叶轮机械叶片弯掠气动技术研究进展

叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的应用,使叶片通道流场的稳定性得到了明显改善,叶轮机械的工作效率得到了显著提升,越来越引起研究者的重视。结合近年来在叶片弯掠气动技术领域开展的研究,详细综述了国内外叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的研究进展。首先,回顾了叶片弯掠气动技术的发展历程,将叶轮机械叶片的设计分为3个阶段,分别是直叶片、扭叶片和以弯扭掠为主要特征的空间叶片,并指出以弯扭掠为主要特征的第3代叶片虽然已经得到应用,但仍有很多问题还没有完全解决。然后,分析现有研究中对叶片弯掠的定义,指出其本质均是在直叶片的基础上,通过移动叶型积叠点的位置使叶片产生弯曲或扫掠的效果,进而拓展叶片的设计空间。其次,综述了叶片弯掠对流场的影响,并归纳总结其作用机理是通过改变叶片对气流的作用力在径向的分量,实现叶片载荷和流量沿叶展的再分配,进而控制低能流体微团的输运,减小二次流损失。最后,对叶片弯掠气动技术在今后的发展方向进行了展望。该研究为叶轮机械叶片弯掠气动技术的进一步研究提供参考。     

计及叶片前缘周向不均匀源项的弯掠叶片流动机理

目前弯掠叶片被广泛应用于现代叶轮机设计,以协调高负荷、高通流、高效率和喘振裕度之间的矛盾,但同时也会引发应力、振动和稳定性等问题。因此,为更好地发挥弯掠叶片的气动优势,同时减少其空间结构复杂性,需要对弯掠空气动力学有更深的机理认识。利用周向平均降维方法,推导获得了可定量描述的周向不均匀源项,揭示出周向不均匀性会诱发叶轮机进气流场产生不同于直叶片的再平衡,进而影响弯掠叶片各基元的设计迎角,并使叶轮机内部流场和性能特性产生变化。采用数值仿真和Stereoscopic Particle Image Velocimetry(SPIV)实验的方法对弯掠叶片的这一机理进行了验证。结果表明弯掠叶片中,周向不均匀源项会打破原有的进气流场的径向平衡,导致进气流场的径向迁移,使进气流场关键参数产生展向差异,改变迎角的展向分布,进而影响整个流场性能。同时,对影响进气流场的周向不均匀源项构建解析模型及机器学习代理模型,解除叶轮机进气均匀流场的传统假设,以利于三维弯掠叶片的气动设计与分析。     

叶型厚度参数与压气机转子叶片颤振关联性研究

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了大负荷弯掠扭组合叶片非定常粘性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。在气动设计满足设计要求的基础上,小范围调整大负荷弯掠扭组合叶片的最大厚度分布和最大厚度相对位置分布,并分别进行颤振预估计算。结果表明,最大厚度分布和最大厚度相对位置分布对颤振影响明显。在最大厚度相对位置分布相同的情况下,均匀减薄叶片,会使一阶动频减小,积累功率增大,颤振发生的可能性增大。研究结果对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

高负荷弯掠叶片力学模型与应力抑制研究

几何构型对叶片应力的影响规律是高负荷弯掠叶片应力优化的关键。建立了带有弯掠与扭曲结构特征参数的叶片力学模型,研究了掠形与扭转构型对叶片应力分布的影响。结果表明:弯掠造成的附加弯矩与叶型截面形心位置紧密相关,弯曲应力极值可能出现在叶型前缘、尾缘和叶背中部三个区域;扭转造成的附加扭矩的大小由叶尖到叶根逐渐增加,在叶片自然扭曲率较小时,附加扭矩为负方向,其作用致使叶片解扭;对于典型弯掠叶片,其离心力作用下的径向力载荷决定着自身的截面平均应力水平,而附加弯矩和扭矩载荷决定着截面的应力分布形式。在给定的叶型条件下,可通过掠形方式的调整使附加弯矩与扭矩相抵消,降低叶片峰值应力30%以上。     

基于复合弯掠技术的轴流风机叶轮优化

基于叶轮机械全三维优化设计平台NUMECA/Design 3D,采用人工神经网络和遗传算法相结合的方法,通过复合弯掠技术对一低压轴流风机叶轮空间弯掠积叠线进行三维优化设计。优化目标为在设计工况点保持风机流量不变,尽可能提高气动效率和全压升。结果表明:复合弯掠优化使叶轮设计工况点的效率和全压升分别提升约1.92%和3.98%。复合弯掠优化使叶片负荷重新分布,改善了叶顶和叶根区域的流动,同时抑制了叶轮近吸力面叶根角区的流动分离和减小了叶顶泄漏涡的强度和影响范围,降低了流动损失,提高了叶轮气动性能。     

弯扭掠三维叶片综合流型与流场结构优化的设计思想及应用—弯扭掠叶片设计体系与设计思想研究之二

重点研究了弯扭掠三维叶片的设计思想与应用,讨论了弯、扭、掠之间和弯、扭、掠与回转面之间互相匹配的原则。透平级的气动设计是多参数、多流型的综合优化的过程,在三维叶片设计中,必须认真研究弯。扭、掠、转与回转面之间的关系,认真研究流场结构的优化。讨论了l/b比较小的跨声速高压燃气涡轮静叶采用弯掠的匹配的规律,并介绍了扭掠叶片的设计体系与设计思想的应用。     

前后掠风扇叶片颤振特性对比分析

采用基于能量法的流固耦合数值预测方法对比研究了模态、叶间相位角对前后掠风扇转子叶片气动弹性稳定性的影响.结果表明:对于两种掠形叶片,在所研究的前3阶振动模态下,前掠叶片对应于弯扭耦合振型的气动模态阻尼比最大,其数值为0.801%,而后掠叶片对应于弯扭耦合振型的气动模态阻尼比最小,其数值为0.248%;叶间相位角对两种掠形叶片气动模态阻尼比都有显著影响,在1阶振动模态相同叶间相位角(节径)下,前掠叶片前行波对应的气动模态阻尼比小于逆行波对应的气动模态阻尼比,而后掠叶片与此相反;1阶振动模态所有叶间相位角下,前掠叶片比后掠叶片气弹稳定性更好.      

NURBS曲线及节点插入算法在透平叶片优化设计中的应用

将NURBS曲线及节点插入算法应用到透平叶栅的二维参数化造型,可以兼顾造型参数的实际物理意义和型线调节的灵活性;将控制点可调的NURBS曲线应用到三维叶片积叠线造型,能够构造任意形状的弯、扭、掠叶片。在此基础上搭建的透平叶片三维气动优化平台,将参数化造型、网格自动划分、CFD并行求解集成在一起,应用实验设计和响应面分析方法进行多目标寻优。对某单级实验透平分别进行单排叶片和整级优化后,单排叶片总压损失降低了0.57%;单级绝热效率提高了0.8%。     

叶片弯掠组合设计对风扇气动噪声的被动控制

转子尾迹与静子叶片干涉是产生风扇离散噪声的主要噪声源之一。环形叶栅几何对于声源项的求解以及管道内的声传播都有重要影响,因此在讨论叶片弯掠组合设计对于风扇噪声的被动控制作用时需要重点强调三维效应的影响。本文利用三维升力面理论,建立了可以考虑叶片弯掠组合影响的气动声学模型。相比数值计算方法,三维升力面理论不存在频散耗散影响,求解快速高效,更加有利于初始阶段的优化设计,以及为数值计算模型提供验证。通过与已有结果的对比,进一步阐述了叶片后掠和周向倾斜对于风扇离散噪声的影响机制。而弯掠组合设计算例的计算结果表明,在某些条件下,选取合适的叶片弯掠造型能够获得很好的降噪效果。由于轴向传播波数的影响,前传声场和后传声场对于弯掠组合的变化趋势存在一定的差异性。     

周向弯曲方向对弯掠叶片气动-声学性能影响的实验

以具有相同几何参数的常规径向叶片、周向前弯和周向后弯叶片为研究对象,对旋转动叶片周向弯曲后叶轮的气动和声学性能进行了对比试验研究。同时采用五孔探针半对向测量方法研究了周向弯曲后出口气流参数沿叶高的分布规律。结果表明,与原型径向叶轮相比,在保持叶片几何参数不变,仅引入周向弯曲后,无论周向前弯还是后弯,均导致叶轮的效率和压升降低。叶片周向前弯可以有效地降低气动噪声,大幅度地增加风扇的喘振裕度。在相同的周向弯曲角度下,采用周向前弯技术明显优于周向后弯。此外,研究表明弯掠叶片径向力对于气流参数沿叶高的分布具有较大的影响。周向前弯叶轮改善了叶顶附近的流动状况,但中部叶高区域的损失增加。对于周向后弯叶轮,虽然叶片中部损失减小,但两端部损失增加明显。      

三维造型对高负荷跨声风扇静子的影响分析

以负荷系数高达0.42的跨声风扇进口级为背景,利用三维数值模拟手段,研究了叶片三维气动造型技术对高负荷跨声风扇静子气动性能的影响,并深入地分析了其影响机理.结果表明:由于激波在静子叶根有垂直于轮毂端壁的趋势,因此前掠造型对于激波/端壁附面层所主导的静子角区分离的控制效果并不明显;相比之下,正弯静子通过加入叶片力使得角区中的低速流体向叶中发生径向迁移,显著地改善了静子的性能;而复合弯掠进一步提高了静子的性能,说明单纯使用前掠造型收效不佳,需要配合正弯造型才能达到最佳效果.      

高性能叶轮机全3维叶片技术趋势展望

高性能叶轮机是驱动先进航空发动机/地面燃气轮机发展的核心技术,为明晰叶轮机技术发展问题与趋势,在相关文献调研基础上,从基元叶栅、展向积叠、端区处理、精细化设计以及全局观念等方面出发,概要分析阐述了中国叶轮机全3维叶片技术继续发展的要点与突破口,指出全面综合最大折转亚声速叶栅、允许分离超声速叶栅、弱化激波叶栅、掠弯参数化积叠、叶身/端壁融合等基础研究成果并结合伴随方法进行精细化设计的负荷最大化技术,再辅以3维空间、非定常流动、细节关联等全局观念下派生的技术是全3维叶片技术的重要发展方向.未来全3维叶片将注重全3维空间流线曲率的良好控制.     

Fourier methods for turbomachinery applications

Rapid increase in computing power has made a huge difference in scales and complexities of the problems in turbomachinery that we can tackle by use of computational fluid dynamics (CFD). It is recognised, however, that there is always a need for developing efficient methods for applications to blade designs. In a design cycle, a large number of flow solutions are sought to interact iteratively or concurrently with various options, opportunities and constraints from other disciplines. This basic requirement for fast prediction methods in a multi-disciplinary design environment remains unchanged, regardless of computer speed. And it must be recognised that the multi-disciplinary nature of blading design increasingly influences outcomes of advanced gas turbine and aeroengine developments. Recently there has been considerable progress in the Fourier harmonic modelling method development for turbomachinery applications. The main driver is to develop efficient and accurate computational methodologies and working methods for prediction and analysis of unsteady effects on aerothermal performance (loading and efficiency) and aeroelasticity (blade vibration due to flutter and forced response) in turbomachinery. In this article, the developments and applications of this type of methods in the past 20 years or so are reviewed. The basic modelling assumptions and various forms of implementations for the temporal Fourier modelling approach are presented and discussed. Computational examples for realistic turbomachinery configurations/flow conditions are given to illustrate the validity and effectiveness of the approach. Although the major development has been in the temporal Fourier harmonic modelling, some recent progress in use of the spatial Fourier modelling is also described with demonstration examples.     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配技术

本文提出一种新的叶轮机气动设计自由度——缘线匹配技术。缘线匹配是指相邻两叶排中前排叶片后缘线与后排叶片前缘线的空间关系,更准确地说是其相位角关系。叶片尾缘线表征了叶片出口气流的分布型,它囊括了尾迹、激波、二次流等所有影响,另一方面,叶片前缘线代表了其对上游流场的势干扰。定常气动设计体系只能部分考虑叶片缘线的相互影响,大部分则被忽略了,然而在非定常框架下,相邻叶排缘线所代表的相互影响是显著的。本文首次提出了叶轮机非定常设计的缘线匹配技术,并通过理论分析及直列涡轮叶栅的非定常数值模拟结果展示了缘线匹配技术在未来提高叶轮机气动性能、气弹性能、气动噪声和热传导性能上的潜在能力。作者认为,缘线匹配技术将使叶轮机的非定常气动设计具有真实而可操作的内容,是叶轮机非定常气动设计的核心技术之一。      

非定常流动对叶片表面负荷分布影响的数值模拟研究

叶轮机内部非定常流动与叶片表面负荷分布之间的关系对于叶轮机的设计非常重要。本文利用数值模拟手段对单级轴流涡轮内部非定常流动进行了模拟，研究了上游叶片排尾迹和位势作用对下游叶片表面负荷分布的影响，并分析了尾迹在下游叶片通道内的演化图画。计算结果表明涡轮级环境中，上游叶片排的尾迹等对通道内部流动，叶片边界层流动损失的产生、发展和输运，以及下游叶片表面吸力面负荷分布产生明显的影响，需要在设计中加以考虑；本文还探讨了非定常效应应用于设计的可行性和思路。     

程控振动疲劳试验系统

航空叶片的疲劳断裂是发动机的常见故障之一,为了研究其失效机理,国内外都采用恒定应力疲劳寿命试验。叶片的疲劳载荷主要以数值分析法来给出,或者按台架试车中实测到的最大振动应力作为载荷,试验做到各组样品均有一定数量的产品发生失效为止,用它来估计产品的各种可靠性特征。传统采用的试验方案是人工操作开环控制激振。      

高负荷低展弦比氦涡轮端壁损失机理研究

以某多级氦涡轮第一级为研究对象,借助数值模拟技术对低展弦比涡轮动静叶端壁通道涡迁移及干涉机制进行研究,并考察了叶片弯曲对涡轮气动性能的影响。结果表明：受下端壁道涡影响,导叶出口近叶根处气流过偏转,导致转子前缘近轮毂区正攻角变大;叶片根部负荷增加,致使马蹄涡压力面分支与吸力面分支交点前移;下端壁通道涡径向迁移至近叶顶区,其与叶尖泄漏涡相互影响致使叶顶区粘性损失显著增加。弯叶片对低展弦比大折转涡轮叶片的作用效果与传统涡轮具有明显差别：叶片正弯时叶顶载荷减小,导致叶顶间隙泄漏涡与通道涡强度及损失显著减小,涡轮性能得到改善;叶片反弯时叶顶载荷增加,致使叶尖泄漏损失增大,且强径向压力梯度作用下下端壁低能流体向叶顶汇聚,损失显著增加。     

民用通风机气动设计新特点及设计方法的新发展

本文通过对一种新型高性能矿用局部通风机的设计、制造及试验全过程的综述,展现了新的先进设计体系在民用通风机上的成功运用,其研制特点是:(1)在叶片气动设计中为了降低叶根及叶尖区二次流损失,采用可控涡扭向规律设计,样机实测的高性能验证了这种方法的可行性和高效性;(2)在设计方法中采用较精确的数值反验算,获取最优设计方案,大大提高设计的准确性和成功率,并缩短了设计试制周期。      

轴流/离心压气机叶片通用任意中弧造型设计方法

开发了一种通用于轴流、斜流和离心式压气机叶片的任意中弧造型设计方法.该方法以通流计算的结果为基础,其优点在于可以通过调整通流设计的环量的分布,来获得所要求的气动性能,并最终生成与通流计算结果较为一致的三维叶型.修改造型控制参数可以同时实现对主叶片、分流叶片的造型控制,以及对叶型尾缘形状的控制.通过在微小型发动机压气机叶片设计中的应用,得到了比较理想的叶片.此外,该方法还可以用于压气机叶片的优化设计.