航空发动机风扇/压气机技术发展的若干问题与思考

未来10~20年我国航空发动机科技将迎来千载难逢的发展机遇,必须做好充分准备。以航空发动机核心部件--风扇/压气机气动领域为重点,首先,从设计方法、理论、设计性能指标发展以及气动力学仍存在的疑问角度出发,梳理了其国际发展态势;随后,针对基础研究、创新能力等方面,阐述国内发展现状与存在的问题;最后,分析给出关于风扇/压气机后续发展的方向、思路和重点,力求为我国军民航空发动机风扇/压气机的技术研制思路提供参考。     

压气机级间温度传感器的校准技术研究

针对压气机级间温度传感器的校准问题进行了讨论.首先针对压气机级间温度传感器的测量误差讨论了标准温度传感器的一些设计要素,并在此基础上提出了一种用做参考标准的双屏直吹式温度传感器;接着讨论了校准方法,一些校准中需要注意的细节问题也被提到,部分校准结果也被列于文中;最后,根据校准结果提出了一些建议以及进一步的研究方向.     

转静干涉对叶片非定常表面压力的影响

为了研究转静干涉对叶片表面压力的影响,通过数值模拟的方法,计算了一级低速轴流压气机流场,得到了充分收敛的周期性非定常流场解。在此基础上分析了叶片表面压力及气动力的变化规律,并通过改变背压,研究了流量对叶片表面压力和气动力的影响。最后在低速轴流压气机实验器上进行了实验验证,结果表明计算和实验的结果吻合得较好。     

非均匀栅距对轴流压气机流动影响的数值研究

本文进行了非均匀栅距叶片排的轴流式压气机流场数值研究,进口导叶采用了不同的非均匀栅距结构,探讨了不同工作状态下对压气机性能及动叶非定常气动力的影响。数值研究中采用LU-SGS隐式解法与双时间方法相结合,求解圆柱面二维流动的雷诺平均非定常N-S方程。数值研究的结果表明,进口导叶非均匀栅距结构对压气机气动性能影响不大,但对动叶表面受到的非定常气动力有一定影响。采用不同的非均匀栅距进口导流叶片排结构型式,动叶表面的非定常气动力的分布是不同的。不同工作状态下的计算结果显示,即使采用相同的非均匀栅距结构,非定常气动力的分布特性也是不相同的。     

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。     

风扇/压气机技术发展和对今后工作的建议

风扇 /压气机是航空涡轮发动机的关键部件之一 ,高推重比发动机对它们提出了更高的要求 ,出现了一些新的技术问题需要加以研究解决。本文评述了风扇 /压气机的发展趋势 ,对于提高其性能的主要措施如高叶片速度 ,低展弦比 ,高通流进口级 ,掠形叶片技术 ,大小叶片气动布局等都作了详尽程度不同的评述。风扇 /压气机内的非定常流动不仅影响气动性能 ,而且影响可靠性 ,如高周疲劳、失速和颤振等 ,应加强研究。现代计算流体力学为我们提供了跨越式发展的可能性。本文对今后工作提出了建议。     

轴流压气机机匣变形对多排转子流场特性的影响

在实际轴流压气机加工、装配、使用过程中,机匣的圆度控制、叶片的高度控制、转子和机匣之间的同轴度控制等都普遍存在误差,意味着叶尖间隙的不均匀性必然地存在于每台压气机中。随着对轴流压气机流动研究的不断深入,叶尖周向非均匀间隙成为了需要考虑的问题。针对由机匣变形造成的非均匀叶尖间隙,研究了其对多排转子流场特性的影响。首先介绍了表征机匣变形程度的新参数,进而引进了非轴对称压气机模型的建模方法。针对3种不同的间隙周向布局,采用定常和非定常方法进行了数值模拟,对比了均匀与非均匀间隙下多排转子的气动性能,分析了机匣变形对气动损失分布和传播的影响,并研究了非均匀间隙下非定常压力和气动力的脉动特征。结果表明：非均匀间隙会降低转子性能,转子叶排叶尖区域的流场在非均匀间隙下呈现明显的周向非对称性,在上游叶排“尾迹”的干扰下,后排转子叶尖流场的周向非对称性要大于前排转子。非均匀间隙布局与各叶片气动力分布呈现明显的对应关系,小间隙区域叶片的气动力高,大间隙区域叶片气动力相对较低,从而增加了非均匀间隙下转子叶片的气动力幅值。     

多级轴流压气机内部噪声测试及频谱演化特征分析

主要研究压气机高压一级转子叶片出现非同步振动前后,压气机流道内部的噪声特性.利用声波导管系统,分别对某型涡扇发动机整机和压气机部件试验中压气机流道内部噪声进行了测量.对转子叶片振动前后噪声信号的频谱、特征频率处的声压级和总声压级的演化过程进行了详细分析,并与国外相关研究做了对比.分析结果表明:两种试验条件下压气机高压一级转子叶片出现非同步振动现象前后压气机流道内部噪声特性呈现相似的特征,进一步分析得知诱发压气机高压一级转子叶片非同步振动的声源可能仅存在于压气机局部范围内,激励可能是由气动力引起的并与旋转不稳定性有关.     

上游转子对下游静子叶片气动力的影响

为了研究轴流压气机上游转子对下游静子干扰产生的叶片非定常气动力的大小和频率的变化规律,采用在静子叶片表面埋设微型动态压力传感器的方法,在一台低速单级轴流压气机实验器上进行了静子叶片表面压力的测量。测量覆盖了不同轴向间距、不同转速下从近堵塞到近失速的宽广范围,并对实验测量得到的静子叶片非定常气动力进行离散傅里叶变换,以分析其频谱特性。通过对实验结果的分析,初步认识了流量、轴向间距及转速等因素对轴流压气机转/静干扰影响的规律。     

离心压气机管式扩压器研究进展及评述

紧凑高效的扩压器设计非常具有挑战性,成为制约高压比离心压气机应用于工程实际的主要技术障碍。管式扩压器是解决高压比离心压气机扩压器设计难题的有效手段。目前管式扩压器已经在国外先进中小型航空发动机中得到了应用,有效地提升了离心压气机性能。本文从管式扩压器设计参数对压气机性能的影响以及管式扩压器内部复杂流动机理研究两个方面对管式扩压器的国内外研究进展进行了回顾,讨论了管式扩压器内部流动机理及其对离心压气机性能的影响,并指出了管式扩压器研究的发展趋势。     

航空发动机压气机声共振现象初探

航空发动机压气机声共振机理十分复杂,涉及到“气动-结构-声学”的多物理场耦合问题,能导致压气机叶片疲劳破坏,危害巨大,近年来已经成为国外压气机气动、振动、声学领域的研究热点。综述了国外流体诱发腔体发声机理的研究进展,分析了国外航空发动机压气机声共振的研究现状,总结了单级、多级压气机声共振现象的主要特征,并结合中国某型压气机的试验结果,进行了气动、振动、噪声等物理参数的特征分析,认为某型压气机虽然存在着某些独特的问题需要深入研究,但其故障特点与近年来国外开展的声共振现象具有很强的相似性,即认为该型压气机工作中可能存在声共振现象。     

基于正反问题耦合的压气机特性快速预测方法

提出一种基于正反问题耦合的压气机特性快速预测方法,根据压气机一维设计理论,通过对满足流量及压比设计指标的反问题求解快速得出压气机的气动布局方案,在此基础上结合非设计点损失和落后角模型通过正问题求解得出全工况压气机特性,再根据预测特性与目标的偏差调整气动布局方案,以此通过对正反问题的耦合求解实现对压气机特性的合理快速预测...     

对转压气机转子间不同转差下非定常流动的PIV测量

针对转压气机前后转子不同转差下的转子间流场分布有其自身特点,本文采用粒子图像速度仪(Par-ticle Image Velocimetry,PIV)测量前后级转子等转速及不同转差下级间通道内的流场结构,并对测量结果进行了分析.结果表明:不同转差条件下压气机转子间流场分布随转差及相位呈现较为明显的变化,前级转子叶栅尾迹分...     

高负荷压气机叶栅内三维旋涡结构及其形成机理的研究进展

压气机内的三维流场中存在着复杂的旋涡运动及气流分离,这些复杂的流体运动影响着压气机的高效及稳定运行,有必要了解并掌握压气机内旋涡结构的产生与发展机理。本文首先回顾了叶轮机械内经典的旋涡模型,重点综述了压气机叶栅旋涡模型的研究成果。然后,详细介绍了在矩形扩压叶栅和跨声速压气机静叶的旋涡结构方面取得的阶段性研究成果,分别讨论了三维旋涡结构的三种研究方法,验证了数值计算获取叶栅旋涡结构的可靠性,阐述了高负荷矩形扩压叶栅旋涡结构与流动损失的关联性,建立了跨声速压气机静叶三维定常旋涡结构模型,揭示了压气机静叶失速过程的涡动力学机理,并分析了非定常因素对静叶旋涡结构的影响规律。最后,针对今后在压气机旋涡结构的发展中会遇到的技术挑战和未来的发展方向做了几点展望。     

多动态参数同步测试系统构建及其应用

压气机试验过程中虽经常需要进行气动、振动、噪声等多种动态信号的测试与分析,但多是孤立进行的,信号的同步测试和统一分析面临困难。因此对一些多物理场耦合现象研究缺乏手段,不能完成细致的描述。本文主要针对这一问题,提出了一种可直接用于工程的多场动态信号统一同步测试分析方案。首先简要描述了动态测试技术在压气机气动非定常现象导致的气动、结构失稳研究方面所起到的作用,说明了针对压气机非定常现象进行多物理场动态信号同步测试分析技术研究的必要性。其次完成了多物理场动态信号同步测试分析方案设计,解决了时间同步、相位修正和同步测试分析等关键问题。最后将其应用于某航空发动机压气机的非定常故障机理研究方面,取得了较好的应用效果,充分展现了该动态测试平台在压气机非定常现象研究方面的广阔应用前景。     

压气机周期性动态畸变的理论研究

本文建立了周期性动态畸变下压气机内的流场模型, 提出并分析了流动模型的频响问题。并对一实际的两级低压压气机进口总压周期性动态畸变在多种频率下进行了数值模拟。计算与实验表明: 两者不论是总压幅度还是相位均符合较好。      

On management and control of turbulent shear flows

Concepts of turbulent flow control have become of growing importance during the last few years, following increased interest in the detailed structural scenario of turbulence—in particular our improved understanding of coherent structures on the one hand (the prerequisite), and a need for improvement of technological processes on the other (the goal). These considerations have mainly been followed by engineers and physicists concerned with problems in aerodynamics. It is our aim to draw the attention of a wider group of engineers to turbulent flow control in order to speed up the transfer of knowledge from aerodynamics to applications in other fields of engineering.

In this paper an attempt is made to compile a major body of the available knowledge on flow control in separated and wall bounded turbulent flows. After a brief introduction of the basics of control theory (Section 2) and of the major flow structures and their stability characteristics (Section 3) free and wall bounded turbulent shear flows are discussed (Sections 4 and 5). This discussion summarizes the main relationships between structure and flow behaviour and shows possibilities of influencing properties of these flows such as increasing mixing or avoiding separation.     

飞艇动导数与附加质量相互融合的方法

飞艇的动导数和附加质量分别表征其在有黏流和无旋无环流中所受非定常气动力/力矩。为了解决在飞艇建模中这两种气动系数的融合问题，分别研究了动导数和附加质量的成分划分问题以及同成分气动系数的融合方法。通过介绍能同时兼容有黏流和无旋无环流的气动力和力矩分析理论，得出同成分气动力/力矩融合时应当取有黏流中的结果并摒弃对应的无旋无环流结果。通过研究气动力/力矩与运动体当前运动参数的关联性，建立依据当前运动参数划分气动力/力矩或气动系数的方法。为了使两种流场中的气动系数分类方法相同，对飞艇的当前运动参数进行重构，使得气动系数在两种流场中均可按重构后运动参数明确划分和计算。根据研究结果，建立了一种动导数与附加质量的新融合方法，并讨论了它与现有文献方法的差异。通过算例分析不同融合方法对飞艇纵向扰动运动特性的影响，说明采用新融合方法的必要性。     

对圆柱和二维扩压叶栅在平面叶栅风洞中旋涡脱落的试验研究

随着叶轮机设计技术的发展，对流动非定常的了解显得越来越急迫。而在叶轮机的流动中，尾流是导致流动非定常的一个重要因素，因此对尾流流动特性的研究就显得很有必要。本文在不同的平面叶栅风洞中对圆柱及二维扩压叶栅进行了吹风实验，利用传声器、热线热膜以及动态压力传感器等动态测试仪器，对圆柱和二维扩压叶栅后旋涡脱落情况进行了试验研究。实验结果显示，在平面叶栅风洞内的圆柱体尾流中有类似在外流中的卡门涡街脱落现象．但所对应的斯特劳哈数比外流稍小。更重要的是，还首次得到了二维扩压叶栅后明显的旋涡脱落特征频率，证实了在二维扩压叶栅非定常流动中也伴随着有规律的旋涡脱落。这些结果将为利用外流的成果和更全面地考虑叶轮机的气动设计提供很重要的参考作用。