轴流压气机插板式进气畸变数值仿真

以航空发动机稳定性评价体系中常用的插板实验为背景,分别进行低速、高亚声速、跨声速轴流压气机与插板畸变发生器的耦合数值仿真,研究插板畸变条件下压气机的流场特性以及不同类型压气机在插板畸变影响下的失速起始机制。研究发现:转子进口截面的周向流动是影响低速压气机稳定边界的主要因素；插板角涡对转子叶顶泄漏涡的扰动是影响高亚声速压气机稳定边界的重要原因；畸变气流影响下的叶片通道内激波强度和位置的变化是影响跨声速压气机稳定边界的关键因素。      

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。     

轴流压气机三维气动稳定性及主动控制模型

给出了考虑压气机径向扰动对失速影响的轴流压气机三维气动稳定性模型。计算结果表明压气机的失速特性与压气机基元叶栅特性密切相关。在轴流压气机三维气动稳定性模型的基础上,给出了考虑轴流压气机三维效应的主动控制模型及其传递函数。      

轴流压气机动态失速过程三维计算方法研究

基于三维非定常欧拉方程和三维激盘模型发展了一种用于研究轴流压气机动态失速过程的三维计算方法。利用该计算方法研究了某型高压压气机第一级的动态失速过程,并就转子总静压升特性的三种不同径向分布对失速过程的影响进行了分析。计算结果表明该方法能够反映出压气机的三维动态失速过程、失速团的三维空间结构,并能有效地表现出转子沿径向的特性变化对压气机气动稳定性的影响,而且还能够用于判断压气机的危险截面。     

轴流压气机动态失速过程三维计算

基于三维非定常欧拉方程和三维激盘模型发展了一种用于研究轴流压气机动态失速过程的三维计算方法.利用该计算方法研究了某型高压压气机第一级的动态失速过程,并就转子总静压升特性的三种不同径向分布对失速过程的影响进行了分析.计算结果表明该方法能够反映出压气机的三维动态失速过程、失速团的三维空间结构,并能有效地表现出转子沿径向的特性变化对压气机气动稳定性的影响,而且还能够用于判断压气机的危险截面.      

跨声速轴流压气机失速边界预测方法

研究了跨声速、单级设计压比为1.82的Stage 35轴流压气机与单级设计压比为2.05的Stage37轴流压气机在不同转速下的特性.在HARIKA原型程序基础上,改进了其叶排效率、落后角、理论能头计算模型,采用了两种轴流压气机失速边界的预测方法,第1种为HARIKA原型程序的分离流量预测方法,第2种为Koch所提出的失速静压升系数预测方法,所得特性计算结果与实验点吻合较好,Stage 35设计点效率的误差由原型的3.9%降低到改进后的1.5%,Stage 37设计点效率的误差由3.1%降低到1.9%.两种预测方法对失速边界流量的预测误差最小分别可达1.3%与1.6%,表明两种失速边界预测方法都是可行的.     

机匣处理对轴流压气机失速恢复性的影响

针对一种扩稳增效的新型处理机匣,实验研究了亚声速单级轴流压气机机匣处理前后的过失速性能的变化。借助于压缩系统的一维逐级可压流的数学模型,发展了一种可用于带机匣处理的压气机失速可恢复性预测程序。数值模拟的结果很好地展示了机匣处理前后失速恢复性地变化,并解释了机匣处理后单级压气机失速恢复性改善的原因。     

进口畸变对轴流压气机流场影响的全通道数值研究

采用全通道非定常数值模拟方法研究了进口畸变对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中通过在进口径向段设置栏杆的方式产生畸变,非定常数值计算结果表明进口总压畸变后降低了压气机转子的性能,失速裕度减小了3.1％.通过详细地分析压气机进口延伸段及内部流场表明,畸变后在转子上游进口环面上出现低值进气角区,促使部分通道叶顶吸力面附面层分离起始位置靠前,造成通道内堵塞严重,并使叶顶间隙泄漏流在更高叶展前缘处溢流到相邻叶片通道进而诱发转子失速,进口均匀时压气机失速主要是由叶顶间隙泄漏流引起的堵塞造成.     

周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级预测分析

基于多级轴流压气机的逐级特性,发展了1种预测周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级的方法。该方法结合平行压气机模型和级叠加计算方法,以进气畸变条件下多级轴流压气机某级的有效相对气流角达到稳定状态时该级的最大相对气流角为条件,进行多级轴流压气机失速首发级的预测分析。通过对J85—13发动机8级轴流压气机总压畸变试验数据进行模拟计算,预测出该轴流压气机畸变条件下的失速首发级。     

基于CFD结果的轴流压气机附面层堵塞计算方法

为研究轴流压气机附面层堵塞计算方法,提出一种基于计算流体力学结果自动提取附面层厚度的多参数组合方法,该方法整合了多种附面层判断准则,可有效避免单参数判断准则的局限性。通过多个算例,包括二维平板、多级轴流压气机端壁、进口导流叶片以及带有分离区的静子叶片等,对该多参数判断准则进行了检验。结果表明,此附面层提取方法具有很好的有效性和普适性。该研究建立了多级轴流压气机中端壁堵塞从高维向低维模型的反馈,为压气机设计体系改进提供了更多可能。     

雷诺数对轴流压气机转子非定常流动的影响

针对某轴流压气机转子,结合地面试验采用5通道的数值模拟方法在两个海拔高度下对该转子进行数值模拟,分析雷诺数(Re)对压气机中非定常流动的影响。在地面条件下数值模拟绝对坐标系下的频率均落于试验旋转不稳定(RI)的驼峰频率带宽范围内。相对坐标系下相邻通道的数值监测信号互功率谱证明了压气机中周向扰动的存在。该周向扰动的产生是泄漏流与叶顶载荷分布周期性相互作用的结果。高空20 km下压气机中存在特征频率不同的多个周向扰动。此时在叶片近吸力面的尾缘处存在较大范围的流动分离区,由此引起的径向低能流体与叶顶间隙泄漏流相互作用,并共同影响叶顶载荷分布,引起低雷诺数下压气机流动非定常性周向传播。      

亚声速轴流压气机失速监测方法试验

为了研究轴流压气机失速先兆信号监测的有效算法,对亚声速轴流压气机试验台的孤立转子在不同转速下,从稳定工况到失速工况叶顶不同轴向位置进行了动态压力信号测量试验,采用自相关分析和方差分析算法对试验数据进行了对比分析。结果表明,该压气机为突尖型失速,在叶顶前缘附近能明显感受到失速先兆信号,自相关分析监测到失速先兆信号的时间明显早于方差分析,可更有效的达到失速预警的作用。     

高亚声速轴流压气机的优化叶型

基于计算流体动力学和数值优化算法,研究了一种压气机叶型优化设计方法.以入口马赫数为0.7的高亚声速轴流压气机叶型为研究对象,采用拉丁超立方实验法选取优化变量并构建了考虑攻角特性的目标函数,通过引入Gamma-Theta转捩模型,考虑了附面层转捩的影响,最终获得了可以有效改善攻角特性和降低总压损失的高亚声速轴流压气机优化叶型.计算结果表明:优化叶型可以显著降低入口马赫数为0.2~0.8时+4°和-4°攻角的总压损失,使设计工况(入口马赫数为0.7)下的低损失攻角增加4°以上,优化叶型最佳稠度降低20%并改善低雷诺数时叶栅的流动特性.      

间隙流触发压气机内部流动失稳机制及周向槽扩稳机理

利用高频响动态压力传感器对某低速轴流压气机转子的失速先兆和顶部流场进行了详细的测试,探明该压气机内部存在与叶顶间隙泄漏流相关的突发型失速先兆,对压气机转子内部流场进行了单通道定常和非定常数值模拟,详细分析了压气机内部流动失稳过程中顶部流场结构的变化,揭示顶部间隙泄漏流触发轴流压气机内部流动失稳机理.在此基础上,利用周向槽处理机匣结构对顶部间隙泄漏流进行控制,并探讨了周向槽处理机匣结构提高压气机稳定工作裕度机理.      

某3级风扇试验流场诊断及性能优化

压气机试验是检验压气机设计是否达标的重要过程,并可在原设计基础上进行优化来发掘设计的潜能。利用级间总压和壁面静压在某3级风扇第1阶段试验对级间流场进行了详细测量和级性能诊断,提出了静叶角度优化方案;通过第2阶段试验,得出了角度优化后使设计转速喘振裕度提高了7.5个百分点,达到了设计指标的结论。流场诊断技术在压气机试验中起到了关键作用。结果表明:壁面静压结合级间径向总压测量方法基本能够满足在压气机试验中性能优化的需要。     

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。     

轴向位置变化对槽式机匣扩稳效果的影响

采用试验与数值手段研究周向槽处理机匣轴向位置对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行三种不同轴向位置的周向槽处理机匣试验.试验结果表明三个轴向位置的机匣处理均扩宽压气机的稳定工作范围,轴向位置不变时扩稳效果最好,轴向位置前移次之.数值计算所获得的裕度改进量变化趋势与实验的符合良好.通过详细地分析处理机匣轴向位置变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽处理机匣轴向位置对压气机性能影响的流动机理.      

某压气机静叶基元叶型优化设计及实验

为了得到更加适合压气机静叶的叶型以降低气动损失,提取了静叶中径处的叶型,通过平面叶栅实验获得了原叶型的损失特性,发现原叶型气动损失较高,需要通过合理匹配设计参数来降低损失。为此,搭建数值优化平台在约束空间内搜寻气动损失更低的叶型,目标函数的构建综合考虑了多个冲角下的总压损失系数以提升叶片的变工况性能。优化结果显示：目标函数值降低了约9%,进一步实验研究发现,在实验涉及的整个马赫数和冲角范围内优化叶型比原叶型具有更低的总压损失系数,设计工况总压损失系数较原型叶型下降了31.3%,提升了叶型在正冲角边界附近的抗失速能力,设计进口马赫数正4°冲角下气流折转角增加1°。通过对实验结果的深入分析,解释了叶型性能提升的机理,对工作在相似环境的叶型设计及多目标优化方向给出了建议。     

高效亚音轴流压气机级几何参数最佳选择

将亚音速轴流压气机级的设计问题表述为气动力学损失和重量为极小化、压气机喘振边界极大化的多目标非线性数学规划问题。求优中考虑了多种气动与机械约束条件。介绍了压气机级性能估算的模型, 给出了最大效率、最小重量、最大喘振边界以及效率、重量、喘振边界三者权衡最优条件下的算例。此方法可拓广用于多级轴流压气机中。      

周向畸变条件下压气机失速先兆分布特征

在低速单转子轴流压气机实验台上开展了周向插板式畸变实验研究,通过安装在叶顶前缘的动态压力传感器和转子出口的梳状五孔探针获取不同插板高度下畸变进气失速特性,结合实验及数值模拟,并采用时域分析法和一维连续小波方法对失速先兆传播特性及失速先兆尺度进行了分析。研究结果表明,失速先兆总是在叶顶前缘位置首先出现,然后由叶顶前缘沿轴向传播至转子出口叶顶位置,之后沿径向传播由叶顶向叶根发展直至失速团占据整个径向叶高。同时,随着畸变强度增加,失速先兆传播速度逐渐增加,且尺度不断增大,从突尖型失速先兆变为长尺度型失速先兆。