小型涡轴发动机串列静子数值研究（英文）

高逆压梯度、复杂端壁流动及厚边界层是高负荷小型压气机的典型特征,大量叶栅试验表明采用叶片串列的布局形式可以很好地解决叶片高负荷的问题。但过时的设计方法不再能满足高负荷串列静子的设计需求,小型发动机中串列叶片的流动机制需要进一步研究。本文采用EURANUS对一高负荷跨声速小型压气机进行了数值模拟,对原始静子进行了改型设计。分析串列静子的迎角、落后角、载荷分配比来发现流动的三维特征,对比流场来甄别串列静子的性能收益。发现前叶的落后角和后叶的气流迎角对静子来流的迎角变化并不敏感,前叶承担了几乎全部来流迎角变化所引起的负荷变化;设计点时以串列的方式更为均匀地分配前后叶的载荷,对级整体性能的提升有益。     

大折转角弯曲静叶在高负荷压气机改型设计中的应用

采用适合高亚声速气流进口的弯曲静叶对某型高负荷风扇级进行改型设计,使用单列大折转角弯曲静叶代替原型级中的串列静叶。采用叶片三维成型技术设计弯曲静叶,引入叶片局部修型措施控制改善栅内流动和动静叶间的匹配,通过数值模拟三维流场得到原型级和改型级的不同转速特性线上各工况点的气动性能。研究结果表明,三维成型设计的高负荷弯曲静叶能够优化压气机的结构,满足高负荷压气机不同转速工作点高性能的要求,同时具有优良的变工况性能,是研发高性能压气机部件可采取的措施之一。     

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。      

汽轮机静叶栅变冲角性能的实验研究

为了研究亚临界600MW汽轮机高压第九级静叶叶栅的变冲角气动特性,为高压静叶叶片设计提供依据,对原型和改型两套环形叶栅在低速风洞中进行了不同冲角工况下的吹风实验研究。实验结果表明：改型叶栅降低了叶栅的流动损失,具有更好的变冲角特性。     

某高负荷子午加速风机气动设计与数值模拟

兼顾民用风机的气动性能与制造成本,采用三种方案(等厚度串列静子方案、叶型串列静子方案和等厚度单排静子方案)对某高负荷子午加速风机进行了气动设计和数值模拟研究.结果表明采用叶型叶片与等厚度叶片相比对风机气动性能的改善很小,近设计点时叶型串列静子方案的压比和效率仅比等厚度串列静子方案高0.18%和0.8%.串列静子抑制了单排静子通道内的角区分离,减小了通道内的堵塞,使等厚度串列静子方案的失速裕度比等厚度单排静子方案提高了11%.综合考虑气动性能与制造成本选定等厚度串列静子方案为风机的最终方案,其不同转速的特性表明该方案的性能完全满足设计指标的要求.      

低速模拟设计技术在大小叶片压气机中的应用

针对一个用于高压压气机出口级的高负荷大小叶片压气机进行了四级重复级试验台低速模拟设计研究,探讨了高负荷情况下重复级特征不明显的亚声速级压气机的低速模拟设计方法,以及考虑大叶片和小叶片气动耦合的低速模拟设计方法。研究过程中,通过调整静子叶片的稠度和弯角,采用静子叶片更大程度的几何不相似保证了模拟级转子的低速模拟设计达到高低速转换标准,并保证在不同工况下转静子的匹配关系不发生改变。此外,通过确保大叶片和小叶片叶表无量纲速度相似,并适当调整小叶片的安装角,成功模拟了高速环境下大/小叶片之间的气动耦合效应。三维数值验算结果表明,低速模拟设计得到的设计和非设计工况内部流场和压气机特性都与高速原型具有较好的相似性。     

多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法

为提高多级轴流压气机气动性能,采用轴流压气机叶片全三维粘性反问题求解方法,对多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法进行了研究。以压气机级出口旋流角为设计目标,叶片表面载荷分布为设计对象,通过动量矩守恒方程,建立起叶片出口旋流角与叶片表面载荷分布的关系,从而实现计算过程中载荷的自动调整,修正气流在叶片出口旋流角分布。为了让压气机每一级都工作在设计给定的进口条件下,对上游级静子叶片进行反问题改型设计,使得其出口旋流角分布满足设计给定值。为了验证方法的有效性,采用四级高压压气机作为算例,对其初始设计进行反问题匹配改型设计。通过计算,修正了三个级间位置的旋流角分布,改善了下游级进口工作条件。气流在改型后压气机内部流动更加符合设计意图,级与级之间流动匹配更好。与原型相比,总压比和绝热效率分别提高了2.8%和1.3%,验证了方法的有效性。     

一种新型气动正交静子叶片的设计

分析了轴对称子午流面上力的平衡关系及其流线曲率、气体绕压气机轴线旋转产生的惯性离心力和叶片力三个影响因素,并研究了流动分离的机理和如何对流动分离进行抑制的思路,在此基础上提出了叶片气动正交的准则。采用气动正交准则对某风扇的第一排静子叶片进行了改型设计,获得了气动正交后的新叶片,并对其进行了全三维粘性流场计算,计算结果表明采用气动正交叶片的流场结构明显好于原型叶片。从全三维特性计算结果看,采用气动正交的叶片其喘振裕度也要明显好于原型叶片。     

高来流马赫数单列叶栅改串列叶栅性能对比试验

基于某高负荷轴流风扇高临界来流马赫数静叶改型设计的需求,对原型单列叶栅和改型串列叶栅开展性能对比试验研究,通过详细分析两型叶栅内部流场参数,量化评估了串列叶栅在高来流马赫数条件下的改进设计效果.结果表明:串列叶栅比单列叶栅在降低流动损失,提升增压能力方面具有显著优势.相比单列叶栅,设计状态下串列叶栅总压损失系数降低了19％,静压比提高了3.1％,基本缓解了单列叶栅原有设计状态的流动堵塞现象.串列叶栅前排叶片对后排叶片吸力面附面层发展会产生抑制作用,使得后排叶片具有较好的工作性能.     

静子容腔泄漏对某压气机性能影响的数值研究

利用全三维数值模拟方法研究了压气机静子容腔泄漏流动对压气机性能以及流场的影响,研究表明静子容腔泄漏流动不仅导致压气机效率和压比降低,而且使得压气机提前失速,稳定裕度下降5.19%.详细流场分析显示静子容腔泄漏流动对上游叶片排流动影响较小,但对本级静子以及后面叶片排根部流场的影响明显,静子容腔泄漏流动还改变了压气机失速的原因:静子容腔泄漏流动导致第1级静子根部尾缘发生流动分离,使得第2级转子根部攻角过大,整个叶背发生流动分离,引起压气机提前失速.      

基于遗传算法的2 维叶型优化设计

为得到具有宽广低损失工作范围的静子叶片,采用基于遗传算法的优化平台对3个不同载荷水平的静子叶栅叶型的型面、安装角及弦长进行优化设计。通过比较3个叶栅优化前后的正常特性线,认为尾缘"负载荷区域"对改善叶栅性能是有益的,且其对叶栅性能的改善效果与叶片载荷有关。结果表明:优化后叶栅性能在设计点和非设计点都有明显改善;叶片表面等熵马赫数分布类似控制扩散叶型,最大载荷点位置前移,叶型前段弯度增加,尾缘出现"负载荷区域"。     

大弯角串列叶栅间隙效应数值研究

为了将串列叶栅更好地应用于高负荷核心压气机后面级,通过直列叶栅的方法,引入高度倾斜的附面层来流条件,对采用串列叶栅作为核心压气机后面级的静子进行变间隙数值模拟研究.比较低展弦比串列叶栅不同间隙、不同附面层来流条件的叶栅整体性能、尖部载荷及叶尖泄漏涡的发展情况.结果表明：随着间隙增大,叶尖区域堵塞加强,损失加大;倾斜附面层来流,低叶展总压损失得到明显改善;小间隙时叶尖产生两个间隙泄漏涡,前叶泄漏涡在叶栅通道中部消失,后叶泄漏涡在近前缘产生;随着间隙增大,泄漏涡绕卷起始点后移.     

弯曲及局部修型对大折转角扩压叶栅性能的影响

通过数值模拟对具有51°叶型折转角的环形扩压叶栅进行了研究.将外流飞行器上控制附面层流动的基本思想和修型措施应用于弯叶片的局部修型, 结合近壁面附面层流动和总压损失对比分析了大折转角扩压叶栅采用直叶片、弯叶片和局部修型弯叶片的气动性能.结果表明:在大折转角、高亚声速气流进口条件下, 局部修型弯叶片能更有效的控制大逆压梯度下叶栅内附面层的发展, 提高叶栅气动性能.      

轴向超声速通流串列构型弦长比对气动性能影响的数值研究

为避免高马赫数、大攻角来流引发的叶片颤振,将串列叶片技术引入到超声速通流风扇叶栅中,对其进行串列改型及气动性能研究。利用准二维数值模拟,对串列叶片前、后排叶片的弦长比参数进行了详细的对比研究。结果表明：影响气动性能的关键因素是后排叶片进口压力侧激波的落点,在本文研究条件下,随着弦长比的减小总压损失呈减小的趋势,当弦长比由0.99减小到0.43时,设计攻角下,15°折转角叶型总压损失可减小27%,30°折转角叶型总压损失可减小38%。进一步的研究表明,通过减小弦长比可有效控制后排叶片前缘斜激波在相邻叶片吸力侧的落点以实现损失降低,并且这种降低效应在小弯角叶型上比大弯角叶型更容易实现。     

高负荷风扇叶片重心线调节对叶片强度和气动性能的影响分析

探讨了通过调整叶片重心线沿周向的积叠,控制叶片强度和振动性能的方法;以某高负荷风扇叶片为例,验证了该方法在高负荷叶片设计中的有效性;并对比分析了重心线调节对转子气动性能的影响,探讨了其内在流动机制。建议将叶片设计流程中叶片造型与结构分析作为一项工作完成。重心线调节法可应用于高负荷叶片设计。     

超高负荷涡轮弯曲叶栅的实验研究

对具有160°折转角的超高负荷涡轮叶栅开展了实验研究,通过实验测量和流动显示,并借助流谱拓扑分析手段,考察了叶片弯曲对超高负荷涡轮叶栅气动性能的影响.结果表明:弯叶片对超高负荷涡轮叶栅的作用效果与传统低负荷涡轮具有明显差别,叶片正弯时,流场进一步恶化,损失明显增加;而叶片反弯时,流场得到改善,损失降低.