跨音弯掠风扇转子叶片的气动弹性剪裁

跨音风扇进口级增压比的进一步提高,主要受两方面的制约,一是效率,二是气动弹性失稳。这两个因素与转子流场中的激波和激波诱导的大尺度分离紧密相关。激波结构又和转子叶片前缘空间曲线形状直接联系。因此,如何精心设计转子叶片前缘空间曲线形状来控制激波结构,就成了当代风扇气动力学的前沿,并导致风扇弯掠空气动力学概念的出现。在具体设计中,此问题可称之为气动与气动弹性综合剪裁。本文简述综合剪裁中的一个组成部分,即气动弹性剪裁问题,并对一个单级风扇转子叶片给出实例。     

风扇转子前缘曲线相对掠对性能的影响

本文从叶片前缘曲线掠的形式入手,采用适合叶轮机械内三维流动特点的相对掠概念,把叶片前缘曲线相对掠应用到设计中,探讨叶片前缘曲线相对掠(包括相对前掠、相对无掠和相对后掠)对通道激波的方位、强度的影响,以及由此造成的对风扇性能的影响,并进行了数值模拟,从得到的结果可以看出转子前缘曲线对风扇/压气机的性能影响非常明显,并对设计在气动方面的优化有一定的指导作用。      

高负荷风扇转子叶片反问题设计

为改进高负荷风扇转子性能,采用了一种工程适用的叶片反问题设计方法。该方法使用粘性CFD与数值优化相结合,适合具有高进口马赫数、高逆压梯度流动特征的高效叶型设计,并应用二维叶型反问题加三维积叠的叶片设计思路,充分继承了已有的基元叶型积叠准则,极大地缩短了计算时间。利用发展的反问题设计平台,完成了叶片的反问题设计。三维数值模拟结果表明:反问题设计的转子叶片能较好地控制转子尖部激波结构,减小激波损失,提高效率,增大稳定裕度。     

离心叶轮全三维反问题方法设计误差稳定性研究

用流线曲率全三维反问题方法和引入滑移因子模型的准三维流线曲率反问题方法设计了叶片数不同的和增压比不同的小型高速离心叶轮.用商用计算流体力学(CFD)求解器估算了这些叶轮的性能.对比了这两种反问题方法的设计误差稳定性,考察了分流叶片对设计误差的影响.结果表明,流线曲率全三维反问题方法能够根据叶片负荷对叶片设计做出恰当调整.较准三维反问题方法,流线曲率全三维反问题方法所设计叶轮的增压比普遍偏高.随叶片负荷增加,较准三维反问题方法,流线曲率全三维反问题方法的设计误差变化较小,即其设计误差稳定性明显较好.分流叶片对准三维反问题方法设计结果的影响明显较小.      

轴流压气机掠形前缘激波动力学效应的模型分析

借助三维激波曲面的一种分析模型,对于高负荷轴流压气机掠形转子叶片所能造就的前缘空间激波曲面,进行了构造特点和近波前波后流动参数分布的计算。着重讨论了前缘曲线的相对前掠和后掠对前缘激波后流动的影响,对于掠形叶片到底产生什么功效这个问题的一个方面,给出了一种模型化的细致分析。其中定量显示了存在着展向与周向掺混的激波掺混源这个设想的合理性。     

高精度测量燃气轮机叶片前缘的三维轮廓

为了解决高精度测量燃气轮机叶片前缘三维轮廓的难题,提出了一种基于球阵列标定检验方法,直接对金属表面的叶片前缘三维轮廓进行高精度测量的相位轮廓测量系统.通过多角度数据融合算法和非线性最小二乘的递归算法,最后高精度测量出叶片前缘三维轮廓,对叶片前缘16个剖面进行拟合,得出了叶片前缘半径和前缘圆心.结果显示:叶片前缘测量系统、方法和算法的综合误差为±0.03mm.此实验装置和方法测量效率高、精度高,将叶片测量和模型化技术推进了一步.      

基于渗透边界条件的三维粘性叶轮机械气动设计反方法应用研究

详细介绍了三维反方法的数值求解过程。叶轮机械复杂的流场给三维反方法的数值应用和鲁棒性提出了严峻的考验,在三维渗透边界条件和中弧面生成方程的求解过程中需要进行特殊处理。为了能够考虑叶片表面的小分离,同时引入间隙的影响,并保证生成叶片的可加工性,采用非均匀有理B样条(NURBS)曲线对中弧面径向线进行参数化,并在最小二乘意义上满足流动与叶片表面相切条件。为了降低叶片前后缘小圆和端壁附面层对计算带来的不利影响,在该区域采用混合边界条件。同时文中还研究了混合边界条件中的外插问题,并发展了一种载荷参数化方法。最后利用三维反方法设计工具对NASA Rotor67转子进行改型,通过控制激波强度和轴向加载方式,对于改型工作点,在流量和压比没有降低的情况下,效率约提升了1%。     

适用于航空涡轮全三维设计的气动设计体系

建立了一种以考虑损失的多级三维无粘定常计算程序为主的设计体系 ,该体系考虑了多级透平工作中的变比热容和冷气掺混 ,叶列间参数传递处理上采用了 Rieman解和松弛因子提高程序的稳定性 ,在二维基准截面造型中采用了三次有理 B样条曲线成型 ,三维叶片积迭采用 Besier曲线生成母线。此设计体系同时依赖于一个损失估算体系 ,用来较准确地估算涡轮效率。设计实践证明该体系适用于现代涡轮的全三维设计     

高负荷风扇级环境下叶片反问题设计

在对国内外各类叶片三维反问题深入分析的基础上,针对高效、高负荷风扇的设计需求,提出了级环境下风扇叶片三维反问题设计的技术思路。以高压比单级风扇为例,利用数值模拟、流动分析等技术手段,采用从基元截面、单排到单级环境逐步深入的方式,对级环境下三维反问题设计方法的可行性进行了验证,初步探索了级环境下叶片载荷分布规律,进一步发展并完善了高效、高负荷风扇叶片的三维反问题设计技术。     

单转子风扇的三维反问题气动设计

采用准三维流函数反问题设计方法与三维 N-S求解方法的相互迭代对单转子风扇进行气动设计。在叶片初步计算中得到叶栅进出口气流角沿径向分布 ,并将它作为本文的目标函数。采用准三维反问题求解方法 ,依次构造出各个 S1流面上的叶片几何形状和气流角分布。然后再采用 N-S方程的求解方法 ,对叶片进行全三维流场的数值计算。通过 N-S方程计算结果与目标函数的对比 ,重新修正叶片出口气流角分布 ,并作为下一次反问题设计的目标函数。经过反问题与 N-S方程求解的反复迭代 ,最终得到满足设计要求的叶型。     

多级风扇三维粘性流场的数值模拟

 进行了多级跨音速风扇粘性流动的数值模拟研究。求解全三维N-S方程,通过高分辨率格式提高跨音速流场计算的准确性,利用LU-SGS隐式解法加快计算收敛速度。给出了一双级高负荷跨音速风扇设计和非设计工况下的详细计算结果,各工况下的计算与实验数据均吻合较好。     

跨声速风扇叶片的静态气动弹性问题

使用时域的流固耦合数值计算方法,研究了跨声速风扇叶片在气动力和离心力共同作用下的静态气动弹性问题,分析了叶片在不同工况下的变形规律及叶片变形对整体气动性能的影响.NASA rotor 67的静态气动弹性计算说明气动力对叶片最大变形的贡献达13.07%, 而且叶片变形明显地改变了通道激波的位置和强度.宽弦空心跨声速风扇叶片的静态气动弹性计算说明叶片变形对总体气动效率的影响为0.15%~ 0.5%,其中气动力对变形贡献在叶片尖部的前缘可达41%,考虑气动力引起的变形使得该风扇的流量增大,气动特性线整体向右偏移.计算结果说明:气动力的非线性对跨声速风扇叶片静态变形问题有显著的影响,工程实践中从设计叶型到制造叶型的反扭过程应该采用流固耦合方法以得到更准确的叶型.      

两类对转风扇的设计与气动特征数值研究

采用一维设计程序分析了前后转子设计转速比的影响,研究了平均半径处的增压比、绝热效率、扩散损失和激波损失随转速比的变化规律.用计算流体力学分析了设计点与非设计状态的两个对转级流场,研究了其详细物理现象.结果表明两个对转级的设计与非设计性能均良好.发现低速风扇的两个转子均为常规跨声速转子,而高速风扇的前转子常规,后转子则为前缘激波和通道激波均贯穿全叶展的全超声速转子.同时发现,均带有与常规风扇级相当的失速裕度,低速对转级是两个转子同时达到失速点并且激波被推出叶栅,而高速对转级则是后转子先达到失速点并激波推出,从而后转子决定着级失速裕度.      

高负荷低压风扇三维气动设计与损失分析

在给定的限制条件下,通过从S2反问题计算出发,依靠在粗、细网格上求解三维黏性Navier-Stokes(N-S)方程的设计方法完成了某高负荷、跨声速低压风扇的气动设计.该设计方法抛弃了准三元设计对损失模型的依赖,较快的实现了跨声速风扇的气动设计.在设计结果的基础上,对风扇流场结构的分析表明,动叶顶部激波,以及激波、泄漏流和附面层的相互作用是风扇损失的主要来源.全三维的弯扭叶片设计实现了静叶的高亚声大折转角扩压流动.      

抽吸气对高负荷跨声双级风扇裕度影响的数值研究

采用数值模拟方法,研究了叶片吸力面开缝抽气方案对某高负荷跨声双级风扇性能和稳定工作范围的影响,分析了开缝位置及大小对抽吸气效果的影响。结果表明:通过静子叶片吸力面边界层抽气,可将边界层分离区的分离流引出,抑制或推迟边界层分离,减小因边界层分离带来的损失,从而改善风扇/压气机的气动性能,提高其稳定工作裕度;抽吸气效果与缝隙位置及大小等因素有关,风扇/压气机设计中应用抽吸气技术时须综合考虑以上各种因素的影响。     

三维造型对高负荷跨声风扇静子的影响分析

以负荷系数高达0.42的跨声风扇进口级为背景,利用三维数值模拟手段,研究了叶片三维气动造型技术对高负荷跨声风扇静子气动性能的影响,并深入地分析了其影响机理.结果表明:由于激波在静子叶根有垂直于轮毂端壁的趋势,因此前掠造型对于激波/端壁附面层所主导的静子角区分离的控制效果并不明显;相比之下,正弯静子通过加入叶片力使得角区中的低速流体向叶中发生径向迁移,显著地改善了静子的性能;而复合弯掠进一步提高了静子的性能,说明单纯使用前掠造型收效不佳,需要配合正弯造型才能达到最佳效果.      

桨扇模型的气动性能和气动声学的实验研究

概述了具有不同安装角的直叶片、前掠叶片、后掠叶片等3种桨扇模型在起飞状态下出口流场的气动性能和气动声学实验结果及其相互间的对比。主要结论为:良好的气动设计不仅是提高气动性能的要求, 而且也是改善桨扇气动声学性能的有效途径;有掠度的叶片具有降噪的潜力;桨扇叶尖区采用卸荷设计有利于降噪及提高效率。      

某掠形跨声风扇设计与数值模拟

采用与计入三维激波结构轴对称流设计程序相匹配的任意中弧线叶片造型程序, 进行某单级跨声、小展弦比、具有小前掠和后掠的内外涵风扇设计.在设计过程中, 通过调整风扇转子压比、叶型最大相对厚度和前后缘厚度等参数沿展向的分布, 以及弯度和最大弯度位置沿弦向的分布, 从设计上减弱了叶片上部的激波强度、降低了激波及其关联的损失, 克服了该风扇转子高相对马赫数与低损失、高效率的矛盾, 内外涵数值模拟结果表明, 该风扇具有宽广的高效率区和高喘振裕度.