国外风扇／压气机掠形叶片技术的发展

介绍了GE、PW、RR和CFMI等公司风扇/压气机掠形叶片技术的开发和最新进展,论述和比较了前掠叶片和后掠叶片在效率和失速裕度方面的特点。     

前后掠风扇叶片颤振特性对比分析

采用基于能量法的流固耦合数值预测方法对比研究了模态、叶间相位角对前后掠风扇转子叶片气动弹性稳定性的影响.结果表明:对于两种掠形叶片,在所研究的前3阶振动模态下,前掠叶片对应于弯扭耦合振型的气动模态阻尼比最大,其数值为0.801%,而后掠叶片对应于弯扭耦合振型的气动模态阻尼比最小,其数值为0.248%;叶间相位角对两种掠形叶片气动模态阻尼比都有显著影响,在1阶振动模态相同叶间相位角(节径)下,前掠叶片前行波对应的气动模态阻尼比小于逆行波对应的气动模态阻尼比,而后掠叶片与此相反;1阶振动模态所有叶间相位角下,前掠叶片比后掠叶片气弹稳定性更好.      

弯掠形叶片高速气动力学分析初探

根据高性能单级风扇的设计实践,对弯掠形叶片的气动设计原理作了初步理论分析,同时对弯掠形叶片槽道中的空间激波作了数学上的描述。     

高负荷弯掠叶片力学模型与应力抑制研究

几何构型对叶片应力的影响规律是高负荷弯掠叶片应力优化的关键。建立了带有弯掠与扭曲结构特征参数的叶片力学模型,研究了掠形与扭转构型对叶片应力分布的影响。结果表明:弯掠造成的附加弯矩与叶型截面形心位置紧密相关,弯曲应力极值可能出现在叶型前缘、尾缘和叶背中部三个区域;扭转造成的附加扭矩的大小由叶尖到叶根逐渐增加,在叶片自然扭曲率较小时,附加扭矩为负方向,其作用致使叶片解扭;对于典型弯掠叶片,其离心力作用下的径向力载荷决定着自身的截面平均应力水平,而附加弯矩和扭矩载荷决定着截面的应力分布形式。在给定的叶型条件下,可通过掠形方式的调整使附加弯矩与扭矩相抵消,降低叶片峰值应力30%以上。     

大涵道比涡扇发动机风扇转子叶片优化

采用掠形设计技术对一台大涵道比涡扇发动机的风扇转子叶片进行了三维优化.通过三维定常Navier-Stokes（N-S）方程计算,分析了叶片尖部及根部掠形设计参数对风扇转子性能的影响.结果表明,叶片尖部前掠和根部后掠都能增加风扇转子的堵点流量,扩大其稳定工作范围.采用叶片尖部前掠和根部后掠的组合方案优化了叶片.单转子计算结果表明,优化后叶片的堵点流量增加约2%,设计流量点总压比和等熵效率分别增加5%和2%;风扇/增压级整机内外涵联算结果表明,优化后在起飞、巡航和爬升转速下,外涵的稳定工作范围都明显增加,巡航转速下,堵点流量增加约2.3%,失速点流量减小约5.2%,设计流量点的外涵总压比和等熵效率分别增加2%和0.8%,优化后内涵特性没有明显变化.      

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。     

叶轮机叶片的三维造型及其对叶片气动负荷的影响

研究叶轮机叶片的弯扭及掠形等因素对叶片气动负荷分布的影响。给出了一个针对叶轮机内部流动的一般的掠角定义。基于线化的小扰动理论,用解析方法对叶片三维造型各因素的位势影响进行了分析,并用三维粘性数值模拟进行了验证和分析。分析结果表明,叶轮机叶片的弯扭和前缘掠形对叶片的负荷分布有重要的调节作用。合理利用三维造型的负荷调整功能可有效地调整负荷沿展向和弦向的分布,为叶型设计提供新的自由度。      

轴流压气机掠形前缘激波动力学效应的模型分析

借助三维激波曲面的一种分析模型,对于高负荷轴流压气机掠形转子叶片所能造就的前缘空间激波曲面,进行了构造特点和近波前波后流动参数分布的计算。着重讨论了前缘曲线的相对前掠和后掠对前缘激波后流动的影响,对于掠形叶片到底产生什么功效这个问题的一个方面,给出了一种模型化的细致分析。其中定量显示了存在着展向与周向掺混的激波掺混源这个设想的合理性。     

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。     

高性能航空发动机先进风扇和压气机叶片综述

详细介绍了国外高性能航空发动机先进的风扇和压气机叶片的特点、发展和应用。所介绍的叶片,包括掠形转子叶片、弓形静子叶片、吹吸叶片、分流小叶片、空心叶片和复合材料叶片。     

掠叶片进口流动的流线曲率通流模型

掠叶片作为一项设计技术,在当前轴流风扇/压气机的设计中已被广泛采用,对掠叶片的流动机理研究也被广泛而深入地开展。近年来,多项研究表明掠能够改变叶片的攻角,这种攻角的改变是由掠造成叶片进口的径向平衡发生变化、轴向速度重新分布而产生的。提出了一种用于S2流线曲率法的掠叶片的进口流动模型,不再假设叶片进口周向流动均匀,因而能够计入由于叶片掠而产生的进口径向平衡的变化。将此模型应用到亚声掠转子叶片的设计中,结果表明该模型能够比原始方法更准确地计算轴向速度和攻角,从而提高了设计精度,并定量地分析了叶片掠对进口流动压力平衡的作用机理。     

掠形叶片

据报道,R·R公司最近设计了一台“复合”掠形叶片的风扇。该风扇叶片设计与美国GE公司和P&W公司的有些不同。它采用形同短弯刀曲率(先后掠,叶尖处再前掠)的前缘设计,使进入发动机的气流沿叶片展向平稳地减速,而不是突然地减速,在叶尖处转变为超音速。激波是分级的,不会对准叶尖,从而减少叶片损失,提高了效率。该叶片采用R·R公司成熟的超塑成形/扩散焊接的宽弦空心叶片结构,大大减轻了重量,同时增强了抗鸟撞能力。预计该     

风扇前缘曲线相对前掠对风扇效率的影响

根据风扇前缘曲线相对前掠概念，将其应用于NASA67风扇叶片的改型中．并通过数值模拟研究了三种不同前缘曲线相对前掠程度对叶片通道内气流流动的影响。计算结果表明：前掠叶片改善了风扇的气动特性，降低了流动损失．进而提高了风扇效率。     

高速掠型风扇气动设计原理初步探讨

本文通过分析跨音速掠型转子内S_2流场分布及掠型转子叶片通道内的三维流场计算结果,初步探讨掠型风扇叶片的设计原理,并分析了超音速后掠机翼和掠型风扇转子叶片在流动机理方面的联系和区别。     

小展弦比前缘后掠或前掠叶片的研究和发展

叶片发展趋势为提高发动机的推重比,要求提高风扇和压气机的级压比。而提高级压比最有效的技术措施是提高叶片旋转速度,但这会增加与激波有关的损失,并容易引起叶片振动和强度问题。为保持合理的气动效率和改进工作可靠性,出现了小展弦比后掠叶片等新的气动布局和造型。这一发展趋势既与风扇或压气机发展的历史进程一致,又符合技术发展的内在规律。国外70年代以来几个典型的风扇级参数统计如右表。由表中可见,随着级压比的提高,叶尖速度相应提高,叶片也随之向小展弦比前缘后掠（或前掠）方向发展。80年代以来,美国小展弦比后掠叶片…     

叶片弯掠对多级风扇气动性能的影响

利用数值模拟的方法,研究了多级环境中叶片弯掠对风扇整体气动性能的影响。研究过程将弯、掠叶片分别应用于某三级风扇的第二、三级静叶,以对比性能变化并研究其内在的流场作用机制。结果表明,多级环境中弯掠叶片排可通过改变沿径向密流分布对其它叶排施加影响;弯和掠都能借助低能流体迁移控制端壁流动,但掠叶片同时具有对主流的迁移作用,这就使得掠叶片对沿径向密流分布的影响要大于弯叶片;随转速下降,弯叶片的流体迁移作用被增强,掠则相反。此外发现,在多级环境中单独使用时可获得性能改善的弯掠叶片,组合应用后并未获得双重的性能收益。     

小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振

从结构力学出发,对某发动机整体叶盘进行了盘片耦合振动特性分析,通过分析小展弦比带掠风扇转子叶片的共振转速、耦合颤振和失速颤振,发现了该小展弦比带掠风扇转子叶片存在2阶与3阶动频与静频振型发生变化的特殊现象,揭示了该小展弦比带掠风扇转子叶片为另一种耦合颤振的问题.通过对该小展弦比带掠风扇转子叶片的结构调整,找出了叶片前掠是该叶片发生此类特殊现象的重要影响因素,适当压缩该叶片的前掠后,从设计上避免了发生颤振的可能,提出叶片各阶频率的分离度需满足10％的设计要求.      

风扇出口导向叶片低噪声设计Ⅰ:方法与优化

作为"风扇出口导向叶片（Outlet Guide Vanes，OGV）低噪声设计"系列文章的第1篇，本文在现有压气机气动设计流程的基础上，加入了噪声评估过程，建立了基于通流设计的气动/声学一体化设计方法。为提高设计阶段的评估速度，以三维升力面理论与管道声学理论为基础，从通流设计和造型设计输出中提取参数，结合转子尾迹模型，建立了转/静干涉噪声的解析预测模型。以现代大涵道比涡扇发动机风扇/增压级为对象，采用该模型系统分析了OGV轴向掠形与周向倾斜对转/静干涉噪声的影响，获取了轴向掠形角与周向倾斜角等三维设计参数与风扇噪声的关系图谱，初步确定了低噪声设计较优降噪量的掠和倾组合方案。以此为基础，在保持叶尖子午投影位置和弦长不变的前提下，将叶片前缘和径向积叠进行参数化，采用遗传算法进一步开展了OGV的低噪声优化设计，最终获得了2个优化方案，预估的降噪量达到了8 dB。     

跨声速轴流压气机转子弯掠控制机理

以1.5级跨声速轴流压气机为研究对象,采用三维数值模拟方法研究弯掠叶片技术对压气机不同工况的控制机理.结果表明:设计转速时前掠与反弯的组合弯掠优于前掠与正弯的组合弯掠,而部分转速时正好相反,这是因为不同弯掠方案对跨声速压气机不同工况的控制机理不同.设计转速时弯掠叶片改变叶顶激波强度和位置以及叶顶间隙泄漏涡强度,并改变叶片表面展向“C”型压力分布,三者共同作用从而提高设计转速时压气机的喘振裕度,但也造成设计转速效率下降;而部分转速时,压气机流场中的激波消失,弯掠叶片改变叶顶吸力面逆压力梯度和增强展向“C”型压力分布,两者共同作用使压气机的稳定性提高,但效率也会下降.      

跨声速压气机叶片掠和机匣处理组合效应的机理研究

针对典型跨声速压气机转子，采用非定常数值模拟方法研究了叶片掠设计和机匣处理的组合作用对压气机转子性能的综合影响。分别探讨了转子前掠、后掠和掠叶片与机匣处理组合等形式对转子峰值效率和稳定工作裕度的影响效果和内在机制。研究发现，前掠转子与机匣处理组合能够以较小的效率损失（-0.56%）为代价获得最佳的扩稳效果；在前掠转子与机匣处理组合作用下，对间隙泄漏流的动量激励和叶顶低能堵塞流体的有效消除是组合机匣处理扩稳的本质原因。结果表明，采取前掠转子和机匣处理的组合形式，可以弥补前掠转子设计损失转子最大负荷的不足，同时以较少的效率损失代价充分发挥了机匣处理的扩稳潜力。