带分流叶片离心叶轮气动设计及其流场分析

为提高某涡轴发动机的性能,需要对其离心压气机进行改进.本文设计了带分流叶片的离心叶轮,以确保离心压气机在不降低喘振裕度的前提下,设计点总压比提高不低于0.3,效率提高不低于2%.计算结果表明新设计的离心叶轮达到了设计指标.流场分析显示,新设计的叶轮有效地控制了气流分离,减小了出口尾迹的强度与范围;分流叶片的长度对叶轮效率有一定影响,合理的分流叶片长度可以有效地削弱二次流强度,提高叶轮效率.     

叶根倒角对轴流涡轮转子流场的影响

通过对某一亚声速轴流涡轮转子进行数值模拟,研究了涡轮转子根部倒角对涡轮叶栅流场的影响.研究结果表明:叶根倒角改变通道内的涡系结构,使叶栅通道内的流动重新分布,并降低了涡轮效率.当叶片根部存在较小半径的倒角时,倒角使叶片前缘近轮毂处的分离程度加剧,分离涡强度增加,并导致前缘马蹄涡和下通道涡强度和范围都增加,下通道涡增强导致叶片尾缘处通道下方静压降低,而通道上方静压相应升高,通道上半部流道前后压差减小,上通道涡的形成和发展受到抑制,上通道涡强度和分布范围都减小.随着倒角半径的增加,根部前缘分离程度先略有增加,然后减小,导致马蹄涡和下通道涡的强度先增加后减小,上通道涡强度先减小后增加.倒角还会使轮毂附近尾迹的强度和范围都加强,使尾迹损失增加.      

带分流叶片离心压气机优化设计

为探索带分流叶片离心压气机的优化方法,进一步提高气动性能,建立带分流叶片离心压气机优化系统:运用Bézier函数建立叶型的参数化表征方法,并采用人工神经网络建立目标函数和几何优化变量间的对应关系,结合遗传算法求解优化命题。为验证系统可行性,以极大化等熵效率为优化目标,针对带分流叶片的离心压气机进行优化设计。结果表明:该优化系统明显提高带分流叶片离心压气机的气动性能,优化后设计点等熵效率提高3.68%,压比提高0.506,设计转速下全工况范围内效率明显提升,综合稳定裕度增大;优化后90%,50%叶高波前马赫数有明显降低,前缘激波有所减弱,激波与附面层相互作用引起的损失减小,二次流得到抑制,叶尖通道内大范围低速区明显消退;叶片载荷重新分配,分流叶片载荷一部分转移至主叶片。     

分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响数值仿真

为了研究分流叶片轮缘进口角的变化对离心压气机级性能的影响,以某小型模型级离心压气机为研究对象,利用数值仿真软件对流场进行了全3维模拟,重点分析其内部流场结构的变化。数值仿真结果表明:分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响明显,其角度的增加使离心压气机的压比和效率提高,但会缩小离心压气机的稳定工作范围。     

积垢对离心压气机性能的影响分析

以某型离心压气机为研究对象,利用流场仿真软件对不同污染程度的压气机性能进行数值计算,对比流场特性的变化,分析了积垢造成压气机性能损失的程度。结果表明：积垢对离心压气机性能的主要影响是降低压气机效率,原因是积垢改变了叶片表面粗糙度,增加了摩擦损失;扩大了叶片后缘和出口附近的低速回流区的范围,增强了回流强度,加大了流动损失。     

叶片扩压器倒角对压气机性能影响的数值研究

研究了单级离心压气机中径向叶片扩压器倒角对其气动性能的影响.在倒角较小时,压气机单级性能改变不大,随着倒角的增大,堵点流量降低,效率和压比下降.在此基础上,开展了优化径向叶片扩压器倒角从而提升离心压气机气动性能的研究.结果表明:在径向扩压器吸力面采用无倒角或小倒角结构,防止流量堵塞,而在压力面采用沿弦向变半径倒角结构,抑制和消除压力面存在的分离,这种结构可明显提升所研究的离心压气机的气动性能.另外,进一步研究了在轮毂和机匣处分别采用如上倒角结构对气动性能的影响,发现轮毂处变倒角对性能优化起了主要作用.      

低雷诺数下离心压气机性能及流动影响的数值研究

对高空低雷诺数条件下低压离心压气机进行了全三维数值模拟,分析了雷诺数对其内部流场的影响.结果表明:随着雷诺数降低,离心压气机的效率、裕度和流通能力下降;影响叶片表面负荷分布,使得转子叶片的做功能力下降;叶片前缘分离区范围增大,二次流增强,分流叶片叶尖泄漏损失增大,主叶片吸力面通道的低速区明显增大,起始位置也向前移动,对展向的影响区域也随之增加.      

低速压气机不同静叶弯角对流动特性影响的数值模拟

本文采用全三维粘性数值模拟方法研究了重复级低速压气机不同静叶弯角对流动特性的影响。计算结果表明,静叶弯曲能有效地控制静叶端壁区二次流动,降低端壁区流动损失,特别是有间隙的根部区流动。因此,静叶弯曲后改善了近失速点的流动,扩大了低速压气机的稳定工作范围。另一方面,静叶弯曲促使端壁区的低能流体向叶片中部迁移,使得叶片中部附近的损失增加,从而效率降低。叶片弯曲的同时叶片表面积增大,使得叶片表面摩擦损失增加。几方面原因导致静叶弯曲存在一个最佳角度,本文数值计算结果表明弯角为10°附近流动效率最高     

离心压气机级串列叶栅扩压器内流场的数值研究

对某一带串列叶栅扩压器的离心压气机级进行了数值模拟,分析了串列叶栅扩压器后排叶片不同周向位置对压气机级流动及性能的影响.结果表明:串列叶栅扩压器性能优于单列叶栅扩压器,其后排叶片在不同周向位置处效率和压比均优于单列叶栅扩压器,效率提高幅度能达到1.9%,压比的提高幅度为2.85%.串列扩压器分流叶片的周向位置对其内部流动情况有显著影响,两排叶片之间存在一个最佳位置使扩压器损失最小.串列叶栅扩压器的主要损失集中在50%叶高以上的区域.      

分流叶片长度和周向位置对高压比离心压气机性能的影响

摘要：为揭示分流叶片长度和周向位置对高压比离心压气机性能的影响机制,采用数值方法考察了典型分流叶片长度和周向位置下压气机性能和流场结构。通过对压气机流场的详细分析,建立了分流叶片长度和周向位置参数与压气机流动结构的关联性。研究表明：分流叶片的优化设计需综合考虑长度和周向位置,采用60%长度和60%周向位置的分流叶片方案可获得最佳压气机级性能,该方案的压比和效率较设计值分别提高了3.2%和1.0%;分流叶片改善压气机性能的机制为分流叶片对主叶片泄漏涡的分流作用,以及分流叶片吸力面高速低压气流对泄漏涡的引射作用;进行分流叶片优化设计时,应合理选取叶片长度和周向安装位置,以实现分流叶片对主叶片泄漏涡的分流和引射,同时应避免分流叶片过长导致叶顶发生明显二次泄漏和分流叶片前缘形成高马赫区。     

叶尖单侧倒圆对扩压叶栅叶顶间隙流动的影响

提出了一种控制扩压叶栅叶顶间隙流动的方法,通过对叶尖压力面小尺度的倒圆修型,改善了扩压叶栅叶顶间隙流动状况。通过数值模拟方法研究叶尖倒圆结构对扩压叶栅性能的影响及作用机理,并探究3种不同倒圆半径(约为3%、4%、6%的叶片最大厚度)叶尖倒圆结构的流动控制效果。结果表明:叶尖倒圆能够削弱叶尖分离涡,进而影响叶尖流场不同涡系之间的相互作用,使得叶顶间隙通道附近的总压损失减少;但是叶尖倒圆半径越大,泄漏流流量越大,会加剧泄漏流与主流的掺混,使总压损失增加。因此合适的叶尖倒圆半径能够使叶栅性能得到最大程度的改善。此外,在倒圆半径为3%叶片最大厚度时,叶栅在较大的攻角范围内均获得了良好的改善损失的效果。     

叶尖掉块对跨声速压气机气动性能影响

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨音速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰减;掉块叶片产生的流动堵塞和吸力面气流的膨胀加速会影响到吸力面侧的掉块叶片,进而限制泄漏流的发展,使得流动堵塞和损失维持在较低水平,但这种影响会随着掉块叶片距离的增大而减弱。     

基于自由变形技术的分流叶片形状优化设计

基于自由变形技术(FFD)和计算流体力学(CFD)建立了离心压缩机叶片形状优化设计的方法,从而避免了对复杂的实体造型本身进行参数化,提高了优化效率。首先基于自由变形技术建立分流叶片外形的参数化表示,根据优化拉丁超立方试验设计方法构建控制点变化的样本空间,接着通过CFD数值仿真获得各样本的性能参数并建立响应面分析法(RSM)模型,以压缩比与等熵效率最大化目标构建多目标优化模型,进一步采用最小偏差法转化为单目标优化模型并进行求解,最后分析比较了形状优化对压缩机性能和流道内流体流动的影响。结果表明形状优化后压缩机的压缩比提升0.46%,等熵效率提升0.84%,同时减少了流道内低速区域,降低了流动损失。      

离心压气机周向槽机匣处理方案的对比分析

为了提高一带小叶片离心压气机50%设计转速下失速裕度,设计了两套周向槽机匣处理方案,对实壁机匣和处理机匣压气机流场进行了数值模拟分析.计算结果表明:①第一套方案可以使压气机失速裕度提高10%,并且对压气机压比和效率影响很小,没有带来较大的压比和效率损失;②第一套方案对离心叶轮大叶片75%左右轴向弦长前尖部流场的改善是失速裕度提高的主要原因;③第二套方案没有提高压气机失速裕度,主要是由于开槽的位置不恰当和周向槽过深的原因.      

扩压器对基本级性能的影响

使用数值方法和试验手段研究了带无叶扩压器和不同进口安装角的叶片扩压器对基本级的性能影响.针对带无叶扩压器的基本级，重点研究了近喘振点、设计点、近阻塞点3种工况的内部流动特性，结果表明近喘振点的叶轮叶片进口、叶轮叶片出口、回流叶片背面均存在低速涡流区，而设计点和近阻塞点的流动状态良好，对于近阻塞点，流动速度较大引起的摩擦阻力损失增大，导致了基本级多变效率下降很快；对带单圆弧叶片扩压器的基本级，细致地研究了匹配不同进口安装角的单圆弧叶片扩压器对喘振裕度、阻塞裕度和效率的影响，结果表明:在出口安装角不变的情况下，扩压器进口安装角比设计值降低3°，基本级的多变效率和多变能头系数达到最佳值.      

离心叶轮与扩压器相互干扰数值模拟

采用定常与非定常数值模拟方法,对某小型离心压气机进行数值计算,首先比较了定常结果与非定常时均结果的特性;然后结合离心叶轮出口和径向扩压器进口典型位置非定常压力脉动的频域特性,研究了离心叶轮与扩压器之间的转静干涉作用;最后着重分析了离心叶轮带与不带分流叶片对径向扩压器进口压力脉动频率特性的影响。结果表明:在相同流量下,非定常时均结果的压比偏高约3.7%,效率偏高0.1%;在带有分流叶片的离心压气机中,离心叶轮叶片出口与扩压器叶片进口的脉动除了叶片通过频率的非定常脉动外,分流叶片尾缘会产生与之强度相当的2倍叶片通过频率的非定常压力脉动。同时,分流叶片会对径向扩压器进口产生更强的0.5倍叶片通过频率非定常压力脉动,这些频率的非定常压力脉动很可能会对离心压气机叶片的疲劳强度造成影响。