分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响数值仿真

为了研究分流叶片轮缘进口角的变化对离心压气机级性能的影响,以某小型模型级离心压气机为研究对象,利用数值仿真软件对流场进行了全3维模拟,重点分析其内部流场结构的变化。数值仿真结果表明:分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响明显,其角度的增加使离心压气机的压比和效率提高,但会缩小离心压气机的稳定工作范围。     

考虑热传导的微型离心压气机设计与数值分析

为厘米级微型燃气轮机设计了一台直径为26 mm,设计转速为240 000 r/min,设计流量为30 g/s的微型离心压气机,并在壁面绝热条件和壁面等温传热两种条件下,运用CFX软件进行了数值模拟.结果表明,在同样的轴输入功的情况下,壁面等温传热条件下流量比绝热条件减小7.53%,总对总等熵效率降低约18.1%,总压比减小21.7%.在此基础上,考虑热传导对微型离心压气机进行了改进设计,CFX软件分析结果表明,改进后的设计满足微型燃机总体设计要求.      

分流叶片位置对高转速离心压气机性能的影响

运用三维粘性流动数值计算程序FineTM/Turbo对叶顶间隙泄漏存在时带分流叶片的高转速离心压气机模型级内部流动进行了数值模拟,重点分析了分流叶片不同起始位置及不同周向位置对压气机级内三维粘性流场及整级性能的影响.计算中采用Jameson的中心差分格式结合Baldwin-Lomax代数模型使用时间推进法求解雷诺平均N-S方程,计算模拟了模型级内部复杂的三维粘性流动过程及气体参数分布的详细结构和规律.计算结果表明:采用分流叶片在进口段会减少叶片阻塞,从而使更高的质量流量可以流经叶轮;分流叶片起始位置位于Ⅲ时,两个通道叶轮出口处速度分布最均匀;分流叶片越短,长叶片压力面无量纲静压载荷越大.当分流叶片长度达到某一数值后,长叶片载荷变化趋于平缓.分流叶片位于不同周向位置时,IBSA叶轮的模型级效率最高,压气机性能最好.     

某小型离心压气机气动设计

针对无人机动力装置的需求,为某小推力的涡轮喷气发动机进行了单级离心压气机的气动设计.所用的压气机设计方法为:从一维的热力计算出发来进行流道结构设计,以二维通流计算为基础,通过调整各排叶片的环量分布,来获得所要求的气动性能,并通过叶片任意造型最终生成与通流计算结果较为一致的三维叶型,最后通过三维计算流体动力学(CFD)计算来分析气动设计的性能结果.最终设计出的离心压气机在设计点的各项性能参数均达到了设计要求,并且在各个转速下压气机的特性线比较平缓,压气机有较为宽广的稳定工作范围.      

某离心叶轮改型气动设计

针对某航空发动机离心压气机实施改型气动设计与数值模拟,以达到其“效率提高不低于2%”的性能指标。设计、计算结果表明:改型离心叶轮达到或超过了性能指标要求,可为类似的叶轮机改型气动设计提供借鉴。      

分流叶片前缘掠对微小型离心压气机气动性能影响

为了研究分流叶片前缘掠角对微小型离心叶轮流场及气动性能的影响,应用数值模拟及理论分析,对一带有分流叶片的离心叶轮进行了研究。结果表明：分流叶片前缘后掠增强离心叶轮气动性能的机制,一方面为分流叶片对主叶片泄漏涡的分流效应,以及分流叶片攻角增大致使其吸力面高速低压气流对主叶片泄漏涡的引射效应;另一方面,随分流叶片前掠角度增大,其肩部的膨胀及压缩效应增强,对主叶片压力面气动干扰增强,使主叶片压力面负荷降低,当分流叶片后掠角度增大时,气流相对分流叶片前缘攻角变大使分流叶片气动负荷变大,另外,攻角变大导致分流叶片吸力面气流加速、流线弯曲变大,气动负荷增大。在进行分流叶片设计时,权衡结构重量、气动性能等因素,建议分流叶片前缘后掠角取值在8°~16°。     

微型离心压气机热效应评估模型及应用

基于微型离心叶轮非绝热边界假设,通过对其内部实际换热过程的详细分析,合理将叶盘、叶片换热等效为环肋、直肋换热,重构了微型离心叶轮的换热过程;根据导热微分方程和肋片散热方程,对叶轮内部热传导及对流换热过程控制方程进行了适应性修正;采用全三维数值模拟与模型预估结果进行对比,结果表明:较之零维热网络模型,该模型能够将预估精度至少提高4%;原有只在三维仿真阶段考虑热边界影响的非绝热压气机设计方法相比,结合了该模型的设计方法,可将各自最佳效率点压比和效率分别提高11%和30%,同时,设计周期降为原有方法的14.3%。      

带分流叶片离心压气机优化设计

为探索带分流叶片离心压气机的优化方法,进一步提高气动性能,建立带分流叶片离心压气机优化系统:运用Bézier函数建立叶型的参数化表征方法,并采用人工神经网络建立目标函数和几何优化变量间的对应关系,结合遗传算法求解优化命题。为验证系统可行性,以极大化等熵效率为优化目标,针对带分流叶片的离心压气机进行优化设计。结果表明:该优化系统明显提高带分流叶片离心压气机的气动性能,优化后设计点等熵效率提高3.68%,压比提高0.506,设计转速下全工况范围内效率明显提升,综合稳定裕度增大;优化后90%,50%叶高波前马赫数有明显降低,前缘激波有所减弱,激波与附面层相互作用引起的损失减小,二次流得到抑制,叶尖通道内大范围低速区明显消退;叶片载荷重新分配,分流叶片载荷一部分转移至主叶片。     

微型离心叶轮流动损失分析与削弱

为了研究削弱微型离心叶轮内损失、提高其性能的方法,采用S-A湍流模型对微型涡喷发动机离心叶轮流动进行了三维数值模拟.分析表明流场中存在的三个主要涡流区是显著的损失源,它们的形成机理与通道内展向静压分布不均匀性造成的压力梯度有关.因此,从改善展向压力分布的角度对叶轮进行了改进设计以削弱流动损失.结果表明通过改进叶轮轴向长度、分流叶片前缘的位置和形式以及主叶片的叶片角分布可改善子午流道、分流叶片吸力面和通道内S2流面等处的展向静压分布,使之变化减缓、梯度降低,从而削弱了涡流的损失,使堵塞流量增加了约15％,叶轮峰值效率提高约7％,压比提高约6％.     

离心压气机管式扩压器设计与计算分析

采用程序化建模方法,对离心压气机管式扩压器的三维几何造型进行参数化设计,并采用定常数值模拟的方法分析管式扩压器内流场特性,攻角特性,对影响管式扩压器性能的几何参数进行分析与优化,同时对照某原型叶片式扩压器,分析传统圆形进口管式扩压器的性能优劣,提出类椭圆进口管式扩压器的概念,并揭示其能够有效提高离心压气机性能的机理.      

结合吸附技术的对转压气机改型设计

应用附面层抽吸技术和叶型优化设计方法对某双排对转轴流压气机进行了改型设计数值研究,旨在指导下一步的实验研究。近喘点时,原始出口导流叶片(OGV)尖部叶型存在着严重的气流分离现象。优化设计后,气流在叶型前缘加速平缓,通道内回流区所占比例明显降低,OGV 70%叶展以上的总压损失系数平均降低了38.4%,压气机等熵效率提高了0.3%。在转子2(R2)尖部叶型66%弦长轮缘端壁处开设1mm宽抽吸槽,当近喘点的相对质量抽吸量为1%时,R2尖部的负荷水平改善明显,65%叶展以上等熵效率平均提高了10%。尖部流场的改善对于下游OGV产生了积极的效应,速度三角形的重构使轮缘端壁处的角区分离被限制在了很小的范围内,85%叶展以上的总压损失系数平均降低了25%。通过抽吸,压气机等熵效率又获得了0.5%的收益。     

离心叶轮与扩压器相互干扰数值模拟

采用定常与非定常数值模拟方法,对某小型离心压气机进行数值计算,首先比较了定常结果与非定常时均结果的特性;然后结合离心叶轮出口和径向扩压器进口典型位置非定常压力脉动的频域特性,研究了离心叶轮与扩压器之间的转静干涉作用;最后着重分析了离心叶轮带与不带分流叶片对径向扩压器进口压力脉动频率特性的影响。结果表明:在相同流量下,非定常时均结果的压比偏高约3.7%,效率偏高0.1%;在带有分流叶片的离心压气机中,离心叶轮叶片出口与扩压器叶片进口的脉动除了叶片通过频率的非定常脉动外,分流叶片尾缘会产生与之强度相当的2倍叶片通过频率的非定常压力脉动。同时,分流叶片会对径向扩压器进口产生更强的0.5倍叶片通过频率非定常压力脉动,这些频率的非定常压力脉动很可能会对离心压气机叶片的疲劳强度造成影响。     

叶尖间隙对离心叶轮偏置分流叶片工作机理的影响

采用计算流体力学方法研究了不同叶尖间隙情况下偏置分流叶片提升离心叶轮性能的机理.叶尖间隙较小时,主叶片吸力面附近分离区导致主要损失,分流叶片偏向于主叶片吸力面利于削弱损失、提升叶轮性能;随着叶尖间隙的增加,泄漏流的影响增加以至损失集中于分流叶片和主叶片压力之间的通道,分流叶片宜向主叶片压力面偏置,以减少泄漏流在同一通道的聚集.叶尖间隙和分流叶片周向位置对间隙泄漏流、叶片吸力面分离形成的损失及相互关系有着耦合影响,分流叶片周向位置的改变可以调整通道的横向压力梯度、泄漏流掺混入主流的位置,改善分流叶片两侧通道的损失的分配,分流叶片最佳偏置方向随叶尖间隙的大小而发生改变.      

带分流叶片离心叶轮气动设计及其流场分析

为提高某涡轴发动机的性能,需要对其离心压气机进行改进.本文设计了带分流叶片的离心叶轮,以确保离心压气机在不降低喘振裕度的前提下,设计点总压比提高不低于0.3,效率提高不低于2%.计算结果表明新设计的离心叶轮达到了设计指标.流场分析显示,新设计的叶轮有效地控制了气流分离,减小了出口尾迹的强度与范围;分流叶片的长度对叶轮效率有一定影响,合理的分流叶片长度可以有效地削弱二次流强度,提高叶轮效率.     

Redesign of an 11 cm-diameter Micro Diffuser

In order to improve the performances of an 11 cm-diameter turbine engine, this article suggests to substitute a new-style micro diffuser redesigned based on a new concept for the traditional diffuser having poor performances. The new diffuser comprises integral blades and splitters, which are taken for a series of ducts in designing. This article investigates the effects of the cross-section area distribution along the flow path on the redesigned diffuser's performances. Having furnished with the new diffuser in place of the original vaned one, the 11 cm-diameter prototype engine is tested on the rig for its performances. CFD and experiments have shown that the improved diffuser with the unchanged original size has gained excellent performance parameters of pressure coefficient over 0.65 and total pressure recovery coefficient over 0.9. Equipped with the redesigned micro diffuser, the engine increases the thrust by 11% and decreases the specific fuel consumption by 9%.     

中国航空发动机高压压气机发展的几个问题

叙述了全三维数值模拟技术的发展,分析了其局限性和解决途径;介绍了大小叶片设计技术的应用前景;探讨了提高高压压气机性能的技术途径;展望了中国高压压气机的发展;最后,给出了有益的启示。     

叶根倒角对微小型离心压气机气动性能的影响

为了研究叶根倒角对微小型离心压气机流场及气动性能的影响,对1个带有分流叶片的微小型离心压气机进行数值模拟及理论分析。结果表明:叶根倒角最小角度对主叶片及分流叶片表面的静压分布影响不大,压气机总压比几乎不变,但效率提高明显,最大可提高0.99%。压气机效率的提高,一方面是由于通道涡的削弱减小了损失;另一方面是主叶片吸力面根部附近低速区减小和流线弯曲程度降低,提高了根部附近的流通能力,减少了横向流动,从而减小了二次流的损失。另外,叶根倒角最小角度变大,降低了叶片出口处气流的不均匀性,从而减小了损失。     

叶顶间隙和叶片表面粗糙度对离心压气机性能的影响

为充分研究叶顶间隙和叶片表面粗糙度对某型离心压气机工作性能的影响,文章分别对不同间隙和粗糙度情况下压气机的工况仿真计算,得到不同的特性线。分析表明:叶顶间隙和粗糙度越大,增压比和效率越低,粗糙度由 0.03mm减小到 0.01mm,增压比大约提高了 1.5%,工作效率大约提高了 1%,叶顶间隙由 0.6mm减小到 0.1mm,增压比大约提高了 10%,工作效率提高了 2.5%。该研究结果对下一步的改进设计具有重要的参考价值。