一种考虑级间引气的压气机通流设计方法

为了探索考虑引气影响的压气机设计方法,提出了一种基于周向槽引气的引气模型,通过将引气区域的机匣端壁无滑移边界条件替换为端壁法向引气速度代表的引气边界条件,把引气的影响计入压气机通流设计.一台两级压气机的无引气和引气通流设计以及三维数值模拟流场的对比研究表明,该引气模型和考虑引气的通流设计方法能够有效的将引气设计参数及其影响反映在通流流场结果中.此外,该引气模型和设计方法还能够准确反映引气流动随引气区域当地气动参数的变化.      

流线曲率法在多级跨声速轴流压气机特性预测中的应用

为研究多级跨声速压气机的分析问题,以通流理论为基础,采用了一系列适用于跨声速压气机的攻角、落后角和损失等经验模型,发展了一套基于流线曲率法的通流计算程序来预测跨声速压气机流场及其工作特性。为提高经验模型的预测精度,考虑到真实压气机中复杂的三维流动效应,针对部分早期模型进行了合理改进,包括改进了落后角模型使其适用于更大弯度范围叶型,以及采用一种更为合理的可变结构激波损失预测模型。针对两台跨声速压气机算例进行了计算校验,并将校验结果与实验值和三维数值计算进行对比。对比表明,设计工况下总压比最大计算误差为4.1%,效率误差为1.1%,在非设计工况特性预测和展向流场参数计算中也能得到和实验值相符的变化趋势,该通流计算方法可为现代跨声速轴流多级压气机特性分析提供具有参考价值的预测结果。     

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。     

Qiu滑移模型在小型离心叶轮通流设计中的适应性改进

对Qiu滑移模型进行若干原理改进,通过在迭代中调用,将其耦合嵌入至本研究组的通流设计反问题程序,然后应用于某小型离心叶轮的设计.用定常黏性计算流体力学验证了改进的Qiu模型辅助设计的离心叶轮的气动性能.研究了Qiu模型用于通流反问题体系后预测小型离心叶轮滑移因子的能力.研究表明Qiu模型在通流设计中的适应性改进是必须的,可全面提高离心叶轮气动设计质量.虽然改进模型对滑移因子分量的估计存在偏差,但通过给定合适的经验系数完全可以使其给出的滑移因子达到工程实用的精度.另外在Qiu模型中被忽略的滑移因子分量对于离心叶轮仅在叶片后弯角绝对值较小时相对其他分量较小.     

跨音叶栅三维激波损失的改进模型

在低展弦比、低轮毂比的轴流压气机中激波结构常常是三维的。叶尖区域的三维激波损失在整个流场的激波损失中占有十分重要的比例。Ｗｅｎｎｅｒｓｔｒｏｍ和Ｐｕｔｅｒｂａｕｇｈ于１９８４年推出的三维激波损失模型忽略了激波在叶尖区域的流动结构。通过分析叶尖区域的激波结构及其与机匣附面层流动的相互作用,提出了考虑叶尖区域激波与附面层相互作用所引起的激波结构及强度变化的跨音叶栅三维激波损失的改进模型,应用改进模型计算得出的结果和实验结果符合的很好。     

用平均N-S方程轴流压气机级通流数值计算

近代叶轮机准三元方法中子午流计算一直采用管流或通流的无粘流模型。发现多级轴流压气机后面级气流展向掺混重要现象之后,多级轴流压气机子午流场的计算在无粘流的基础上加上了二次流展向掺混的影响,它对多级轴流压气机特别是高压核心机后面短叶片级设计是很重要的。近年来,已经有成效地直接用N-S方程求解叶轮机中的流动问题[1、2](大多是叶栅流动问题),其重要目标似乎是较准确模拟叶轮机级中粘性流动和计算的工程设计应用。为此,我们提出用平均N-S方程和常用的紊流零方程或两方程模型来模拟叶轮机级与多级中通流的粘性流动,给风扇级和压气机级与多级准三元设计方法提供一个考虑粘性影响的通流计算工具,并提出了端壁条件一种有效的处理方法。      

基于时间推进的涡扇发动机整机通流数值模拟

为实现航空发动机整机流场与性能快速分析,基于准三维控制方程模型,开发了整机通流数值模拟程序。程序基于计算流体力学理论,并考虑了引气、冷却和喷油等发动机中的物理现象。为模拟叶片对气流偏转作用,推导了一种鲁棒的无粘叶片力模型,同时采用粘性力模型模拟粘性损失效应。采用该程序对某型双轴分排涡扇发动机一个地面试车工况点进行了整机数值仿真,并与实验数据进行了对比验证。结果表明,所发展程序求解稳定,能够自动捕捉激波,并且可以快速获得完全收敛的航空发动机整机准三维流场,单工况点计算时长不大于30min。其中计算截面平均参数与实验测量偏差不大于8%,符合工程应用精度需求。     

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.      

神经网络模型在压气机通流特性分析中的应用

为了解决通流特性分析程序中原始模型对压气机性能预测精度不足的问题,提高压气机通流特性分析过程的可靠性,基于对大量多圆弧叶栅的数值模拟结果建立了压气机叶栅性能数据库,并以该数据库为依托,采用神经网络建模方法建立了压气机叶栅基准损失系数和基准落后角模型。结果显示:两模型对叶栅基准损失系数和基准落后角的预测精度均满足工程应用要求,其精度分别为±0.002和±1°。在对采用神经网络模型的通流特性分析程序校验过程中发现,其无论对压气机整机性能还是对流动细节的预测精度上都获得了显著提高,尤其是在主流区。此外从压气机整体特性上看,基准损失系数和基准落后角精度的提高对非设计工况损失系数和落后角的预测精度影响是积极的。      

超燃燃烧室流场计算方法比较分析

采用准一维流动模型、轴对称方程、三维数值模拟方法结合13组分、32反应氢燃料反应机理计算了"等直段+扩张段"燃烧室内超声速燃烧问题.结果表明准一维流动模型与三维数值模拟方法的计算结果反应了主要气动参数变化规律;除预燃激波串区域外,计算数据与试验数据吻合良好;准一维流动模型计算快速、适应性强;三维数值模拟方法给出了详细流场细节,所需计算时间长.针对两种模型特点,在超燃燃烧室设计过程中应有机结合协同工作.      

离心压气机通流/造型/CFD参数化优化设计集成反问题方法

在自主开发的离心压气机通流/造型反问题设计程序的基础上, 发展了一套离心压气机的通流/造型/CFD于优化设计程序系统下集成的反问题方法, 建立了离心压气机的参数化优化设计平台.采用“试验设计+响应曲面模型+近似优化”的快速优化算法, 对一个10 daN推力级微型涡喷发动机的离心压气机进行了多准则气动优化.结果表明, 这种过程集成的快速优化方法是很有效的.      

Determination of a suitable set of loss models for centrifugal compressor performance prediction

Performance prediction in preliminary design stages of several turbomachinery components is a critical task in order to bring the design processes of these devices to a successful conclusion.In this paper,a review and analysis of the major loss mechanisms and loss models,used to determine the efficiency of a single stage centrifugal compressor,and a subsequent examination to determine an appropriate loss correlation set for estimating the isentropic efficiency in preliminary design stages of centrifugal compressors,were developed.Several semi-empirical correlations,commonly used to predict the efficiency of centrifugal compressors,were implemented in FORTRAN code and then were compared with experimental results in order to establish a loss correlation set to determine,with good approximation,the isentropic efficiency of single stage compressor.The aim of this study is to provide a suitable loss correlation set for determining the isentropic efficiency of a single stage centrifugal compressor,because,with a large amount of loss mechanisms and correlations available in the literature,it is difficult to ascertain how many and which correlations to employ for the correct prediction of the efficiency in the preliminary stage design of a centrifugal compressor.As a result of this study,a set of correlations composed by nine loss mechanisms for single stage centrifugal compressors,conformed by a rotor and a diffuser,are specified.     

风扇与轴流离心压气机一体化通流设计方法

在叶轮机设计的流线曲率法反问题中,统一了基于圆柱坐标系下流面角γ,λ的和流线准法线上流面角的两种叶片力分解方法,得到了适合于轴流、斜流和离心压气机的动量主控方程.提出一种双涵道叶轮机的一体化通流反问题方法,采用分流机匣变位或者涵道比变化这两种自动调整措施.将流线曲率法应用于双涵道叶轮机加以组合压气机的一体化通流设计.设计了某双涵道、双转子、轴流离心组合的压缩系统,用计算流体动力学(CFD)方法检验了可行性和适应性.讨论了轴向速度比的物理意义及在通道自动调整的轴流级通流设计中的应用,给出相应设计算例.      

跨音速离心压气机的现状和发展

叙述了国内外跨音离心压气机的发展概况以及内部流场的计算方法和气动设计方法的现状和发展, 提出了作者自己的看法。      

Pareto多目标算法在离心压缩机蜗壳优化中的应用

基于Pareto多目标算法构建了一套针对离心压缩机蜗壳的气动优化系统,该系统集成了参数化建模、ICEM网格划分、CFX计算和CFD组合优化技术.利用该系统以总压损失系数和静压恢复系数为目标变量针对椭圆截面离心压缩机蜗壳进行气动优化设计.优化后的模型与初始模型相比总压损失系数降低11.79%,静压恢复系数升高16.97%,蜗壳内部二次流减少,蜗壳与叶轮更加匹配,表明该方法能够有效地提高离心压缩机的整体性能.      

某微小涡喷发动机压气机减重设计研究

提高航空发动机的推重比,使发动机最大程度实现轻量化,对微小涡喷发动机压气机的减重设计具有重要意义。对某实心压气机开展有限元计算,得到应力、变形等重要强度考核数据,作为减重优化的设计约束空间。在此基础上,借助等强度结构高强度、高刚度特性,对离心压气机盘的实心部分进行减重优化设计。对比优化前后压气机的承受载荷能力。结果表明:在Mises等效应力小幅增加、叶尖径向位移不显著增加的条件下,压气机减重可达20.3%。     

Two 3-D multi-cascade co-design inverse methods based on streamline curvature approach and Clebsch formulation for single-stage centrifugal compressors

Two strategies extended the single-cascade methods from a compressible three-dimensional inverse method for radial and mixed flow turbomachines to two three-dimensional multi-cascade co-design methods for single-stage centrifugal compressors.These two three-dimensional methods and a typical quasi-three-dimensional streamline curvature through-flow inverse method were employed to design the same subsonic high-speed single-stage centrifugal compressors.The compressor performances were simulated by a commercial Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations solver.The studies show that two three-dimensional co-design methods are reasonable and feasible.It was found that:firstly the blade camber angle designed by the three-dimensional methods was larger than that designed by the quasi-three-dimensional method;and secondly with regard to two three-dimensional methods with different boundary conditions,the co-design result differences between the diffusers were small,but those between the deswirlers were relatively large.      

离心压缩机两区域模型改进与验证

离心压缩机一维预设计中，准确的性能预测可以有效地缩短设计周期，提高设计效率。为了提高性能预测的准确性，在传统两区域模型的基础上，引入外界能量输入与叶轮旋转效应，提出一种叶轮扩压度计算模型，并结合无叶扩压器的特点，将两区域模型应用于无叶扩压器性能预测中。通过与文献中已有的实验结果进行对比，验证了改进模型的可用性。对比结果表明:改进的两区域模型有效减少对工程经验的依赖性，可以实现不同压比、不同后弯角离心压缩机性能预测，总体预测精度较高，与实验数据偏差在4%以内。      

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.