掠型设计调控跨声速离心压气机内部流动机理

跨声速离心压气机面临进口激波控制的难题,探索前缘掠型对跨声离心压气机影响机理对于进一步提升离心压气机性能具有重要意义。以两台跨声速离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟手段探究了不同前缘掠型下压气机的性能及流场变化。结果表明:设计工况下叶轮入口的激波位置直接决定了前缘掠型设计的作用效果。掠型设计通过改变导风轮叶顶载荷分布,进而影响其通流能力,同时改变了其入口激波结构和流动损失。当叶轮入口叶顶激波呈吞入状态时,采用前缘后掠会减弱槽道激波强度,从而减小导风轮叶顶附近损失;当叶轮入口叶顶激波呈脱体状态时,采用前缘前掠会减弱前缘激波强度,使得激波更加附体,从而减小导风轮叶顶附近损失。      

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.      

转速对小展弦比压气机叶片静气动弹性的影响

采用时域的双向流固耦合方法研究了小展弦比跨声速压气机叶片不同转速下的静气动弹性变形,分析了60%、80%、100%转速下叶片在气动力和离心力共同作用下的变形规律及其对气动性能的影响。结果表明:不同转速下,小展弦比叶片在气动力和离心力共同作用下的静气动弹性变形均以扭转变形为主导,非设计转速下气动力引起的变形所占比例远大于设计转速下所占比例;叶片静气动弹性变形主要改变通道激波位置和激波强度,跨声速工况下静气动弹性变形对气动性能的影响远大于亚声速工况下的影响。     

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究（两机专刊）

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,本文对某跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况的施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。     

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,对跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。     

跨声速压气机转子流场特性的数值研究

为研究跨声速压气机转子在设计转速下的内部流场特性,探索其流动机理,考察激波位置及成因,利用三维数值模拟方法对其进行了数值研究。结果表明,该跨声速压气机转子在设计转速下高效工作范围较宽,喘振裕度约为27.15%。近堵塞工况时,转子叶片前缘出现一道脱体的弓形激波,转子叶片流道内也存在一道正激波,激波位置随背压升高向叶片前缘移动;最高效率工况时,叶片前缘叶尖相对马赫数达到1.5。近失速工况时,流道内正激波消失。转子叶顶间隙处存在强烈的激波与附面层及间隙泄漏流的相互作用,该处熵值随背压升高而增大,高熵区随激波前移而向转子叶片前缘移动。     

复合弯掠优化对跨声速压气机性能影响的研究

为了研究复合弯掠优化对跨声速压气机性能的影响,以一跨声速级为对象,基于数值方法对优化前后的压气机整体性能和近设计点工况下转子内的流场进行了对比分析。结果表明:复合弯掠可以有效改善转子内部的流动和提高压气机的性能,其中近设计点的效率提升了约0.9%,近失速点效率提升约0.2%。复合弯掠可以使得负荷沿展向和弦向重新分配,改善了尖部和根部附近的流动;激波的空间结构发生了改变,全叶展上的激波均整体后移且尖部附近激波形态由一道前缘强斜激波转变为一道前缘弱斜激波和一道通道激波组成的激波系。复合弯掠也降低了叶尖"二次泄漏"的影响范围,使主流与泄漏流交界面的位置向下游移动,减小了叶尖附近通道内的堵塞和熵增区域。     

弯掠优化对高负荷跨声速串列转子的影响分析

为了研究三维弯掠优化对串列转子性能的影响,设计了一套基于NURBS参数化方法和Kriging代理模型的串列转子三维弯掠优化系统。以一高负荷跨声速串列转子为研究对象,分别研究了掠形优化、弯形优化和复合弯掠优化对串列转子性能的影响。结果表明:三维弯掠优化可以改善串列转子的性能,与原型串列转子相比,前掠转子、正弯转子和复合弯掠转子在近设计点的效率分别提高了1%,1.03%,1.47%,正弯转子的稳定裕度增加了23%,但前掠转子和复合弯掠转子稳定裕度有少许下降。在高负荷跨声速串列转子的弯掠优化造型中,前掠造型能改善串列转子叶中和叶尖的性能,叶根性能有所下降,正弯造型能改善串列转子大部分叶展的性能,弯掠优化造型提升高负荷跨声速串列转子效率的原因是弯掠优化降低了转子通道正激波的波前马赫数,而激波位置基本不变。     

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。      

整体涡旋流对跨声速压气机Stage 67影响的定常数值仿真研究

为研究不同旋流强度的整体涡旋流畸变对跨声速压气机的影响,本文采用定常数值仿真的方法,基于一种整体涡旋流畸变发生器与Stage67跨声速压气机展开联合仿真研究。通过改变旋流畸变发生器叶片角度,可以模拟不同强度的整体涡旋流畸变流场,在不同旋流进气工况下得到了压气机的压比、效率特性曲线,并针对流场细节进行分析,研究其失速机理。结果表明：同向整体涡有效降低近失速点叶顶通道堵塞程度,使叶片流动损失减小,压气机稳定裕度扩大;反向整体涡加剧叶背气流流动分离程度,引起吸力面尾部低速区面积扩大,导致叶顶堵塞程度的显著加剧,通道流动损失增加明显,造成压气机稳定裕度下降。     

弓形静子提高压气机抗旋流畸变能力研究

为降低旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性的影响,对双级低速轴流压气机的第1级静子进行了3种不同正弯角的弓形叶片设计.采用整环三维定常计算方法,研究了对涡旋流下压气机的性能和稳定性.结果表明:静子采用合理的正弯曲设计能够提高压气机抗对涡旋流的能力.正弯曲弓形静子能够降低端壁区域的负荷,抑制各排叶片叶根区域吸力面附面层分离的形成以减小损失、提高效率和总压比.静叶弯角为10°时峰值效率增加1.5%,失速边界点流量减小6.95%.流量为18.5kg/s时,效率、总压比分别增加1.7%和0.03%.当弯角过大时,叶中区域负荷上升且摩擦损失增大,反而不利于效率和总压比的提升.      

动叶弯和掠对压气机效率非定常波动的影响

对一单级跨声压气机设计工况下采用了3种弯、掠动叶后的非定常流场分别进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对级效率非定常波动的影响.研究结果表明:非定常计算条件下,动叶弯、掠后的压气机效率仍然获得大幅提高,并且效率的波动幅值同原型压气机相比明显降低,同时动叶改型前后的效率和压比的非定常波动曲线的相位发生了偏差;弯、掠动叶降低了压气机顶部和根部的分离损失,也使根部和顶部的效率波动显著降低.      

基于数值优化方法的跨声速压气机掠动叶设计

开发了求解雷诺平均N-S方程的三维流场模拟程序和数值优化程序，对流场求解程序进行了实验验证，并对跨声速压气机动叶弦向掠进行了优化设计。优化所得前掠叶片可以有效地改善端壁附近流动状况，削弱激波强度，减少尾迹损失，提高整体效率，但叶展中部流动恶化。优化后的叶片改善了压气机变工况性能。结果表明，该优化设计方法是可行的。     

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。      

不同掠弯扩压叶栅变工况气动性能比较

实验研究了变工况条件下由不同掠弯叶片组成的平面扩压叶栅出口总压损失及二次流矢量分布,并给出了叶片表面墨迹流动显示结果。研究表明弯掠叶栅能够最大程度地改善角区流动,避免流动分离,叶栅出口总压损失对冲角变化不敏感,正冲角下总损失增加较小且吸力面角区也不存在明显的分离。通过增大中径处的设计冲角或进行弯掠匹配优化进一步提高变工况性能的潜力巨大,对提高压气机性能具有实际价值。      

跨声压气机动叶弯、掠对静叶静压脉动的影响

对一单级跨声压气机采用了三种弯、掠动叶后设计工况下的非定常流场分别进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对下游静叶表面静压非定常脉动的影响.研究结果表明:三种弯、掠动叶都减轻了静叶前缘顶部和根部的静压脉动,使静叶前缘所受到的静压扰动沿径向分布更为均匀,尤其是弯掠动叶的作用最为明显;除去叶片前缘区域,三种弯、掠动叶对下游静叶的顶部压力面和吸力面的扰动都有所减弱,仍然以弯掠动叶的作用最为显著,而在静叶的中部和根部前缘区域之外的表面,动叶的弯、掠对压力扰动的影响不明显.      

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。     

跨声速压气机中动叶弯和掠对尾迹输运的影响

对一单级跨声速压气机设计工况下采用了3种弯、掠动叶后的非定常流场进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对动叶尾迹的非定常脉动强度以及向下游输运特性的影响.研究结果表明:与原型动叶相比,3种弯、掠动叶都减弱了动叶出口的泄漏涡和尾迹顶部脉动核心的脉动强度,使其在向下游输运过程中耗散较快;3种弯、掠动叶尾迹的中间段的脉动强度都有所加强,并且在输运过程中有向根部迁移的趋势,从而会使静叶的中部和根部受到较强的扰动.      

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。     

高性能航空发动机先进风扇和压气机叶片综述

详细介绍了国外高性能航空发动机先进的风扇和压气机叶片的特点、发展和应用。所介绍的叶片,包括掠形转子叶片、弓形静子叶片、吹吸叶片、分流小叶片、空心叶片和复合材料叶片。