气动变量参数化的压气机转子三维数值优化

采用"试验设计+响应面模型+遗传算法"的优化设计体系,结合压气机设计常用的叶片造型程序和流场模拟软件,搭建了轴流压气机叶片三维优化设计平台,并对某涡喷发动机加零级压气机的零级转子进行了优化.优化目标为极大化转子的设计点绝热效率.约束条件为流量、增压比基本不变.分别以相对气流角和气流脱轨角作为优化自变量,进行了两个算例的优化.即为与现代设计系统相接轨,不同于叶片几何参数优化,取设计中具有物理含义的气动参数作为优化自变量.优化后的绝热效率分别提高了0.82和0.73个百分点.      

压气机加级设计的匹配问题

对一台下游加级的三级压气机级间匹配问题进行了分析研究。加级后压气机前、后段间的流量不匹配主要是由压气机的放型设计、叶片弹性变形和低展弦比叶片的非定常效应三个因素造成的。用压气机切顶试验进行了验证 ,流量匹配性改善后压气机的喘振裕度提高 5.8个百分点     

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.     

航改燃气轮机高低压压气机匹配技术研究

为适应航改燃气轮机研制需求,对其高低压压气机匹配技术进行了深入分析和研究.在完成设计压比相差大的高低压压气机设计特点和匹配特点研究基础上,利用多软件数值模拟和理论分析相结合的方法,制定了设计压比相差大的高低压压气机匹配的技术措施,并将技术措施落实到了全新设计的5级低压压气机设计中.5级压气机试验件试验结果全面达到或超过了设计指标要求,同时经燃气发生器技术平台验证结果表明:高低压压气机匹配良好,相关匹配设计技术为今后航改燃气轮机的研制提供了技术储备.     

氦气压气机高压级实验研究及性能分析

针对高温气冷堆(HTGR)一回路氦气轮机直接发电装置的氦气压气机中,工况最为恶劣的高压级进行性能研究。首先通过实验方法研究了高压级实验叶栅的气动性能,然后采用数值模拟的方法进一步分析其性能,给出了40%～130%设计转速的流量-压比和流量-效率特性曲线,并进行了叶栅内部流动分析。实验研究和数值模拟结果表明,此氦气压气机高压级性能较好,可应用到氦气压气机整机研制中。     

周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级模拟研究

基于多级轴流压气机的逐级特性,建立了进口周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级计算模型.对总压畸变条件下转子叶片攻角变化、级间周向流动和压气机出口耦合效应进行了数值分析,讨论了周向稳态总压畸变沿轴向衰减、级间周向侧流变化、失稳首发级和压气机出口耦合效应对压气机特性的影响.应用本模型方法对8级轴流压气机进行了详细的数值分析,计算结果表明,该模型方法是合理、可行的.      

基于超声速冲动式转子的下游静叶气动设计方法研究

针对超声速轴流压气机,分析了两类传统超声速压气机转子的内部流动特点.为有效解决超声速冲动式转子出口绝对马赫数过高,下游静叶设计困难的问题,提出了两种该类转子的下游静叶气动设计方法,并利用该方法对一冲动式转子进行了静叶匹配.基于数值模拟手段,对匹配结果进行了验证分析.三维粘性的数值模拟结果表明,该设计初步实现了最初设想的流动状态.其中,对于第一种静叶气动设计方法,在实现超声速入口来流降为亚声速但气流在静叶中折转可以忽略的情况下,实现了一级压比不低于2.2、级效率不小于82％的超声速压气机级设计;对于第二种静叶气动设计方法,实现了一级压比不低于2.1、级效率不小于77％的超声速压气机级设计.对于上述两种静叶设计方法,考虑到静叶入口存在正激波时级效率最高,因此该设计方法并没有达到有效降低静叶入口激波损失的目的.     

高负荷轴流压气机设计与试验验证

为了提高高负荷轴流压气机气动性能,探索高负荷压气机设计方法。首先,对高负荷压气机轴向载荷和参数分布进行研究与筛选优化;然后,利用二维正/反问题设计与分析方法优化压气机载荷展向分布;最后,利用三维流场分析方法进行精细分析,从而使高负荷压气机级间参数达到良好的匹配。将该方法应用于一台高负荷压气机设计中,并将试验值与计算结果进行了比较分析。结果显示:该技术有效地提高了压气机全工况的性能,使压气机各级工作在合理的参数下,相对于第4代发动机的压气机平均级压比提高了16%,效率提高了1%。     

超跨音压气机研究的发展

本文就近20年来超跨音压气机级研究的发展,进行了一定范围内的调研,对设计与性能作出一些分析与讨论,并提出进一步研究的建议,以供设计参考。     

压气机转子叶片叶尖流场的低速模化设计

针对带进口导叶的高速压气机第1级转子叶片的叶尖流场进行了低速模化设计,为后续的低速压气机叶尖流场损失和失速测试试验做了准备.利用叶片造型和数值模拟方法,以保证高、低速压气机转子叶片表面压力系数及叶片排进、出口主要气动参数分布相似为目标,对高速原型压气机进行低速模化设计,包括调整流道形状,对叶型进行反复迭代,并在进口导叶和1级转子叶片的造型设计上突破了几何相似的限制.最后,对高低速压气机的几何、气动参数和流场结构进行了全面的计算对比分析,证明采用所提出的低速模化设计方法是成功的,实现了在流量系数相同的情况下,加工量因子和转子扩压因子分别为98.16%,94.95%的相似度.      

插板进气畸变与压气机的耦合数值模拟

为了探索进气道/发动机一体化设计方法,发展了一种压气机与进气畸变耦合计算的方法.首先从压气机基准流场雷诺平均Navier-Stokes(RANS)仿真结果中提取压气机叶片对气流的作用力,建立压气机全通道体积力模型.再将压气机体积力模型加入到流体计算软件CFX中,实现插板进气畸变与压气机的耦合计算.与实验结果对比表明:压气机体积力模型能有效模拟压气机与上游畸变流场的耦合作用,相比传统的全通道RANS计算能减少近2个数量级的计算网格数.      

单级压气机性能衰退定量研究

压气机叶形改变会导致其性能的下降.以往计算其性能衰退通常假定叶形表面变化是均匀的,或在性能模型中引入损失系数,结果会产生误差.采用在易积垢部位增加随机尺寸的方法来模拟叶片积垢等原因造成的形状改变,并分析了叶片积垢、叶顶间隙增大等因素对压气机性能的影响.通过仿真获得了压气机在各种不同工况下性能定量衰退程度,以及压气机叶片表面气流流场、总温的变化情况.结果对发动机性能衰退研究和故障分析具有一定的理论与应用价值.      

用卡尔曼估值对航空发动机喘振状态预报研究

针对压缩系统的Greiter非线性模型,采用卡尔曼估值理论的方法对压缩系统进行状态估值,提出某一喘振判定准则下超前预报压气机将来某一时刻是否发生喘振,即喘振预报。     

燃气涡轮发动机压缩系统稳定性数值模拟的研究

论发展了一种预测航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的数学物理模型。其中压缩系统流动过程的动态模型采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程；叶片排对流动过程的影响则应用“激盘－滞后－容积”模型；压缩系统稳定性模型则采用了对整个压缩系统统一判别的方式。计算过程与发动机非设计性能计算相关联，使得压缩系统稳定性分析在真实的发动机运行环境（调节规律）下进行。在均匀进气条件下应用这种方法，对一台九级压气机的涡轮喷气发动机和一台三级低压风扇、五级高压压气机的低涵道比、混合排气、带加力的涡轮风扇发动机在均匀进气和畸变进气条件下的稳定工作边界，分别进行了数值模拟和分析。结果表明，发展的数学物理模型和计算机软件系统可以正确的反映发动机压缩系统的工作状况，用它判别发动机不稳定工作点的重复性和灵敏度都比较好。     

虑及多转速的核心机转子高速动平衡试验

为满足航空发动机整机动平衡对转子不平衡振动精稳抑制的需求，采用虑及多转速状态的转子高速动平衡优化配平方 法，开展了核心机转子动平衡试验。以核心机转子系统为对象，研究在高压压气机转子第4、9级盘上配重抑制高压涡轮振动的可 行性。综合考虑核心机转子在多转速下的振动状态，以残余振动平方和及残余振动最大值为目标函数，采用优化算法对配平方案 进行优化，制定了核心机转子高速动平衡方案。在核心机转子系统试验台上分别进行了单平面-单转速、单平面-多转速、双平面- 单转速以及双平面-多转速动平衡的试验。结果表明：采用虑及多转速状态的转子高速动平衡优化配平方法能使因不平衡引起的 核心机转子振动在工作转速区间内均有所减小。     

涡轴/涡桨发动机压气机流动特点与发展趋势

首先,介绍了涡轴/涡桨发动机的现状与发展历程以及涡轴/涡桨发动机压气机的主要结构形式与技术特点。其次,从压气机的内部流动特点角度,详细介绍了涡轴/涡桨发动机组合压气机中的轴流级相比大推力涡扇发动机轴流压气机的内部流动特点与流场改善措施,及涡轴/涡桨发动机普遍采用的离心压气机中离心叶轮和扩压器的内部流动及匹配的特点。然后,对涡轴/涡桨发动机压气机内部流动失稳和扩稳措施进行了分析。最后,对未来的涡轴/涡桨发动机压气机的发展趋势进行了展望。     

轴流压气机设计技术的发展

轴流压气机是涡扇发动机的核心部件，由于其涉及技术面广、研制难度大，一直是发动机研制中的瓶颈技术。本文回顾了轴流压气机技术的发展过程，介绍了压气机设计的关键技术，并对未来高负荷先进压气机将要采用的新技术进行了展望。     

深冷组合发动机吸气模态最大状态控制规律研究

为了研究深冷组合循环发动机吸气模态最大状态控制规律,基于部件法建立了发动机热力学计算模型,依据整机共同工作条件确定了发动机非设计点计算的变量与平衡方程。根据工质间的相互影响关系,提出了以氦压气机转速和氦涡轮前温度为控制变量的双变量控制规律。在考虑发动机机械负荷、气动负荷、热负荷及压气机稳定裕度等限制的条件下,根据制定的最大状态控制规律,完成了高度特性和速度特性的计算。根据限制条件计算得到了发动机的工作包线,并指出了最大状态控制规律的区域划分。最后,将控制规律应用于工作包线内,获得了压气机转速、换算转速及工质流量等参数的分布规律。结果表明：工作包线上下边界分别取决于氦压气机喘振裕度限制和空气压气机换算转速下限,右边界限制取决于换热器1氦气出口温度上限。深冷组合循环发动机最大状态控制规律应划分为2个区域,分界线满足以下条件：空气压气机和氦压气机换算转速同时达到最大值。分界线以上空气压气机达到最大工作状态,分界线以下氦压气机达到最大工作状态。空气压气机进口参数是决定控制规律分界线的主要因素。     

多级轴流压气机级增压特性监控及其应用

提出了多级轴流式压气机级增压特性监控方法,以判断给定工况下存在流动异常的压气机级.对某涡喷发动机试车数据进行分析,结果表明该方法能够确定发动机转速设定变化时压气机中流动状态发生异常的级.将该方法用于试验发动机放气带开关控制,得到了理想的结果.分析表明:压气机级增压特性监控在喘振边界检测、发动机瞬态过程调节、压气机级一级的流动控制中具有一定应用前景.