轴流风扇/压气机气动性能试验若干问题探讨

为提高航空发动机风扇/压气机试验流程控制的合理性和试验结果评定的真实性,在梳理国内航空发动机压缩部件气动性能试验研究现状的基础上,总结提炼出若干重要技术问题,并通过理论分析和部分试验验证,对所涉及的技术问题进行了深入探讨.分析结果表明:风扇气动性能试验和压气机气动性能试验对试验设备排气能力的要求不同;相比升转速录取方式,降转速录取能够优化风扇/压气机的试验流程;可采取不同措施降低测量探针对风扇/压气机试验结果的固有影响;可调导叶/静叶安装角度定位与全行程调节精度是影响变几何多级压气机气动性能试验结果重复性的主要因素.      

多级轴流风扇/压气机非设计点性能计算方法

为更好反映现代轴流风扇内部流动特征,将适合于高马赫数来流的双激波模型引入基元叶栅法,发展了一种多级轴流风扇、压气机非设计点性能计算方法。该方法通过引入雷诺数修正,考虑了雷诺数对风扇/压气机性能的影响,并使最大静压升系数法可在宽广雷诺数变化范围内预测风扇/压气机稳定边界。该方法灵活、可靠,并经过高压压气机、跨声速风扇及大涵道比风扇/增压级等典型的压气机试验结果验证,既可用于多级轴流风扇/压气机非设计点性能计算,又可发展成为高空低雷诺数条件下高性能风扇/压气机设计和研究的重要工具,有着广泛的工程应用前景。     

基于统计特征的轴流风扇/压气机性能试验数据相关性分析

采用关联统计的系统研究思想,收集整理了国内14台轴流风扇/压气机性能试验数据,在分析、识别大流量风扇与高压比压气机变工况特性曲线形状结构特征的基础上,提出了表征风扇/压气机气动性能的两类基本属性.通过尝试构建多种无量纲物理参数,在统计层次上探索了风扇/压气机特性曲线变转速偏移程度和等转速工作范围的量化关联关系.结果表明:大流量风扇非设计转速特性曲线的偏移程度和有效流量工作范围均要大于高压比压气机;风扇/压气机最高效率线上相对压比、相对流量、相对流量-转速比和相对加功量-转速比4个物理参数之间存在明显统计规律;所构建的经验数学模型可以对性能试验数据做统一相关性分析.      

风扇／增压级的设计及试验研究

介绍一台先进风扇/增压级的设计及试验。设计点的风扇外涵级压比为1.629,绝热效率为0.889,内涵低压压气机增压比为2.73,绝热效率为0.891,增压级为4级。气动设计采用了一套完整的设计体系,设计重点放在提高效率和增大主要工况气动稳定性上。经模型件试验验证,风扇性能超过了设计指标,增压级性能基本达到设计要求。     

缩短多级风扇/压气机三维计算周期的方法

以某三级风扇为例,将其拆分为第一级、前两级和后两级进行三维计算,然后取第一级和两级联算后一级的计算结果与三级联算结果进行对比。分析发现,采用此方式计算的各级气动流场与三级联算结果基本一致,通过此种计算方式可获取符合整个部件联算的各单级性能,为多级风扇/压气机设计提供参考和依据。这也揭示了在多级风扇/压气机设计过程中,可通过该方式以每级作为单元体进行设计,从而大大节省时间、提高设计效率。为验证算法的可行性,以七级高压压气机为例进行了验算,结果表明该方法合理可行。     

风扇/压气机气动设计技术发展趋势——用于大型客机的大涵道比涡扇发动机

分析了大型客机使用的当代先进大涵道比涡扇发动机及其下一代的风扇/压气机气动设计技术的现状和发展趋势,探讨了我国研制高性能大涵道比涡扇发动机在风扇/压气机方面所面临的严峻挑战,以及为了满足我国研制大涵道比涡扇发动机的需求,需要在风扇/压气机气动研究方面尽快展开的一些关键研究.      

小流量多级轴流压气机气动性能的数值分析

以某小流量8级轴流压气机的气动设计方案为研究对象,采用三维粘性数值模拟方法进行了设计转速的气动性能计算,并将数值结果与设计方案进行了深入的对比分析。数值研究表明:该压气机的堵塞流量、总压比及效率均低于设计目标,前4级的设计和匹配是压气机堵塞流量较小的主要原因,后4级的设计和匹配是压气机总压比较低的主要原因。多级轴流压气机的匹配是性能达标的关键,需进行进一步的分析和改进。     

多级轴流压气机S2正问题气动性能优化

将求解多级轴流压气机特性的S₂正问题计算程序集成在ISIGHT优化软件上,构建压气机S₂正问题气动性能优化平台.针对某4级轴流压气机,通过调整沿径向截面的叶栅弯角、叶栅稠度、叶型最大相对厚度等参数,考核设计几何参数对S₂正问题计算效率目标函数的影响程度,择优选取设计参数作为优化变量,建立响应面模型,结合遗传算法,对目标函数进行优化.结果显示压气机特性整体提高,设计点压比增加19.6%,效率提高4.66%,折合转速1.0下的稳定裕度增大到22.32%,验证了构建优化平台在压气机气动设计中的实用价值,可供内流叶轮机气动性能优化设计参考.      

高超声速涡轮发动机多级压气机性能优化

为了满足某高超声速涡轮发动机巡航工况（Ma=3.2）性能要求,在某8级轴流压气机方案基础上,针对压气机在该工况 对应转速（相对换算转速0.748）下流通能力不足问题进行设计优化。通过创建多级压气机1维分析设计平台,采用试验设计方法 分析并确定了对压气机低转速性能影响较大的关键参数,基于模拟退火寻优算法完成对多级压气机气动布局的重构;通过采用宽 范围低损失多段圆弧中弧线设计、高流通转子叶型设计、低转速可调静子安装角优化及各级攻角匹配优化等措施,完成了8级压 气机方案的改进设计。结果表明：在巡航工况（Ma=3.2）下,8级压气机效率和喘振裕度分别提高了 0.7%和 17.4%,验证了多级压 气机设计优化方法的有效性,可为高超声速涡轮发动机压缩部件设计和研究提供参考。     

风扇/压气机气动设计系统建设初探

简述了中国一航沈阳发动机设计研究所风扇/压气机气动设计系统建设的基本思路.为了积累设计经验、规范设计方法、减轻设计人员劳动强度、提高设计效率和可靠性, 在多年风扇/压气机设计及型号研制的基础上, 初步完成了可视化、网络化的风扇/压气机现代气动设计系统的建设.该系统已经过初步测试, 现已应用于工程设计中.      

外涵静子后掠对某风扇/增压级气动特性的影响

针对某大涵道比风扇/增压级外涵静子后掠降噪的优化设计目标,采用1种周向平均快速特性预测计算方法和3维数值模拟软件NUMECA,对其100％设计转速下外涵静子无后掠及轴向后掠22.5°和30°算例的特性曲线及流场进行了对比分析,以研究外涵静子轴向后掠对风扇/增压级特性及气动性能的影响规律.结果表明:一定程度的轴向后掠角度会使静子表面静压在叶尖处增强,而根部的叶片表面静压分布更趋均匀,风扇/增压级的外涵气动特性在裕度上无明显恶化;但严重的后掠角度则会导致叶尖叶片表面载荷显著增加,从而造成外涵的喘振裕度减小,进而影响整个风扇/增压级的气动性能.     

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。     

风扇/增压级内外涵联算的特性数值模拟

提出了一种风扇/增压级内外涵联算的多转速全工况快速特性预测的计算方法.该方法将模化的叶片法向力和摩擦力引入周向平均形式的Euler方程组源项,结合NASA SP-36提供的攻角和落后角确定方法以及Koch稳定边界模型,对高负荷跨声风扇级以及某双涵道大涵道比的风扇/增压级进行了特性数值模拟,并与实验和三维数值模拟结果进行了比较.结果显示周向平均方法基本满足风扇/增压级初期气动设计快速特性预估的工程精度要求.      

基于低雷诺数条件的风扇/增压级气动设计

本文针对低雷诺数工作条件下的某风扇/增压级进行了通流设计、流道结构设计、各叶片排叶片几何设计及三维数值模拟。在完成气动设计循环、确定风扇/增压级流道结构形式和叶片叶型几何造型等根据设计需求进行的工作之后,使用商用软件NUMECA对该风扇/增压级12 km、0.6 Ma飞行条件100%和95%折合转速以及地面标准大气条件86.6%(简称87%)和80%折合转速的特性曲线进行了数值计算。前者用于考察巡航状态性能及流场特征,后者对应于地面起飞的最大状态。就目前设计方案的三维数值模拟结果表明,外函完全达到了设计需求指标的要求,内函除效率外,其它均达到设计要求。     

全三维、多叶排内外涵风扇压气机叶型优化研究

以某风扇/压气机为研究对象,采用全三维叶型优化方法对研究对象在整机条件下进行优化设计.对优化前后风扇/压气机进行全三维数值模拟并对计算结果进行对比分析研究,结果表明:优化后在不改变风扇级总压比的情况下设计点附近效率提高1.05%;在近设计点叶型改进后明显改善了风扇和外涵静子主流道的流场结构,根、尖两个截面流场显示采用新叶型后对内、外涵静子通道内流动均有不同程度的改善.      

采用高负荷弯曲静叶的压气机改型研究

采用适合高亚音速气流进口的大折转角弯曲静叶对某型高负荷风扇级进行改型设计,使用单列弯曲静叶代替原型级中的串列静叶。采用三维成型技术设计弯曲静叶,引入叶片局部修型措施控制和改善栅内流动,通过数值模拟三维流场得到原型级和改型级的设计转速特性线和设计点的气动性能。研究结果表明:采用三维成型的高负荷弯曲静叶在优化压气机结构的同时也提高了压气机的气动性能,将是研发高性能压气机可采取的重要措施之一。      

高空低雷诺数风扇/增压级气动设计

为发展一型适用于高空低雷诺数流动的风扇/增压级部件,解决高空长航时无人机动力对部件的技术需求,针对高空低雷诺数下的风扇/增压级进行了气动设计,设计过程包含了一维热力计算、S2通流设计、叶片造型设计和三维数值计算分析。经过多轮设计迭代后,得到了适用于高空低雷诺数条件下的最优叶型。三维数值计算结果表明:风扇/增压级的内、外涵性能都达到了设计指标的要求,且在高空低雷诺数下有较高的稳定裕度。与现有发动机风扇部件性能进行对比得出:新设计的风扇/增压级具有较好的高空工作能力,可以满足总体对风扇/增压级的性能需求。     

某型7级轴流压气机中间级三维气动数值优化

针对多级压气机三维气动数值优化中存在的级间匹配与计算成本难以兼顾的问题,采用了只对待优化级进行单级三维数值求解,而在边界条件中考虑级环境影响的优化策略,对某型7级高负荷轴流压气机存在叶背分离的第4级静子进行了数值优化.在有限的计算时间内,多级压气机绝热效率相比原始设计提高了近0.8%,压比增加了近4%,压气机的整体性能得到提高.应用表明:该优化策略较好地平衡了级间匹配与计算成本的矛盾.