旋流畸变影响低速轴流压气机数值模拟研究

为研究进气旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性影响的机理,设计了一种叶片式旋流畸变发生器,分别采用定常和非定常计算方法对旋流畸变发生器和两级低速轴流压气机进行了联合数值模拟研究。定常计算结果表明:旋流畸变发生器的叶片弯角越大、对涡强度越高;对涡旋流导致压气机总压比和效率降低,稳定边界流量明显增加;对涡强度越大,对压气机性能和稳定性影响越严重;对涡的反向涡对压气机影响较大,同向涡影响较小;反向涡造成部分叶片的叶根区域吸力面附面层提前分离,是导致压气机失稳的主因;非定常解的总压比和效率均略高于定常解,两种计算方法得到的稳定边界差异明显,非定常解的稳定边界流量比定常解小19.2%,非定常计算结果更接近试验值。     

压气机直、弯静叶Clocking效应实验研究

实验研究静叶Clocking效应对采用直、弯静叶的某低速双级轴流压气机气动性能影响.结果表明,随Clocking位置不同,上游静叶尾迹被输运到下游叶列流道中不同周向位置并与该列叶栅不同区域流体掺混是导致压气机性能变化的主要原因,且采用弯曲静叶的压气机性能随Clocking位置不同而变化的幅度要小一些.静叶Clocking位置固定时,采用弯静叶时压气机效率比直静叶时明显提高,且随流量减小而趋势显著,设计工况和近喘振点处分别约提高0.7%、3.5%.针对本文研究的压气机,综合静叶造型和Clocking效应影响,采用弯曲静叶的压气机设计点处效率最高可提高1.22%,最低提高为0.07%.     

组合压气机性能和气动稳定性计算分析

采用全三维数值计算方法研究了某型组合压气机性能和气动稳定性,通过对比轴流压气机和离心压气机的特性和流场细节,发现两者的特性差别较大:轴流压气机效率较高,总压比较小;工作点位于峰值效率点左侧时随流量的减小,离心压气机总压比和效率略有降低,轴流压气机总压比的增加和效率的降低均非常明显;导致离心压气机效率偏低的主要原因是径向扩压器的总压恢复系数偏小;导致组合压气机失稳的主要原因是轴流第1级转子叶尖和第2-3级静子叶根的泄漏流造成的堵塞。     

低速压气机不同静叶弯角对流动特性影响的数值模拟

本文采用全三维粘性数值模拟方法研究了重复级低速压气机不同静叶弯角对流动特性的影响。计算结果表明,静叶弯曲能有效地控制静叶端壁区二次流动,降低端壁区流动损失,特别是有间隙的根部区流动。因此,静叶弯曲后改善了近失速点的流动,扩大了低速压气机的稳定工作范围。另一方面,静叶弯曲促使端壁区的低能流体向叶片中部迁移,使得叶片中部附近的损失增加,从而效率降低。叶片弯曲的同时叶片表面积增大,使得叶片表面摩擦损失增加。几方面原因导致静叶弯曲存在一个最佳角度,本文数值计算结果表明弯角为10°附近流动效率最高     

整体涡对跨声速单转子性能和稳定性影响

为研究整体涡影响轴流压气机性能和稳定性的机理,设计了一种叶片式旋流发生器,并对旋流发生器和跨声速单转子进行了联合数值模拟研究.计算结果表明:反向整体涡导致堵塞点流量、进口攻角和总压比增加,效率和稳定工作范围降低;同向整体涡导致堵塞点流量、进口攻角、总压比和稳定工作范围减小,效率增加;反向整体涡导致50%叶高以上吸力面附面层分离以及叶尖泄漏流堵塞加剧是压气机失稳的主要原因.      

对涡旋流影响压气机转子性能和稳定性的研究

为研究对涡旋流影响跨声速轴流压气机性能和稳定性的机理,设计了一种叶片式旋流发生器,并对旋流发生器和跨声速单转子进行了联合数值模拟研究。计算结果表明旋流发生器叶片数越少,对涡强度越低;对涡旋流导致压气机总压比、峰值效率、稳定工作范围和堵塞边界流量减小,失速边界流量增大,对涡强度等于60°时峰值效率和堵塞边界流量分别降低1.11%和2.12%,失速边界流量增加4.17%;对涡中的同向涡导致叶尖进口攻角增加,进口相对马赫数减小;反向涡使叶尖进口攻角降低,进口相对马赫数增大;对涡前缘的轴向速度偏低,造成叶尖进口攻角大幅增加,叶尖泄漏流堵塞严重;由于叶尖泄漏流在叶片前缘溢流导致失稳。     

鼓包前缘静叶在跨声速压气机中应用初探

为减小静叶吸力面表面的流动分离,提高压气机气动性能,对跨声速压气机的静子叶片进行鼓包前缘造型,研究鼓包前缘设计参数的影响。数值模拟结果表明:鼓包前缘使静叶表面静压重新分布,改善了流场结构;鼓包波峰产生的对涡结构能够抑制静叶吸力面附面层分离,减小分离区范围;50%叶高以下范围提高效率和总压比较为显著,50%叶高以上范围效率和总压比反而略有降低;在不降低压气机气动稳定性的前提下,效率和总压比分别提升约2%和0.5%,表明鼓包前缘静叶可提高压气机气动性能。     

轴向间距对压气机气动稳定性的影响

针对低速轴流压缩系统 ,从理论分析和试验验证两个方面论述了静子在轴流压气机气动稳定性方面的作用。理论上论证了 ,当静子非首先失速部件时 ,其作用有利于抑制扰动的发展 ,增强压气机的气动稳定性 ;试验验证了 ,随着转静子之间轴向间距的减小 ,静子的增稳作用增强 ,压气机的失速流量减小      

轴流压气机叶片准三维自动优化设计

为提高轴流压气机叶片气动设计效果,将叶片准三维设计方法与叶型自动优化技术相结合,构建轴流压气机叶片准三维自动优化设计平台。在叶片三维数值计算结果中提取总压损失系数径向分布,反馈到S_2流面计算程序,替代原有的基于试验数据的损失模型,重新进行通流设计,提高S_2流面流场计算精度;S_1流面叶型设计采用并行遗传算法与叶轮机CFD方法相结合的叶型自动优化方法,以数值寻优代替叶型气动外形的人工调整,减小对设计经验的依赖。运用设计平台,对一设计流量6.3kg/s,设计压比2.07的轴流压气机第一级转子进行气动设计,得到径向三维叶片,设计点流量、总压比均接近设计目标,等熵效率接近90%,失速裕度达15.5%,结果令人满意。采用三维优化方法进一步进行叶片积叠线弯、掠设计,在失速点到设计点的稳定工作范围内效率均得到了1%的提升。     

级间进出口几何角度对压气机气动性能和封严效果的影响

为了削弱级间泄漏流对压气机性能的不利影响,提出了一种基于Coanda型几何进出口的级间结构,并以一个亚声速单级轴流压气机为研究对象,数值模拟了5°,10°,20°三种不同级间进出口几何角度对压气机性能的影响。结果表明:改进后的级间进出口几何结构使得压气机流量和效率均略有提升。分析原因是级间出口泄漏流以较小角度与主流汇合,增大了静叶进口气流的轴向速度、径向速度,使得静子通道流动堵塞程度减轻,总压损失减小,扩压能力增强。同时,新结构还减小了级间泄漏流的流量系数,改善了级间封严效果。5°,10°,20°角度下的压气机效率最大分别提升了0.68%,0.63%,0.62%。     

弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响

为了研究压气机弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响,在一台低速轴流压气机上,采用实验方法,对比分析了第1级静子叶片分别为弯曲叶片和直叶片时叶尖射流的扩稳效果以及压气机内部流场信息.结果表明:第1级静子叶片由直叶片改为弯曲叶片后,在压气机失速过程中,模态波主要集中在叶尖区域,而叶尖射流恰好是通过改善叶尖区域的流场来拓宽压气机的稳定工作范围的,所以第1级弯曲静子叶片使得叶尖射流的扩稳效果更加显著.      

跨声速轴流压气机转子弯掠控制机理

以1.5级跨声速轴流压气机为研究对象，采用三维数值模拟方法研究弯掠叶片技术对压气机不同工况的控制机理.结果表明:设计转速时前掠与反弯的组合弯掠优于前掠与正弯的组合弯掠，而部分转速时正好相反，这是因为不同弯掠方案对跨声速压气机不同工况的控制机理不同.设计转速时弯掠叶片改变叶顶激波强度和位置以及叶顶间隙泄漏涡强度，并改变叶片表面展向“C”型压力分布，三者共同作用从而提高设计转速时压气机的喘振裕度，但也造成设计转速效率下降；而部分转速时，压气机流场中的激波消失，弯掠叶片改变叶顶吸力面逆压力梯度和增强展向“C”型压力分布，两者共同作用使压气机的稳定性提高，但效率也会下降.      

弯曲及局部修型对大折转角扩压叶栅性能的影响

通过数值模拟对具有51°叶型折转角的环形扩压叶栅进行了研究.将外流飞行器上控制附面层流动的基本思想和修型措施应用于弯叶片的局部修型, 结合近壁面附面层流动和总压损失对比分析了大折转角扩压叶栅采用直叶片、弯叶片和局部修型弯叶片的气动性能.结果表明:在大折转角、高亚声速气流进口条件下, 局部修型弯叶片能更有效的控制大逆压梯度下叶栅内附面层的发展, 提高叶栅气动性能.      

高负荷小型压气机大弯角串列静子特性

针对某小型压气机高负荷轴流级大弯角静子,采用串列叶片技术进行了改型设计.串列静子三维造型引入适度正弯以获得前后叶片的最佳相对位置.通过全三维定常数值模拟得到了原型与串列改型在设计转速下不同工况点的气动性能.结果表明:串列改型静子削弱了原型静子尖部流动分离,级等熵效率提高近3.5%,串列前叶几乎承担了全工况内绝大部分攻角变化,稳定裕度提升2%;改型后的静子可以更为均匀地分配前后叶片的载荷,有利于叶片附面层流动的控制.      

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。      

转子叶片加工误差对1.5级跨声速压气机气动性能的影响

压气机叶片加工误差不可避免,将在一定程度上影响压气机的气动性能。为研究叶片加工误差对跨声速压气机气动性能的影响,以燃气轮机进口1.5级跨声速压气机为对象,通过三坐标测量跨声速转子叶片叶型数据,获得了加工误差分布特征;针对实测转子叶片,采用三维CFD数值模拟方法,研究了轮廓度、位置度和扭转角综合误差对压气机转子和级特性线和流场参数的影响;针对转子叶型以轮廓度超差为主的特点,采用S2流面通流计算方法,在设计流量点研究了由轮廓度误差引起的转子叶型最大厚度变化对压气机转子和级性能的影响。结果表明,转子叶片加工误差对压气机堵塞流量、全流量范围内转子和级的压比和效率均有影响,同时改变转静子叶片排出口气流参数的径向分布规律,主要原因为激波位置和强度的变化;在设计流量点,转子和级的压比和效率的变化与最大厚度变化呈负相关趋势,厚度偏差越大性能变化幅度越大;对转子叶片,来流相对马赫数随叶片高度增加而增大,性能对叶型几何误差的敏感性增强,综合压比和效率的变化,中上部叶高范围的轮廓度公差要求应更严格。     

Applications of numerical optimization techniques to design of axial compressor blades

This paper describes the shape optimization of NASA rotor 37 and rotor and stator blades in a single-stage transonic axial compressor.Shape optimization of the blades operating at the design flow condition has been performed using the response surface method and three-dimensional Navier-Stokes analysis.Thin-layer approximation is introduced to the Navier-Stokes equations,and an explicit Runge-Kutta scheme is used to solve the governing equations.The three design variables,blade sweep,lean and skew,are introduced to optimize the three-dimensional stacking line of the blades.The objective function of the shape optimization is an adiabatic efficiency.Throughout the optimization of rotor and stator blades, optimal blade shape can be obtained.It is noted the increase of adiabatic efficiency by optimization of the blade shape with the stacking line in the single-stage transonic axial compressor is more effective in a rotor blade rather than a stator blade because of the large deformation of blade shape in the stator blade.      

WZ8A轴流压气机静子叶栅性能特点

 通过对WZ8A轴流压气机出口静子串列叶片叶尖和叶中二截面平面叶栅实验,得出:①叶尖截面叶栅不适用于高进口Ma;低速时正常工作攻角范围为-30°～-12°,相应的落后角为5°～7°。②叶中截面叶栅在高速时(Ma=0.65),正常工作攻角范围为-1°～10°,落后角为7°～8°;低速时正常工作攻角范围为2.5°～20°,落后角为5°～7°。     

轴流离心组合压气机性能及流场分析

以某轴流、离心组合式压气机为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同转速典型工作状态下该压气机的性能和流场细微结构,为进一步提高压气机的压比、效率,扩大压气机的稳定工作裕度,对压气机进口导流叶片和第一级静子叶片安装角进行优化调节,对改进后压气机的典型工况进行了数值模拟,并进行了相应的试验研究。研究结果表明优化后压气机稳定工作范围增大,在90%设计转速和最大压比不变的情况下,最高效率提升1.05%,典型工况下流场结构也有不同程度的改善。