先通过对Moore-Greitzer压缩系统模型的非线性动力学分岔分析, 发现旋转失速是由亚临界的音叉分岔所造成;其次提出了一种基于分岔理论的非线性主动控制算法, 采用压气机压比作为输入测量信号, 节流阀位置作为输出激励信号;最后采用分岔软件AUTO进行了计算机数值仿真, 仿真结果表明, 提出的非线性主动控制算法使得音叉分岔由亚临界转变为超临界, 从而消除了旋转失速迟滞环, 以及扩大了压气机的稳定工作范围.此外, 由于控制系统仅仅需要一维布局的传感器和激励器, 因此同时具备了较好的工程应用前景.      

机匣处理对轴流压气机失速恢复性的影响

针对一种扩稳增效的新型处理机匣,实验研究了亚声速单级轴流压气机机匣处理前后的过失速性能的变化。借助于压缩系统的一维逐级可压流的数学模型,发展了一种可用于带机匣处理的压气机失速可恢复性预测程序。数值模拟的结果很好地展示了机匣处理前后失速恢复性地变化,并解释了机匣处理后单级压气机失速恢复性改善的原因。     

基于B参数的轴流压气机过失速稳定性分析

基于2阶Greitzer模型,按照B参数的变化,通过对系统方程进行局部线性化,把从失速到喘振的过失速过程划分为4个阶段进行非线性分析,不仅观察到了临界点附近的系统变化规律,而且可以准确判定临界点的位置。在B参数大于临界点时的情况下,引入了Lyapunov稳定性理论和局部不变集定理对系统进行全局稳定性分析,结合仿真结果,表明系统轨迹趋近于稳定的喘振极限环。      

Moses失速模型三维优化修正

通过低速轴流压气机失速实验,结合压气机失速仿真云图以及实验中所测得的叶片径向压力脉动图,发现失速后为部分叶高失速,而不是全叶高失速。基于失速预测Moses模型,通过比较不同径向截面计算得到的总压损失,发现沿径向叶片截面安装角的变化对模型的计算结果有影响,通过引入参数B对模型中的参数k进行改进。经过改进后的模型所预测的结果较原模型能够更加准确地预测压气机失速后的情况,改进后的模型可以为压气机设计提供良好的参考设计数据。对高亚声速轴流压气机进行改进,将高速可压这一因素考虑到模型推导中,对模型进行改进,改进后的模型相较于原模型在预测计算高亚声速轴流压气机压比特性上准确度提升了30%。      

高负荷轴流压气机设计与试验验证

为了提高高负荷轴流压气机气动性能,探索高负荷压气机设计方法。首先,对高负荷压气机轴向载荷和参数分布进行研究与筛选优化;然后,利用二维正/反问题设计与分析方法优化压气机载荷展向分布;最后,利用三维流场分析方法进行精细分析,从而使高负荷压气机级间参数达到良好的匹配。将该方法应用于一台高负荷压气机设计中,并将试验值与计算结果进行了比较分析。结果显示:该技术有效地提高了压气机全工况的性能,使压气机各级工作在合理的参数下,相对于第4代发动机的压气机平均级压比提高了16%,效率提高了1%。     

进气畸变下压气机过失速三维非定常模型探索

针对原压气机稳定性三维分析模型CSAC(compressor stability analysis code)加以改进,添加了轴对称左支特性。采用改进的CSAC+模型分析了NASA Rotor37在周向总压进气畸变下的稳态性能和失速起始特性,并与软件NUMECA模拟结果进行了对比,两者模拟的特性趋势一致,畸变进气下CSAC+近失速点压比与NUMECA的误差为1.05%。针对近失速点流场分析发现:随着流量的减小,在畸变区边缘的转子叶尖首先出现低速甚至逆流区,可认为该区域为失速起始位置。利用CSAC+模拟了该压气机过失速状态下的主要流动特征,分析得出进气畸变下该失速先兆为模态波,完全发展后为部分叶高失速,失速团占据约40%叶高,其传播频率约为转子转动频率的60%,并在传播过程中显示出周期性的剥离和融合过程。      

轴向间距对压气机气动稳定性的影响

针对低速轴流压缩系统 ,从理论分析和试验验证两个方面论述了静子在轴流压气机气动稳定性方面的作用。理论上论证了 ,当静子非首先失速部件时 ,其作用有利于抑制扰动的发展 ,增强压气机的气动稳定性 ;试验验证了 ,随着转静子之间轴向间距的减小 ,静子的增稳作用增强 ,压气机的失速流量减小      

跨声速轴流压气机特性预测的损失模型研究

基于公开发表的研究成果,完善了1种新的跨声速轴流压气机总压损失及落后角预测模型,并发展了相应的跨声速轴流压气机非设计性能分析方法,建立了相应的计算机模拟程序。对2个跨声速轴流压气机的设计及非设计性能进行了数值模拟,对所得计算结果与试验结果的比较表明,本模型与分析方法能够应用于工程计算。