吸附式低反动度超、跨音速轴流压气机气动设计原理及其验证

当增加动叶转角以进一步提升超、跨声速轴流压气机级负荷时,为解决其内部流动问题,提出了吸附式低反动度超、跨声速轴流压气机气动设计原理。分析了在该气动设计原理指导下,级内参数的演变规律与相互影响。利用该气动设计原理完成了一高负荷超声速轴流压气机气动设计,三维粘性数值模拟结果表明,在叶尖切线速度370m/s的前提下,实现了一级压比2.5,效率87%的压气机级设计。      

吸附式低反动度轴流压气机气动设计原理

针对亚声速及超、跨声速轴流压气机,全面论述了吸附式低反动度轴流压气机气动设计思想,指出了该思想的具体实现形式、应用条件以及各参数之间的相互影响.指出针对亚声速轴流压气机,可利用动叶出口轴向速度提升或增加动叶入口正预旋以降低动叶中扩压因子从而确保动叶流动效率;而针对超、跨声速轴流压气机,可通过提升动叶入口激波后的轴向速度实现气流在动叶中大幅折转并保证动叶效率.其出口轴向速度选取,需兼顾动叶效率以及下游静叶栅入口马赫数以及气流角需求.最后总结了吸附式低反动度轴流压气机的研究进展.      

吸附式低反动度轴流压气机气动设计方法在多级轴流压气机中的应用

随着对吸附式低反动度轴流压气机内部流动细节的逐步深入,进一步完善了多级吸附式低反动度轴流压气机气动设计思想,完成了3级吸附式低反动度轴流压气机气动设计.三维黏性的数值计算结果表明:在第1级动叶入口叶尖切线速度为370m/s的前提下,通过只在首级静叶和末级静叶中进行附面层抽吸,实现了总压比为6.1的3级吸附式低反动度轴流压气机气动设计.附面层总抽吸流量占入口流量的11.3%.在不考虑附面层抽吸对流动效率影响的前提下,3级效率达到88.1%.      

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%.      

一种对转压气机气动设计方法及其验证

结合附面层抽吸技术提出了一种高负荷对转压气机气动设计方法.在高负荷设计前提下,为避免在转动部件中进行附面层抽吸所带来的诸如强度等问题,利用基于动叶出口轴向速度提升的低反动度压气机气动设计原理,提升动叶出口轴向速度以确保动叶效率,附面层抽吸只在静叶中进行.利用该对转压气机气动设计方法,进行了一对转压气机气动设计验证.三维黏性数值模拟结果表明,在第一列转子与第二列转子叶尖切线速度分别为370m/s与350m/s的前提下,实现了总压比为5.85,效率为88%的两级对转压气机气动设计.     

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.     

多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法

为提高多级轴流压气机气动性能,采用轴流压气机叶片全三维粘性反问题求解方法,对多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法进行了研究。以压气机级出口旋流角为设计目标,叶片表面载荷分布为设计对象,通过动量矩守恒方程,建立起叶片出口旋流角与叶片表面载荷分布的关系,从而实现计算过程中载荷的自动调整,修正气流在叶片出口旋流角分布。为了让压气机每一级都工作在设计给定的进口条件下,对上游级静子叶片进行反问题改型设计,使得其出口旋流角分布满足设计给定值。为了验证方法的有效性,采用四级高压压气机作为算例,对其初始设计进行反问题匹配改型设计。通过计算,修正了三个级间位置的旋流角分布,改善了下游级进口工作条件。气流在改型后压气机内部流动更加符合设计意图,级与级之间流动匹配更好。与原型相比,总压比和绝热效率分别提高了2.8%和1.3%,验证了方法的有效性。     

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.     

小流量多级轴流压气机气动性能的数值分析

以某小流量8级轴流压气机的气动设计方案为研究对象,采用三维粘性数值模拟方法进行了设计转速的气动性能计算,并将数值结果与设计方案进行了深入的对比分析。数值研究表明:该压气机的堵塞流量、总压比及效率均低于设计目标,前4级的设计和匹配是压气机堵塞流量较小的主要原因,后4级的设计和匹配是压气机总压比较低的主要原因。多级轴流压气机的匹配是性能达标的关键,需进行进一步的分析和改进。     

考虑静叶封严泄漏对压气机端区影响的三维叶片优化

鉴于静叶叶根封严蓖齿间隙的泄漏对压气机端区所产生的不利影响,取某带静叶封严结构的双级轴流压气机为研究对象,采用遗传算法对其进行了气动数值优化.优化自变量为所选双级轴流压气机的后面级静叶近轮毂区叶型的安装角和前缘角,优化目标为极大化该双级轴流压气机的等熵效率.优化后,双级轴流压气机设计点的等熵效率提高了约0.2个百分点.所优化的静叶近轮毂处呈现出了明显的端弯效果.双级轴流压气机性能改善的主要原因是,通过对后面级静叶根部叶型的调整,使其端区来流的攻角值落在了该叶型的最优设计攻角的附近.     

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.      

多级环境下轴流压气机反方法改型设计

基于全三维黏性流场求解,对多级轴流压气机叶片反方法改型设计技术进行了研究。介绍了所采用的数值求解方法,之后阐述了压气机叶片反方法设计的基本原理和流程。为验证方法的有效性,对某型高压压气机后四级初始设计结果进行了数值模拟和反方法改型设计,基于对数值结果的分析提出了多级环境下叶片表面载荷分布调整的具体方法。反方法改型设计结果表明,通过合理调整多个叶片表面载荷分布,提升了四级压气机整体气动性能。设计点绝热效率基本保持不变,压比提高6.57%。      

压气机引气模拟方法及引气结构的数值研究

为研究引气对于压气机设计的影响,以某高压压气机引气级为研究对象,通过对比源项引气模型与构建真实引气结构两种数值仿真方法的差异,并用构建真实引气结构的数值仿真方法分析了不同引气结构对压气机性能和流场的影响。仿真分析结果表明：两种数值仿真方法计算得到的压气机引气级的性能和局部流场均存在较大的差异,在压气机气动设计分析中应该采用构建真实引气结构的数值仿真方法。引气结构和主流道的夹角对主流区域叶尖位置的流场和压气机引气级的性能有较大影响,并且对引气管路内的流动分离程度也有较大影响,当此夹角为45°时,主流区及引气管路内的流动损失均最小。     

Numerical design optimization of compressor blade based on ADOP

An aerodynamic design optimization platform(ADOP) has been developed.The numerical optimization method is based on genetic algorithm(GA),Pareto ranking and fitness sharing technique.The platform was used for design optimization of the stator of an advanced transonic stage to seek high adiabatic efficiency.The compressor stage efficiency is increased by 0.502% at optimal point and the stall margin is enlarged by nearly 1.0% at design rotating speed.The flow fields of the transonic stage were simulated with FINE/Turbo software package.The optimization result indicates that the optimization platform is effective in3Dnumerical design optimization problems.      

采用高负荷弯曲静叶的压气机改型研究

采用适合高亚音速气流进口的大折转角弯曲静叶对某型高负荷风扇级进行改型设计,使用单列弯曲静叶代替原型级中的串列静叶。采用三维成型技术设计弯曲静叶,引入叶片局部修型措施控制和改善栅内流动,通过数值模拟三维流场得到原型级和改型级的设计转速特性线和设计点的气动性能。研究结果表明:采用三维成型的高负荷弯曲静叶在优化压气机结构的同时也提高了压气机的气动性能,将是研发高性能压气机可采取的重要措施之一。      

某小型离心压气机气动设计

针对无人机动力装置的需求,为某小推力的涡轮喷气发动机进行了单级离心压气机的气动设计.所用的压气机设计方法为:从一维的热力计算出发来进行流道结构设计,以二维通流计算为基础,通过调整各排叶片的环量分布,来获得所要求的气动性能,并通过叶片任意造型最终生成与通流计算结果较为一致的三维叶型,最后通过三维计算流体动力学(CFD)计算来分析气动设计的性能结果.最终设计出的离心压气机在设计点的各项性能参数均达到了设计要求,并且在各个转速下压气机的特性线比较平缓,压气机有较为宽广的稳定工作范围.      

基于低雷诺数条件的风扇/增压级气动设计

本文针对低雷诺数工作条件下的某风扇/增压级进行了通流设计、流道结构设计、各叶片排叶片几何设计及三维数值模拟。在完成气动设计循环、确定风扇/增压级流道结构形式和叶片叶型几何造型等根据设计需求进行的工作之后,使用商用软件NUMECA对该风扇/增压级12 km、0.6 Ma飞行条件100%和95%折合转速以及地面标准大气条件86.6%(简称87%)和80%折合转速的特性曲线进行了数值计算。前者用于考察巡航状态性能及流场特征,后者对应于地面起飞的最大状态。就目前设计方案的三维数值模拟结果表明,外函完全达到了设计需求指标的要求,内函除效率外,其它均达到设计要求。     

基于伴随方法的单级低速压气机气动设计优化

采用梯度方法对某型4.5级压气机最后级进行气动设计优化研究，梯度由连续伴随方法计算确定，多排伴随方程采用伴随掺混面模型进行数值求解。首先，采用基于经验修正的初步设计方法设计带进口导叶的4.5级低速、低压缩比压气机的原始气动外形。之后，在压气机近失速工况对最后级静子叶片进行伴随气动设计优化，通过优化叶型和安装角降低流动损失，目标函数定义为加权求和形式的熵增和流量偏差，优化中对流量进行约束。最后，开展基于伴随方法的多工况气动设计优化研究，改善两个不同转速条件下最后级的气动性能。优化结果表明，基于伴随方法的多排气动设计优化可以通过改变叶片气动外形提升多排全工况气动性能。     

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。      

超声速低反力度吸附式压气机变工况特性

为探讨非设计点的气动性能,以某3级高负荷低反力度吸附式压气机首级超声速级作为研究对象,借助数值模拟的方法,分别研究了变转速、变抽吸量以及近失速点首级超声速级参数以及内部流场的变化.结果表明:变转速条件下,基于低反力度设计概念研制的吸附式压气机所采用的抽吸方案仍能适应设计要求;减少抽吸量,在降低本级气动性能的同时,增加了其与下一级流动匹配的难度;通过在端壁抽吸槽道前段添加附加抽吸槽道/孔可进一步拓宽吸附式压气机的工作范围.