吸附式压气机转子叶片气动优化设计

进行吸附式压气机转子叶片气动设计方法研究.提出通过迭代设计,应用三维流场计算结果提供S₂流面通流计算损失模型,提高了S₂流面流场计算精度;将最优化方法与数值模拟技术相结合,建立吸气与型面耦合的回转面二维叶型优化设计和三维叶片优化设计软件;应用所构建的设计软件,进行吸附式压气机转子设计,数值模拟结果表明:该转子在0.86的叶尖载荷下,设计点总压比为1.631、等熵效率为0.965,实现了高气动性能.      

多级轴流压气机二维性能预测方法

为了满足多级轴流压气机性能预估需求,在一个流线曲率程序基础上开展了经验、半经验关系式研究。通过对文献中的损失模型进行校验及融合,建立了相匹配的损失计算模块,并改进了端壁损失计算方法;研究了利用S₁流面计算修正S₂正问题的方法,解决了基于传统平面叶栅试验数据的攻角、落后角模型与先进技术叶型之间不匹配的问题,继而发展出了一个高精度的S₂正问题计算方法。为了验证计算方法,利用3个不同负荷水平的、经试验验证的多级压气机进行了校验计算。对比表明,发展的程序对多级压气机具有很高的计算精度和稳定性,可用于多级轴流压气机性能分析。     

吸附式压气机叶型优化设计

将微分进化算法和流场数值模拟技术相结合,建立了1套吸附式压气机叶型智能优化系统。此系统可以对进口亚声、超声的吸附式压气机叶型进行优化。通过准3维叶栅通道计算程序-MISES进行流场数值模拟,评估叶型气动性能。选取吸附式叶型最重要的2个变量,吸气量和吸气位置作为优化参数,以叶型的损失系数作为优化目标,自动寻优找到该叶型的最佳吸气量和对应的吸气位置。数值计算结果表明:优化后的吸附式叶型的气动性能有了明显的提高。     

高负荷吸附式压气机气动设计与分析

为了进一步提升压气机级压比,采用附面层抽吸技术,初步建立了一套主要包含S2流面通流计算、吸附式叶型无粘反设计、吸附式叶型带附面层抽吸方案优化、全三维时均流场校核的高负荷吸附式压气机设计体系。研究结果表明:依托该体系仅仅使用1.7%的相对抽吸量完成了一台级压比3.51、等熵效率86.82%、负荷系数超过0.6的吸附式压气机设计,并通过了基于非线性谐波法的三维时均流场校核。由于抽吸基本消除了上游转子叶排的尾迹亏损,级间干涉效应微弱,时均与定常特性线中的峰值效率和压比仅相差0.12%和0.003。     

基于CST方法的吸附式压气机叶型及抽吸方案耦合优化设计

为了探索吸附式叶型设计特点,研究了一种将类别形状函数变换法(CST)方法和人工蜂群算法相结合,利用2D程序作为流场求解器,对吸附式叶型和抽吸方案进行耦合优化设计的新型吸附式压气机叶型设计方法,并且详细论证了CST方法用于吸附式叶型优化设计的可行性。研究结果表明:耦合优化设计之后在保证叶型强度未下降的基础上总压损失降低了65%,气流转折角增加了3°,气动性能得到较大的提升。针对所优化的进口高亚声速的吸附式叶型,通过适当改变叶型前缘处的型面,可以较好地控制气流马赫数,避免产生激波,从而防止附面层厚度增加,降低叶型损失。     

具有弯曲叶片涡轮级的性能预估方法

给出了一个以S₂流面流函数为主控方程的具有弯曲叶片的涡轮级性能预测的通流计算方法。此方法的损失计算中叶型损失采用S₁流面数值模拟方法得到,叶栅端部区域附近的二次流损失以及动叶叶尖漏气损失采用经验数据的方法估算。其中二次流损失的计算考虑了叶片弯曲对其大小以及节距平均的径向分布的影响。通过与实验数据的对比,表明此损失模型是可信的。      

叶型反设计计算研究

以某型号发动机压气机叶型生产坐标为设计输入,寻找一种切实可行的叶型反设计方法,以便对该压气机进行反设计计算研究,评估其真实性能,从而为改进设计提供依据.具体反设计过程为:根据等高面叶型生产坐标、设计经验和分析判断给出压气机各级气动参数分布及其子午面布局,得出其S2流面计算结果,然后冉根据S2流面计算结果将生产坐标反设计到流线面上,通过流线上的叶型反设计得出一维、二维及三维计算分析程序所需的计算输入并进行计算分析,对比计算和试验结果,判断反设计方法的有效性.     

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.      

大子午扩张涡轮的根部型线研究

大子午扩张涡轮具有外壁侧来流易分离、导叶出口径向压差较大等特点,对根部型线优化改型和原型进行全三维数值模拟,分析了下端壁叶型型线对流动的影响,并研究了根部型线设计特点.结果表明:优化根部型线,能够合理的对栅前流量径向分布进行调整,减弱甚至消除顶部来流分离,改善顶部流动;同时,此叶型也能合理的改善出口马赫数分布以及出口压力径向分布,减弱和消除吸力侧出口S₁面分离的径向流动,改善根部流动.      

轴流压气机叶片准三维自动优化设计

为提高轴流压气机叶片气动设计效果,将叶片准三维设计方法与叶型自动优化技术相结合,构建轴流压气机叶片准三维自动优化设计平台。在叶片三维数值计算结果中提取总压损失系数径向分布,反馈到S_2流面计算程序,替代原有的基于试验数据的损失模型,重新进行通流设计,提高S_2流面流场计算精度;S_1流面叶型设计采用并行遗传算法与叶轮机CFD方法相结合的叶型自动优化方法,以数值寻优代替叶型气动外形的人工调整,减小对设计经验的依赖。运用设计平台,对一设计流量6.3kg/s,设计压比2.07的轴流压气机第一级转子进行气动设计,得到径向三维叶片,设计点流量、总压比均接近设计目标,等熵效率接近90%,失速裕度达15.5%,结果令人满意。采用三维优化方法进一步进行叶片积叠线弯、掠设计,在失速点到设计点的稳定工作范围内效率均得到了1%的提升。     

吸附式压气机叶型和抽吸方案优化设计

将智能优化算法与准三维叶栅计算程序相结合,对某吸附式压气机叶型进行了优化设计,对优化设计前后的流场进行了详细分析.优化设计之后叶型总压损失下降40%,静压升提高0.6%.优化得到最佳抽吸位置位于分离区起始点上游,优化叶型具有更均匀的负荷分布,并且优化后叶型的性能在全攻角范围内均得到了提升.结果表明:更均匀的负荷分布会提高叶型的性能,减小叶型分离,降低抽吸所需要的能量.对于在尾缘处存在轻微分离的叶型其最优抽吸位置位于分离区上游.     

高负荷风扇级环境下叶片反问题设计

在对国内外各类叶片三维反问题深入分析的基础上,针对高效、高负荷风扇的设计需求,提出了级环境下风扇叶片三维反问题设计的技术思路。以高压比单级风扇为例,利用数值模拟、流动分析等技术手段,采用从基元截面、单排到单级环境逐步深入的方式,对级环境下三维反问题设计方法的可行性进行了验证,初步探索了级环境下叶片载荷分布规律,进一步发展并完善了高效、高负荷风扇叶片的三维反问题设计技术。     

全尺寸吸附式压气机部件试验技术刍议

为了深入探讨吸附式压气机试验方法,简要介绍国内外吸附式压气机叶栅试验和全尺寸部件级试验研究现状和成果。通过解析大流量气体抽吸和大流量气体测量2项吸附式风扇/压气机试验关键技术,并结合已有吸附式叶栅试验成果,实现在现有压气机试验器上开展全尺寸吸附式压气机试验研究,并完成阶段试验。试验结果表明:增加真空泵组进行大流量气体抽吸,能够在现有压气机试验器上完成全尺寸吸附式风扇/压气机部件试验。为了提高试验效率、节省试验资源,针对全尺寸部件级吸附式压气机试验研究,给出进一步结合吸附式叶栅试验结果完成对比试验的建议。     

多级环境下轴流压气机反方法改型设计

基于全三维黏性流场求解,对多级轴流压气机叶片反方法改型设计技术进行了研究。介绍了所采用的数值求解方法,之后阐述了压气机叶片反方法设计的基本原理和流程。为验证方法的有效性,对某型高压压气机后四级初始设计结果进行了数值模拟和反方法改型设计,基于对数值结果的分析提出了多级环境下叶片表面载荷分布调整的具体方法。反方法改型设计结果表明,通过合理调整多个叶片表面载荷分布,提升了四级压气机整体气动性能。设计点绝热效率基本保持不变,压比提高6.57%。      

跨、超声速吸附式压气机平面叶栅试验

对跨、超声速吸附式压气机平面叶栅进行了试验研究,试验针对若干抽气位置、抽气量和流动条件不同的叶栅工作状态进行,结果表明:一般在通道激波后、附面层分离前抽气对控制叶片附面层在逆压力梯度区的发展、抑制分离、降低叶栅损失、升叶栅气动性能有较明显的效果;在跨声速叶栅中,抽气量大于某个时抽气才能起到减小损失、改善性能的作用.      

超声速低反力度吸附式压气机变工况特性

为探讨非设计点的气动性能,以某3级高负荷低反力度吸附式压气机首级超声速级作为研究对象,借助数值模拟的方法,分别研究了变转速、变抽吸量以及近失速点首级超声速级参数以及内部流场的变化.结果表明:变转速条件下,基于低反力度设计概念研制的吸附式压气机所采用的抽吸方案仍能适应设计要求;减少抽吸量,在降低本级气动性能的同时,增加了其与下一级流动匹配的难度;通过在端壁抽吸槽道前段添加附加抽吸槽道/孔可进一步拓宽吸附式压气机的工作范围.      

基于特征正交分解的跨声速流场重构和翼型反设计方法研究

在二维流场的重构问题中应用特征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)数据处理方法。利用CFD技术计算得到的流场快照对气动力模型进行降阶,然后利用基于POD的降阶模型(Reduced Order Model,ROM)对所需的流场参数进行重构,在快照范围内可以得到高精度的结果,且具有一定的外插能力。在翼型反设计问题中该方法仍然是成功的,通过修正快照向量,利用基于POD降阶模型的数据重构方法,由已知的翼型表面压力分布通过反设计就能够高效精确地得到对应的最优翼型形状,这极大地简化了翼型反设计问题。本文分别在跨声速范围对RAE 2822翼型的流场重构和Korn翼型及NACA 63212翼型的反设计进行了验证,证明了基于POD的流场重构和翼型反设计方法的有效性和高效性。     

高负荷风扇转子叶片反问题设计

为改进高负荷风扇转子性能,采用了一种工程适用的叶片反问题设计方法。该方法使用粘性CFD与数值优化相结合,适合具有高进口马赫数、高逆压梯度流动特征的高效叶型设计,并应用二维叶型反问题加三维积叠的叶片设计思路,充分继承了已有的基元叶型积叠准则,极大地缩短了计算时间。利用发展的反问题设计平台,完成了叶片的反问题设计。三维数值模拟结果表明:反问题设计的转子叶片能较好地控制转子尖部激波结构,减小激波损失,提高效率,增大稳定裕度。     

高空低雷诺数吸附式压气机叶型耦合优化设计

为了探究高空低雷诺数条件下吸附式叶型的气动设计特性,利用人工蜂群算法对低雷诺数吸附式叶型进行优化设计,该设计方法可以将叶型和抽吸方案进行耦合优化.并且对高空低雷诺数吸附式叶型耦合优化设计的必要性进行了论证.研究结果表明:在地面条件下设计的具有较好性能的吸附式叶型,在高空低雷诺数条件下,性能有可能会显著下降,针对高空低雷诺数条件的吸附式叶型设计有很大必要性;针对研究对象,在高空低雷诺数条件下优化设计后总压损失降低了32%,静压升提高了0.01,并且优化设计后在地面条件下的性能也略有提升;在高空低雷诺数条件下,适当地增加吸附式叶型前段的负荷,通过抽吸来控制层流分离泡的设计效果最为理想;优化后得到的最佳抽吸位置位于层流分离泡中心区域.      

基于人工蜂群算法与NURBS的吸附式叶型优化设计

为提高轴流压气机吸附式叶型优化设计的质量,设计了一套基于人工蜂群(ABC)算法和非均匀有理B样条(NURBS)的自动优化设计系统.对人工蜂群算法的运行机制进行了深入分析,并与目前广泛使用的遗传算法(GA)进行了对比.对比发现人工蜂群算法可以更好地逼近全局最优值且收敛效率提高50%.使用NURBS对叶型进行参数化,并研究了参数化过程中的畸变问题.将抽吸参数与叶栅参数同时作为优化变量,使用该系统对一吸附式叶栅进行了优化.结果显示:抽吸槽设置在58.44%轴向弦长位置处流动损失下降明显,与优化前未抽吸叶型相比流动损失降低64.8%,气流分离得到有效抑制.