温度畸变对发动机和压气机工作的影响

分析了温度畸变和温度、压力组合畸变对发动机和压气机工作的影响，介绍了与空间温度畸变有关的因素，给出典型的试验曲线，提供了评估进口温度畸变对发动机性能和稳定性影响的分析方法。     

组合畸变对某型发动机稳定性的影响

压力和温度组合畸变对某涡轮风扇发动机稳定性影响的数值研究表明,该发动机的进口临界压力畸变强度和临界温度畸变强度分别为8.82%和8.60%,风扇的压力畸变敏感系数为2.608,高压压气机的温度畸变敏感系数为2.442.压力畸变和温度畸变的相对大小,决定了组合畸变对风扇或压气机稳定性影响的严重程度.压力畸变的相对最大强度峰值出现在风扇截面时,风扇首先失稳,反之则高压压气机首先失稳.组合畸变对发动机稳定性的影响,不是压力畸变和温度畸变单独影响的简单相加,而是一种非常复杂的非线性关系.     

压力温度组合畸变对发动机稳定性影响的数值研究

压力和温度组合畸变对某涡轮风扇发动机稳定性影响的数值研究表明,组合畸变中压力畸变和温度畸变的相对大小,决定了组合畸变对风扇或压气机稳定性影响的严重程度,压力畸变强度较大的组合畸变,对风扇的稳定性影响较大。组合影响系数表示发动机抗组合畸变的能力以及压力畸变和温度畸变之间的相互影响。当组合影响系数大于0时,相互影响加强,反之相互影响减弱。组合畸变对发动机稳定性的影响,不是压力畸变和温度畸变单独影响的简单相加,而是一种非常复杂的非线性关系。     

真实进气条件下发动机稳定裕度损失评估

为了确定航空发动机压缩系统在进气总压畸变条件下的稳定裕度损失，开展了基于平行压气机模型的稳定裕度损失评估方法研究。通过对试飞中实测的总压畸变图谱进行等效转换，转换结果作为平行压气机模型的输入，得到畸变条件下压缩系统的稳定边界，再通过试飞数据确定压缩系统的流量，从而确定畸变时刻压缩系统的稳定裕度损失。对某型涡扇发动机进行计算，得到周向总压畸变强度为3.3%时风扇的稳定裕度损失为3.8%。通过对两种不同畸变强度的周向总压畸变的计算结果的对比，表明该方法可用于确定总压畸变条件下的稳定裕度损失。     

进气畸变对发动机压缩部件气动稳定性的影响

发展了一种在发动机环境下评定航空涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的数学物理模型。压缩系统模型采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程以及激盘-滞后-容积的压气机级模型，稳定性模型则采用了对整个压缩系统统一判别的方式。计算过程与发动机非设计点性能计算相关联，使得压缩系统稳定性分析在真实的发动机运行环境（调节规律）下进行。研究了进气畸变对航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的影响。对总压畸变进气条件下压气机稳定工作边界的变化进行了计算分析，结果表明，进气总压畸变对发动机稳定性有很大的影响，使得压气机稳定工作边界在压气机的特性图中向右下方移动，降低了发动机的喘振裕度。发展的数学物理模型可以正确地反映发动机压缩系统的工作状况，用它判断发动机不稳定工作点的重复性和灵敏度都比较好。     

畸变进气下压缩系统稳定性分析的通用方法

基于逐级平行压缩系统模型，发展了一种分析周向组合畸变对多级轴流压缩系统稳定性影响的通用分析方法。应用此方法对两个多级轴流压气机进行了详细的数值分析，给出了纯压力畸变、纯温度畸变及压力－温度不同位置的组合畸变与轴流压气机喘振裕度损失之间的定量关系。     

发动机对进气温度畸／瞬变响应的理论研究

建立了模拟发动机工作稳定性的“激盘-滞后-容积”模型，并借助于平行压气机理论，利用数值积分法计算了发动机对进气温度畸/瞬变的响应。重点研究了稳态畸变对喘振工作边界及温度突升对发动机工作稳定性的影响，得到了瞬态稳定工作边界；还研究了稳态畸变与温度突升组合情况对发动机工作稳定性的影响。计算结果与国外资料比较，曲线的趋势一致，结论基本相符。     

压气机试验用的三种压力畸变发生器及试验结果

本文介绍了国内航空发动机压气机试验用的三种压力畸变发生器(网格压力畸变发生器、变唇口压力畸变发生器和档板压力畸变发生器)的结构、进口压力测量方法和试验结果。试验结果表明,稳态进口压力畸变和组合压力(稳态压力加动态压力)畸变对压气机性能的影响是不同的。这种不同不仅反映在数量级上,而且反映在被影响参数的变化上。进口紊流度量级对压气机性能的恶化和改善的方向是不一致的。其试验证明,在今后的压气机研制中,组合进口压力畸变试验是必不可少的试验项目。     

温度畸变对压缩系统影响的预估模型

介绍了流场温度畸变对压缩系统性能和稳定性影响的预估方法 ,其中包括多区平行压气机模型和动态过程预估模型。分析讨论表明 :温度畸变对压气机或发动机影响的预估方法可同样适用于总压畸变和组合畸变。无论是多区平行压气机模型还是动态分析模型均立足于压缩系统的级特性。预估方法的适用范围需通过一系列实验的验证     

压力、温度组合畸变对某发动机影响的数值研究

本文给出了组合畸变的描述参数,详细地计算和分析了组合畸变对某发动机稳定性的影响,讨论和分析了在不同组合相位和畸变强度下的影响情况。计算结果表明:当压力和温度畸变相位完全重合时,压缩系统中将产生最大的稳定裕度损失;如果适当调整压力与温度的组合畸变相位,一种畸变可能削弱另一种畸变,实际上可增加稳定裕度。     

进气总压总温畸变对压气机稳定性的影响

本文对 Melick提出的进口总压周向稳态畸变对压气机稳定性裕度损失的估算方法作了改进 ,并加以推广应用于进口总温周向稳态畸变的情况。在此基础上 ,本文提出了总温和总压组合畸变下压气机稳定性裕度损失的预测方法。以某型双轴涡喷发动机为例作了某些具体的计算。     

进气畸变对大涵道比涡扇发动机稳定性的影响

基于平行压气机原理,建立了进气畸变对大涵道比涡扇发动机稳定性影响的理论模型和计算分析方法,评估了总压畸变和总温畸变对某型大涵道比涡扇发动机稳定性的影响,获取了发动机的临界畸变指数和首发失稳级组.结果表明：总压畸变在风扇中衰减幅度最大,发动机在高转速下运行达到临界总压畸变值时,风扇率先失稳,在低转速下运行时为增压级率先失稳;总温畸变在高压压气机中衰减幅度最大,发动机在高转速运行达到临界总温畸变值时,高压压气机率先失稳,在低转速运行时为增压级率先失稳.     

单级跨声速压气机进气畸变数值模拟

基于彻体力模型的基本思想,发展了一套能够反映进气畸变对风扇/压气机气动性能影响的三维数值计算程序CSAC.首先详细研究了彻体力模型的具体建模方法,然后发展了相应的三维数值计算程序.利用该程序针对某单级跨声速压气机在均匀进气下的流场进行了计算验证,计算结果与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,流场主要参数分布与相关实验数据也有很好的一致性.利用该程序分别计算分析了进口存在稳态周向总压畸变及周向总温畸变的全环三维畸变流场,结果表明:压气机进口畸变流场存在大尺度、强三维特征,将导致压气机总压比及稳定裕度下降.所有计算结果均显示该模型能够在降低对计算资源和工程经验依赖的同时,有效分析进气畸变对压气机特性的影响.      

总压总温组合畸变对压气机稳定性影响的数值模拟研究

本文对不同进口总压、总温组合畸变对压气机稳定性的影响进行了数值研究。计算模型以一维时间相关的气体欧拉方程组为基础,计及了压气机系统加功、气体抽吸和加热过程,并在计算中改进平行压气机理论的进出口假设,对一种双涵道压气机进行了三种周向总温、总压畸变组合形式的计算,给出了组合畸变情况下压气机稳定边界的变化。结果表明,在三种组合方式中,总压、总温畸变区域完全重合时压气机的稳定裕度损失最大,反之最小,部分区域重合时稳定边界介于前两者之间,且同时具有前两种情况的部分特征。      

进气畸变对轴流压气机性能影响的准三维计算

为了提高分析进气畸变对轴流压气机气动性能和稳定性影响的能力,发展了一种沿叶高将压气机分割为若干个子压气机、采用二维可压缩非定常的Euler方程描述各子压气机回转面上无叶区的流动,并利用二维可压缩"激盘"取代各子压气机的转子和静子叶排的预测进气畸变影响的准三维模型。稳定边界的确定采用Koch的最大失速静压升系数法,并引用了临界畸变角的概念。计算分析了总温畸变、总压畸变以及总温 总压组合畸变沿多级轴流压气机的传递和对压气机性能和稳定性的影响。计算结果与现有的实验数据十分一致。     

最大瞬时畸变图谱的预估

为了分析最大瞬时畸变图谱对发动机工作稳定性的影响,本文提出了一种新的最大瞬时畸变图谱的预估方法。该方法中根据给定的最大瞬时畸变值,利用Fletcher-Reeves非线性优化方法来确定压力分布。与实验测得的最大瞬时畸变图谱的比较表明,本文提出的最大瞬时畸变图谱预估方法能准确地模拟高低压区的位置和大小,高压力梯度区的位置和形状;既使在最大瞬时畸变值误差较大时也能准确地预估最大瞬时畸变图谱。因此,本文提出的最大瞬时畸变图谱预估方法能满足工程精度要求。      

静态周向总温与总压组合畸变通过轴流压气机单转子时的传递

在文献[4]的基础上,文中对静态周向总温与总压畸变的两种组合情况进行了研究:1.同相位时,总温畸变度的变化对总压畸变衰减的影响;2.总温与总压畸变之间存在不同的相位角时对总压畸变衰减的影响。数值计算结果表明,进口总温畸变度的变化以及总温与总压畸变之间相位角的变化,都将引起出口总压分布的变化;当总温畸变与总压畸变反相位时,最不利于总压畸变的衰减。本文将计算结果和文献[7]中的实验结果进行了定性比较,两者符合得较好。      

进口导流叶排对轴流压气机级畸变响应特性影响

基于轴流压气机叶片排实验特性，应用畸变传递的矩阵分析模型，对带有进口导流叶片排的轴流压气机级容总压畸变特性进行了详细分析，初步建立了进口导流叶片排对总压畸变及其沿轴流压气机叶片排衰减特性影响规律。计算结果表明，与无导流叶片排相比，带有进口导流叶片排的轴流压气机级具有更强的总压畸变、总温畸变和静压畸变衰减能力，有利于提高轴流压气机稳定工作范围。