变外涵工况下风扇增压级双涵匹配机理

针对某型民机大涵道比风扇增压级,在不同外涵工况下开展数值计算,旨在研究风扇增压级双涵性能匹配规律和相应机理。通过分析计算结果,掌握了外涵工况对内涵特性的影响规律:当外涵工况从近堵点移向近喘点的过程中,内涵的流量、总压比、效率逐渐增大,且内涵稳定裕度呈持续增大的变化规律。同时也在获取内涵特性时,掌握了外涵气动性能的变化规律,在不同外涵工况下阐明了内涵逼喘过程中双涵气动性能的相互匹配机理取决于风扇的总压比?流量特性和内外涵流量再分配机制的共同作用。      

涵道比调节对核心机驱动风扇级与高压压气机匹配性能影响

根据某核心机驱动风扇级与高压压气机匹配气动布局的特点,建立了匹配状态点关联预估简化方程并发展了匹配性能预估程序。基于两个压缩部件性能试验数据,进行了典型匹配状态涵道比预估及特点分析,研究了等转速下涵道比调节对两个压缩部件工作状态点变化规律以及匹配性能影响。结果表明:(1)涵道比设置不合理将会导致压缩部件发生旋转失速或喘振现象,从而影响两者的匹配工作;(2)随着涵道比增大,核心机驱动风扇级工况点逐渐从近喘点向堵塞点方向偏移,而高压压气机的工况点变化趋势正好相反。核心机驱动风扇级的流量变化范围比高压压气机的窄,这使得匹配总压比-流量特性线更加陡峭;(3)存在最佳匹配涵道比使稳定工作裕度和近失速边界匹配总压比达到最大,并且此时的匹配峰值总效率接近最大匹配峰值总效率;(4)随着匹配转速的提高,典型匹配涵道比呈现逐渐减小趋势,外涵流量在85%换算转速时达到最大,因此在进行外涵流道设计需全面考虑压气机的工作特性。      

大落差长度比中介机匣气动性能试验及数值模拟

为了考察中介机匣气动性能水平并验证设计方法,对中介机匣进行了气动性能试验,同时采用NUMECA Fine软件进行了相应的数值模拟。为了准确测量流过中介机匣内涵的气流流量,设计了一种流量测量装置并进行了精度校核,结果表明：测量精度的相对偏差小于1.5%。针对高进口马赫数时在进口平直段上两侧的壁面静压比中间区域小,以及某些涵道比未能调节到目标进口马赫数的情况,进行了相应的数值模拟并提出了解决方案。用单点总压管对内、外涵出口进行了扇面测量,得到了内涵的总性能曲线、总压恢复系数径向变化曲线及内、外涵总压恢复系数云图,并与计算结果进行对比,结果表明：内涵总性能曲线及内、外涵总压恢复系数云图的计算结果与试验结果吻合较好,在设计状态下,内、外涵出口测量截面的总压恢复系数分别为0.992 1、0.986,两数值均高于设计指标,中介机匣具有较好的气动性能。     

大涵道比涡扇发动机风扇转子叶片优化

采用掠形设计技术对一台大涵道比涡扇发动机的风扇转子叶片进行了三维优化.通过三维定常Navier-Stokes（N-S）方程计算,分析了叶片尖部及根部掠形设计参数对风扇转子性能的影响.结果表明,叶片尖部前掠和根部后掠都能增加风扇转子的堵点流量,扩大其稳定工作范围.采用叶片尖部前掠和根部后掠的组合方案优化了叶片.单转子计算结果表明,优化后叶片的堵点流量增加约2%,设计流量点总压比和等熵效率分别增加5%和2%;风扇/增压级整机内外涵联算结果表明,优化后在起飞、巡航和爬升转速下,外涵的稳定工作范围都明显增加,巡航转速下,堵点流量增加约2.3%,失速点流量减小约5.2%,设计流量点的外涵总压比和等熵效率分别增加2%和0.8%,优化后内涵特性没有明显变化.      

核心机驱动风扇级与高压压气机匹配试验中外涵排气系统的设计与试验验证

为实现在常规轴单涵道压气机试验器上开展核心机驱动风扇级(CDFS)与高压压气机(HPC)匹配性能试验,根据匹配试验环境下的外涵气流和HPC级间气流的特点,提出采用大流量、低压损的抽气系统和直排大气的放气系统分别对外涵流量和HPC级间引气流量进行调节,实现对匹配涵道比和HPC级间引气率的有效控制。试验验证表明:在匹配试验件外涵流道出口机匣上沿周向开设的多个排气孔能间接实现外涵全环排气,但外涵集气装置是制约外涵排气能力的主要瓶颈,其气动性能可采用极限流量和总压损失影响因子描述;优化外涵集气与测量装置、降低外涵抽气背压,是提高外涵排气能力的主要途径。     

大涵道比风扇/增压级叶尖间隙影响研究

以某大涵道比风扇/增压级为例,分析风扇转子叶尖间隙对风扇/增压级性能的影响。通过风扇外涵计算及试验结果对比,表明在各转速流量、压比下吻合良好,其中高转速试验效率略高于计算结果,失速裕度基本相当;当转速降低时试验效率偏高更为明显,失速裕度略高于计算结果。分别分析1.0转速、0.85转速以及0.6转速风扇叶尖间隙对风扇/增压级性能的影响,结果表明当转速较高时,随着间隙的增加,激波-边界层干涉与间隙泄漏流掺混导致了大间隙状态二次流损失增加,外涵设计点压比、流量、效率均有所降低,当间隙增加到一定程度时,失速裕度迅速降低;对低转速状态的分析结果表明,随着间隙的增加,设计点效率下降幅度相比高转速状态有所降低,失速裕度随着间隙的增加而增大,风扇外涵特性对间隙的敏感性降低。在各转速下风扇转子叶尖间隙的大小对内涵性能影响不大。     

叶片反扭对跨声速大涵道比风扇性能的影响

使用基于流固耦合算法的叶片反扭程序,考虑了非定常气动力对叶片变形的非线性作用,研究了叶片反扭对跨声速大涵道比风扇性能的影响.以冷态叶型为起点,先计算离心力作用下的叶片变形,在此基础上使用流固耦合程序获得非定常气动力作用下的变形.考察了3个转速下叶片的动态变形对大涵道比风扇气动性能的影响.结果表明:在跨声速工况下,叶片表面激波位置的变化对叶片反扭角有很大作用,在考察的转速范围内,堵塞点使用设计叶型计算的流量大于动态叶型下的流量,数值达7%,将导致发动机起飞推力小于预测值.结果表明在大涵道比风扇设计阶段,预测气动性能使用准确叶型的重要性.      

串联式TBCC后涵道引射器设计

对串联式TBCC发动机后涵道引射器开展了气动流道设计及模型试验研究,并通过数值计算与模型试验结果对比确定了后涵道引射器的性能特性。研究结果表明,背压降低,涵道比增大,总压恢复系数降低;内外涵总压比增大,涵道比和总压恢复系数呈降低趋势,总体匹配应避免内外涵压比过大;开度对涵道比有明显影响(开度越大,涵道比越大),但对总压恢复系数影响较小。后涵道引射器方案可以实现涵道比0.2以上、总压恢复系数不低于0.95,在满足此性能要求下调节机构应实现最大开度不小于10.0 mm。     

涡轮风扇发动机紧凑压缩系统气动性能

通过数值方法研究了由2级风扇、4级高压压气机及外涵组成的紧凑压缩系统的气动性能.探讨了双涵双轴压缩系统气动性能的评估方法及数值计算中相应的边界给定方法.通过对紧凑压缩系统的一体化数值模拟,分别获取了风扇及高压压气机的设计转速特性,并与设计值进行了对比,结果表明流量、压比、效率都达到了设计要求,而风扇失速裕度仅为7.8%...     

外涵调节对中介机匣性能影响的试验研究

以涡扇发动机中介机匣为研究对象,采用插入式堵塞调节环作为外涵调节装置,开展了不同外涵堵塞比下中介机匣性能的试验研究,分析了外涵调节对中介机匣进出口总压恢复系数、支板尾迹和涵道比的影响。结果表明:随着外涵流量的降低,外涵气体流动损失与附面层效应所占压力损失比重逐渐减小,而调节环对外涵流场的扰动造成的压力损失所占比重逐渐增加;堵塞调节环对内涵压力分布与压力损失基本无影响;堵塞调节环实现外涵流量与涵道比调节的同时,也改变了外涵压力的径向分布;由于堵塞调节环的影响,支板尾迹无法单纯地反映支板后径向压力的分布;几何涵道比大于0.388时,进口马赫数增大,外涵流量比重减小;几何涵道比小于0.243时,进口马赫数增大,外涵流量比重增大。     

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。     

风扇叶片叶尖扭转特性试验研究

为研究风扇叶片叶尖扭转特性,基于叶尖定时技术,建立一种发动机运行状态动态测量叶片叶尖弹性变形角的试验方法,在压气机试车台对小涵道比双级风扇试验件一级转子叶片不同工况下叶尖扭转特性开展了试验研究。试验结果表明：叶尖弹性变形角表现为随着转速升高而变大及随着特性线向失稳区移动而变大的特点,在100%换算转速近喘点达到本次试验风扇稳定工作状态的最大值1.25°。可变进口导叶（VIGV）角度仅在喘振边界附近对叶尖弹性变形角影响较大。在90% 转速、VIGV角度为-5°喘点处,叶尖弹性变形角出现大幅振荡,经估算,1号叶片喘振前扭转振幅为0.18°,喘点处扭转振幅为1.05°,退喘后扭转振幅为0.11°,通过监测弹性变形角测量叶片振动具有可行性。     

对转风扇设计技术研究

为了考察对转风扇的工程应用性,通过气动方案论证、气动设计技术研究、强度颤振分析研究、声学分析研究、非设计点匹配和调节研究以及进口畸变流场模拟研究,初步探讨民用大涵道比发动机对转风扇的设计技术,总结未来工程应用可能面临的问题以及解决方案。与常规风扇设计相比,对转风扇后排叶片在非设计点下的工作状态变化幅度较大,因此后排叶片的设计攻角选取不能过大。虽然较低的设计转速下转子叶片的振动频率不高,但也不必太过担心颤振问题,本文风扇在设计点并不会出现颤振问题。采用对转技术降低风扇转速是降低噪声的有效手段,本文设计的风扇远场最大声压级只有90 dB左右。对转风扇在非设计转速具有较好的性能水平,在工程应用时可以不必调节后排叶片的安装角。对转风扇对进气畸变的衰减作用十分有限,两排转子对转也使得畸变区域的周向相位移动并不明显。     

喷管喉道面积变化对大涵道比分排涡扇发动机性能的影响

使用Gasturb软件计算和分析了大涵道比分排涡扇发动机内、外涵喷管喉道面积变化对发动机性能的影响。在低压转子换算转速一定的控制规律下,研究了某型发动机喷管喉道面积变化对发动机转差、裕度、涡轮进口温度、推力、耗油率的影响。经过对比这些相互关系,可以得到1个最合理的内、外涵的喷管面积,从而指导用户最大限度地优化发动机的性能和延长发动机的使用寿命。     

商用发动机10级高压压气机一维特性优化设计

采用HARIKA算法对某商用发动机10级高压压气机进行了一维特性预测.引入遗传算法优化设计手段,以压气机一维设计参数为优化变量,设计转速下特性线的峰值效率、裕度为优化目标函数.与初始特性线相比,压气机在优化后设计转速时特性线的峰值效率提高了12.3%,裕度由11.7%提高到25.13%.对变几何压气机特性进行了优化分析,给出不同换算转速下进口导叶及前3级静子叶片安装角的最佳调节规律.优化后的压气机在非设计转速下的效率特性得到了大幅提升,压比特性得到了提高,流通能力也得到了加强.将压气机一维优化的特性线与采用一维优化设计参数得到的全三维计算结果在1.0,0.9倍换算转速下进行了对比,两者预测出的喘振边界在最大偏差处不超过6.25%.      

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.