双激盘理论及其在轴流式弯掠动叶栅气动计算中的应用

轴流式弯掠动叶栅对主气流作用有一个不容忽视的径向分力。为此本文提出“双激盘理论”及相应的一套计算方法, 其中包括阻力系数及出口气流角值沿径分布的修正, 用来进行低速低负荷轴流式弯掠(即必须计及叶片径向分力影响的)风扇的设计和性能估计。用一个弯掠动叶和一个非弯掠动叶的风扇进行验证性试验, 结果表明:计算与实测值吻合甚好。      

大小叶片轴流级反问题设计及数值模拟

 在常规轴流级流线曲率法通流设计和任意中弧线叶型造型方法的基础上,引入了适合于大小叶片的当量扩散因子叶型损失模型,发展了用Miller-Lewis-Hartmann(M-L-H)模型分别计算大叶片和小叶片激波损失的复合激波模型,制定了大小叶片装配方法,建立了大小叶片通流反问题设计系统。用该系统对某级增压比为2.20的单级高负荷后掠风扇进行了后掠和前掠大小叶片改型设计。经计算流体力学(CFD)检验,维持后掠造型的改型,在不提高设计点增压比的条件下,级绝热效率相当,流量和失速裕度都得到了提高;而大小叶片结合前掠的改型,当考虑单排静子的最大载荷将设计级增压比提高至2.31时,级绝热效率略微降低约0.3%,流量略减,失速裕度则显著提高。算例也表明通流反问题设计系统适合于大小叶片轴流级的设计。     

小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振

从结构力学出发,对某发动机整体叶盘进行了盘片耦合振动特性分析,通过分析小展弦比带掠风扇转子叶片的共振转速、耦合颤振和失速颤振,发现了该小展弦比带掠风扇转子叶片存在2阶与3阶动频与静频振型发生变化的特殊现象,揭示了该小展弦比带掠风扇转子叶片为另一种耦合颤振的问题.通过对该小展弦比带掠风扇转子叶片的结构调整,找出了叶片前掠是该叶片发生此类特殊现象的重要影响因素,适当压缩该叶片的前掠后,从设计上避免了发生颤振的可能,提出叶片各阶频率的分离度需满足10％的设计要求.      

弯叶片对畸变条件下风扇性能影响研究

以跨声速风扇为研究对象,采用全周三维非定常数值模拟方法研究静叶根部20°正弯对总压畸变条件下风扇性能和流场结构的影响.通过对设计转速下风扇全工况进行求解,对比分析了静叶采用直叶片和弯叶片时设计点和近失速点的风扇性能和流场结构.通过与均匀进口条件的风扇性能对比,探讨弯叶片对风扇效率、稳定边界以及抗畸变能力的影响,重点研究弯叶片对动静叶流动损失的影响以及对级性能的影响和改善机理.研究表明,均匀进口时,根部20°正弯静叶可以改善风扇在近失速点附近的性能,而在设计点附近,弯叶片的作用不明显;进口总压畸变条件下,静叶根弯20°能有效改善风扇性能,提高稳定性;静叶根弯对流场的影响取决于具体的流场结构,流动状态越恶劣,弯叶片的作用越明显.     

级负荷系数为0.42的小流量轴流压气机 设计与试验验证

由于受限于“尺寸效应”,负荷增大使中小航空发动机压气机性能降低的特征较为明显,这对高负荷压气机设计提出了更大挑战.为深入研究小流量、高负荷轴流压气机,提出了2级高负荷轴流压气机的设计原则和总体要求.针对平均级负荷系数为0.42的高负荷特点,采用强根部、大反力度、低展弦比、叶片端弯和悬臂静子等气动设计方法以提高压气机性能.用全3D数值模拟方法对设计结果进行了校核,分析了其性能和流场结构.为了对设计、计算结果进行验证确认,对压气机进行了试验测量,计算与试验结果吻合良好.结果表明:高负荷轴流压气机设计点的压比为2.73,绝热效率为0.865,综合裕度为15.3％,达到了设计指标要求.     

高负荷低压风扇三维气动设计与损失分析

在给定的限制条件下,通过从S2反问题计算出发,依靠在粗、细网格上求解三维黏性Navier-Stokes(N-S)方程的设计方法完成了某高负荷、跨声速低压风扇的气动设计.该设计方法抛弃了准三元设计对损失模型的依赖,较快的实现了跨声速风扇的气动设计.在设计结果的基础上,对风扇流场结构的分析表明,动叶顶部激波,以及激波、泄漏流和附面层的相互作用是风扇损失的主要来源.全三维的弯扭叶片设计实现了静叶的高亚声大折转角扩压流动.      

超声速串列静叶积叠优化分析

在进口超声速、气流转折角大的高负荷条件下,静叶通道中激波强度高,激波、附面层干扰引起的损失大,且静叶中三维流动引起的径向载荷分布不均匀,易产生角区分离。叶片积叠优化是提高风扇性能的一项有效技术。采用数值模拟的方式研究了不同积叠形式对优化串列静叶沿展向激波结构,改善叶排间流动匹配的作用。三维流动对比分析可以得出:高负荷串列静叶采用正弓形积叠,叶片展向载荷分布合理,静叶端壁角区分离损失减小,前后叶片排流动匹配较好,风扇性能进一步提高。     

跨声速风扇的弯、掠三维设计研究

以某小型跨声速单级轴流风扇为平台,采用数值模拟的方法,研究并探讨了弯、掠三维设计技术对具有较高负荷的跨声速轴流压气机性能改善所起到的作用和抑制流动损失增加的机理.分别探讨了在动叶上半叶高和静叶端区采用不同的弯、掠形式对风扇设计点以及等转速线上的小流量工况性能的影响.研究结果表明:动叶上半叶高采用反弯设计能够有效改变动叶端区压力梯度,减少泄漏流在出口压力面侧的堆积,增加动叶顶部的通流能力.静叶端区采用前缘反弯和尾缘正弯的复合弯、扭技术,同时实现了端区增容和控制二次流发展的目的,随着流量的减小,弯、扭设计静叶更好地控制住了端区二次流的恶化,端区损失增长明显较直叶片缓慢,风扇的稳定工作范围得到提高.      

叶片弯掠对多级风扇气动性能的影响

利用数值模拟的方法,研究了多级环境中叶片弯掠对风扇整体气动性能的影响。研究过程将弯、掠叶片分别应用于某三级风扇的第二、三级静叶,以对比性能变化并研究其内在的流场作用机制。结果表明,多级环境中弯掠叶片排可通过改变沿径向密流分布对其它叶排施加影响;弯和掠都能借助低能流体迁移控制端壁流动,但掠叶片同时具有对主流的迁移作用,这就使得掠叶片对沿径向密流分布的影响要大于弯叶片;随转速下降,弯叶片的流体迁移作用被增强,掠则相反。此外发现,在多级环境中单独使用时可获得性能改善的弯掠叶片,组合应用后并未获得双重的性能收益。     

超声速风扇叶型设计研究

为了设计低流动损失超声风扇叶型,研制出基于数值最优化超声叶型设计软件.以叶型主要几何参数为叶型设计参数,针对轴向进气第一级风扇转子采用给定轮缘功、损失最小为目标函数.设计的优化叶型后面大部分呈平直因此气流转角小、减速增压完全通过激波实现.沿弦向叶片厚度逐渐增加使叶栅通道呈收缩,总体上使流过叶栅超声气流得到减速增压.优化叶型所构成叶栅流场具有多道激波、流动损失低.设计结果表明设计方法的可行性,并可为超声风扇叶型设计提供新思路.      

高负荷叶片弯曲对壁面流动的影响

测量了低展弦比高负荷涡轮直叶片和正、反弯叶片叶栅端壁和叶片表面静压及流道内损失沿流向的发展, 并对端壁和叶片吸力面上的流动进行了墨迹显示。实验结果表明:叶片正弯增大了叶栅进口段逆压梯度, 并在叶片吸力面前部形成反“C”型静压等值线, 加剧了叶片前缘的鞍点分离和吸力面分离线向叶栅中部的收敛。叶片反弯减小了叶栅进口段逆压梯度, 在吸力面进口形成垂直于端壁的静压等值线, 不仅削弱了鞍点分离, 而且造成吸力面上的自由涡层型分离, 避免了吸力面上、下分离线相交, 因此二次旋涡损失大为降低。      

小展弦比前缘后掠或前掠叶片的研究和发展

叶片发展趋势为提高发动机的推重比,要求提高风扇和压气机的级压比。而提高级压比最有效的技术措施是提高叶片旋转速度,但这会增加与激波有关的损失,并容易引起叶片振动和强度问题。为保持合理的气动效率和改进工作可靠性,出现了小展弦比后掠叶片等新的气动布局和造型。这一发展趋势既与风扇或压气机发展的历史进程一致,又符合技术发展的内在规律。国外70年代以来几个典型的风扇级参数统计如右表。由表中可见,随着级压比的提高,叶尖速度相应提高,叶片也随之向小展弦比前缘后掠（或前掠）方向发展。80年代以来,美国小展弦比后掠叶片…     

高负荷风扇叶片重心线调节对叶片强度和气动性能的影响分析

探讨了通过调整叶片重心线沿周向的积叠,控制叶片强度和振动性能的方法;以某高负荷风扇叶片为例,验证了该方法在高负荷叶片设计中的有效性;并对比分析了重心线调节对转子气动性能的影响,探讨了其内在流动机制。建议将叶片设计流程中叶片造型与结构分析作为一项工作完成。重心线调节法可应用于高负荷叶片设计。     

低反动度高负荷超声速轴流压气机气动设计方法

对超声速轴流压气机的发展历程进行了总结,分析了两类传统超声速压气机内部流动特点及其所存在的流动问题,并对未来超声速压气机的发展提出了展望.针对超声速压气机内部流动特点,提出了一种新的低反动度高负荷超声速轴流压气机气动设计原理.该原理可有效避免在动叶中进行流动控制,同时降低动叶出口绝对马赫数,并结合附面层抽吸控制静叶栅内部流动,最终实现级的高负荷气动设计.利用该原理进行设计验证,三维黏性数值模拟结果表明:在叶尖切线速度为360m/s的前提下,实现了2.3的级压比,级效率为86.5%.      

基于弯曲叶片的燃气涡轮导叶数值研究

采用三维数值方法,对小展弦比、考虑冷却的燃气涡轮弯曲导叶进行了三维流场模拟,通过对比分析不同的叶片弯曲方案,以探讨叶片弯曲控制二次流动、减小损失的机理。结果表明,由于导叶的径向二次流影响范围较小,正弯设计对叶栅气动性能的改善效果优于反弯;正弯设计能有效降低上端区的损失,最大降幅接近5%,而正弯和反弯设计都对下端区流动和损失影响较小。采用正弯设计后叶片吸力面的冷却效果变化不大,但显著降低了压力面的冷却效果,使得高温区域增加。     

弯掠叶片气动性能的实验研究

与直叶片相比较 ,对一种具有前掠和正弯积迭线的独特的压气机叶片进行了实验研究。在不同位置采用五孔探针测量了两种叶栅的气动参数并在叶片表面做了墨迹流动显示。结果表明弯掠叶栅端部损失降低而叶展中部损失增加 ,但相应的端部扩压因子有所减小。此外该叶片吸力面上形成了有助于防止低能流体在角区积聚的反C型压力分布。弯掠叶栅改善了端壁角区内的流动并显著降低了叶栅总损失     

某复合掠形风扇设计与内外函数值模拟研究

采用任意中弧线叶片造型程序,将某单级跨声、常规设计的风扇改进为复合掠形设计.在改进设计过程中,通过调整风扇关键设计参数的分布,从设计上降低了激波及其关联的损失,克服了该风扇高相对马赫数与低损失、高效率的矛盾.内外函数值模拟结果表明,设计转速的风扇效率略微降低,但起飞转速的风扇效率得到显著提高,并且有效地改善了风扇/增压级的内外函气动性能匹配.      

单级压气机气动优化设计

针对单排叶片气动优化设计难以保证级性能的问题,对一单级跨声速压气机进行了动静叶匹配的同时优化设计。以动叶中的掠、倾,静叶中的弯为设计自由度,对NASA Stage35进行了以气动设计点与峰值效率点为优化点的多工况气动优化设计,得到了动叶前掠、静叶向压力面侧弯曲的优化压气机级,其全工况性能均有不同程度的改善。     

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。     

高负荷风扇级环境下叶片反问题设计

在对国内外各类叶片三维反问题深入分析的基础上,针对高效、高负荷风扇的设计需求,提出了级环境下风扇叶片三维反问题设计的技术思路。以高压比单级风扇为例,利用数值模拟、流动分析等技术手段,采用从基元截面、单排到单级环境逐步深入的方式,对级环境下三维反问题设计方法的可行性进行了验证,初步探索了级环境下叶片载荷分布规律,进一步发展并完善了高效、高负荷风扇叶片的三维反问题设计技术。