可控扩散叶型的扩稳优化

采用正问题方法，将叶型几何参数化、叶型性能分析程序与遗传算法相结合，对某传统可控扩散叶型（CDA）进行叶型损失和攻角范围的综合性能优化设计。结果表明:优化叶型与原叶型具有相近的设计点损失，而其攻角范围由原来的11°增大至17.5°，其中负攻角范围增大了近4.5°。另外，优化叶型的损失随攻角变化也更为平缓，意味着可以在更为宽广的攻角范围内保持稳定的性能。分析表明:吸力面速度峰值位置由原叶型40%弦长处前移至20%弦长处，增加了减速区的长度，使减速更为平缓，是正攻角裕度增大的主要原因。负攻角裕度增加有两方面原因，优化叶型喉道面积增大且喉道位置与设计点吸力峰值位置错开，具有较大的堵塞裕度；压力面前部区域速度较为平缓，甚至略微加速，直至30%弦长后才开始减速扩压，避免了因压力面前缘处的较大速度尖峰以及随后的持续扩压导致附面层的过早分离。      

攻角对涡轮叶片表面流动及换热的影响

利用短周期跨声速换热风洞测量非设计状态下攻角对涡轮叶片表面静压及换热的影响,研究攻角对涡轮叶栅压力分布及换热系数分布的影响规律。实验结果表明,攻角变化对吸力面压力分布影响较大,正攻角时在靠近吸力面前缘处产生很大的逆压梯度,随攻角增大吸力面后部压力逐渐增高,负攻角时压力面前缘产生较小的逆压梯度;正攻角主要影响吸力面换热系数,随攻角增大吸力面前缘局部区域换热显著加强,负攻角主要影响压力面换热分布,随攻角减小压力面换热加强,大雷诺数下换热系数分布规律与小雷诺数时基本一致。     

压气机叶片钝头前缘对边界层气动影响

由于加工误差、外物损伤等原因,压气机叶片前缘容易产生钝头变形。为分析其带来的影响,使用SST湍流模型并结合γ-θ转捩模型进行了数值模拟。通过叶片吸力面边界层形状因子、法向平均间歇因子和叶栅出口总压损失系数等参量,研究了钝头前缘对边界层发展所带来的影响。同时针对一种前缘曲率连续的改进叶型进行了研究。结果表明在很宽的攻角范围内,压力面边界层受钝头变形影响极小。吸力面边界层受影响程度则会随着攻角增大而提高,当攻角超过一定范围,钝头前缘会显著改变边界层发展,影响整个主流流场。     

椭圆前缘锐化度对亚声速压气机叶片性能的影响

为解决当前缘形状偏离椭圆较大时,采用椭圆度方法难以准确评估椭圆形状对压气机性能影响这一难题,引入锐化度参数直观描述椭圆前缘的尖锐程度。在保持叶身设计参数的前提下,通过修改锐化度生成一系列叶型进行数值模拟分析,研究基元叶型前缘锐化度对亚声速压气机叶片性能的影响,为叶片设计提供依据。研究结果显示,在亚声速进口条件下,基元叶型椭圆前缘的锐化度选择在1.15~1.60之间时叶型损失较小,且低损失攻角范围较大。     

高压压气机出口级叶型加工偏差特征及其影响

以高压压气机出口级叶片叶中截面作为研究对象,获得了实际压气机叶片加工偏差的分布特征,并分析了实际加工偏差对叶型气动性能的影响。以此为基础,研究了加工偏差对叶型性能的影响机理。研究结果表明,实际叶型加工偏差存在一定的系统性偏差,从而导致实际叶型气动性能的平均值偏离设计值。叶型偏差对叶型气动性能的影响存在一定的非线性效应,这在前缘区域更为明显,从而导致了平均叶型的气动性能与实际叶型平均性能出现了明显偏差。前缘附近的几何偏差对吸力面和压力面的速度峰值有较大的影响,因此前缘附近的偏差是使叶型的气动性能产生系统性偏差和增大不确定度的主要因素。根据对流动机理的分析,进口几何角偏差是导致叶型性能出现系统性偏差的主要原因;可以近似用均匀偏差来估计叶身加工偏差对正负攻角范围和损失的影响。     

CST造型方法在涡轮叶片前缘修型中的应用研究

为了探究CST (形状函数变换技术)造型方法在涡轮叶片前缘修型中的应用效果,完善了CST方法在前缘型线重构中的实施细节,数值模拟了雷诺数对前缘修型前后叶型损失及边界层特性的影响,验证了CST前缘修型方法在新型高速飞行器低压涡轮中的实用性。结果显示:CST方法前缘修型可以消除HD叶型吸力侧前缘的压力峰和分离泡,从而使得高雷诺数条件下吸力侧分离诱导的边界层转捩现象延迟发生,叶型损失降低32%,拓展了低损失状态的雷诺数范围。吸力侧损失的降低在低雷诺数条件下主要来自于前缘附近的剪切层,而高雷诺数条件下主要来自于前缘剪切层和扩压段前的层流边界层。新型高速空天飞行器低压涡轮叶片采用CST前缘修型对提升效率是有效的,在设计点状态附近效率提高0.1%,而膨胀比较低的大负攻角状态下效率提升0.3%～0.5%,损失降低的位置主要集中在叶展中部压力侧边界层和根部的二次流区域。     

高负荷涡轮进口导向叶片叶型设计及验证

针对涡轮进口导向叶片进口马赫数低、前部负荷小的特点,采用前缘截断思路构建了高负荷涡轮叶型,并采用Pritchard 11参数法进行重构设计。采用数值计算和平面叶栅试验开展了研究和分析。结果表明:高负荷叶型吸力面前缘马赫数显著提升,增加了叶片前部负荷。喉部峰值马赫数基本不变,但位置前移,负荷分布均匀性提高。叶型的马赫数特性和攻角特性表明,高负荷叶型在不同攻角和马赫数下,均能获得较低的总压损失,其中在设计马赫数,叶型负荷提升1倍的情况下,总压损失系数降低259%。      

前缘形状对涡轮叶栅损失影响的机理

通过改变前缘几何形状来分析其在设计攻角、非设计攻角下前缘附近的流动机理.研究结果表明:在宽工况范围内椭圆型前缘表现出了较优越的性能,不但在设计攻角下能很好抑制吸力峰的强度以避免前缘分离泡的产生,而且在较宽的攻角范围内都能保证前缘附近边界层状态基本不变.当正攻角很大时,不同前缘形状前缘附近都会出现分离泡,且会诱导边界层发生转捩,但椭圆型前缘边界层开始发生转捩的攻角会向大攻角方向移动.在20°攻角下,椭圆型前缘叶型的损失相比基准叶型下降了7%左右.进口湍流度的增加不会改变吸力峰的强度但可以减弱前缘分离泡的强度.     

叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响

采用Bezier曲线控制涡轮叶片前缘形状由圆弧形改为非圆弧形,用数值计算方法研究涡轮叶片前缘形状对其气动性能影响.首先以基元叶型为研究基础,数值模拟分析、比较不同基元叶型前缘形状在不同攻角下对涡轮叶栅性能影响.对于正常运行的攻角范围(-15°~+10°),由于非圆弧形前缘表面曲率半径增大较缓,减小了前缘表面流动的法向压力梯度,抑制过度膨胀,减小由摩擦力引起的能量耗散,损失减小,且非圆弧形曲率半径越大,提高性能效果相对越好.而在非设计工况的大攻角条件下,前缘曲率半径缓慢增大将导致叶型分离更严重,损失相对增加.其次以某5级低压涡轮作为验证实例,数值研究分析认为,非圆弧形前缘形状可改善叶片前缘流动特性,提高涡轮效率,但对于远离设计点的非设计工况,由于气流攻角的大幅度改变,会带来涡轮气动性能的负面影响.      

大弯角开槽叶栅槽道位置与结构研究

为拓宽大弯角扩压叶栅可用攻角范围,优化叶片吸力面流动分离结构,本文以一大弯角叶栅为研究对象,对叶片采用压力面到吸力面打通的双“C”型槽道结构处理,在保持槽道长度及其他参数不变的条件下,设置85%、80%、75%、70%轴向弦长四个出口位置研究槽道出口位置对叶栅性能的影响。研究发现,特定攻角下,槽道出口位于吸力面角区分离线起始点之后、尾缘分离线之前,对吸力面流动分离的控制效果较佳;在全攻角范围,槽道出口则取在0o攻角对应较佳出口位置为好。为减小槽道内总压损失,本文提出了一种“SC”型槽道改进结构,在80%轴向弦长槽道出口位置处与双“C”型槽道以及原型叶栅进行对比。结果表明,“SC”型槽道结构相比于双“C”型槽道结构,叶栅尾迹损失及槽道内总压损失减少,槽道出口射流速度提高,叶片尾缘处静压升高;相比于原型叶栅则能有效降低其在全攻角范围内的总压损失,基本消除叶片吸力面附面层分离,削弱角区分离,提高叶栅的扩压能力。     

风扇转子叶型侵蚀前缘再造型优化设计

针对前缘侵蚀风扇转子叶型的优化设计问题,以某小型大涵道比涡扇发动机前缘侵蚀风扇转子叶片50%叶展截面叶型 为研究对象,开展侵蚀前缘再造型的多工况、多目标优化设计。选取0°、+4°和+6°攻角作为参考工况,应用层次分析法分别建立各 工况的权重,通过商业软件NUMECA中FINE / Design3D模块开展大半径环形叶栅优化设计。结果表明：前缘优化显著改善了前 缘侵蚀叶型的气动性能,优化后叶型不仅能够恢复60%以上的由于前缘侵蚀导致的总压损失系数增大,而且在+4°攻角下总压损 失比原始叶型的减小了4.3%。此外,前缘优化对叶型吸力面前缘分离泡的产生和生长具有一定的抑制作用,使其附面层厚度保 持较为良好的发展状态,有效地减小了附面层内部的流动损失。     

叶片表面粗糙度对前弯压气机叶片流动特性影响的试验研究

为了探究叶片表面粗糙度对叶型性能的影响规律,对压气机前弯叶片进行了变雷诺数多攻角工况的叶栅试验。不同粗糙度(Ra=3.0,6.2,12.3)叶片是在轮廓度有所保证的前提下,通过线切割机械加工、喷砂工艺改变表面粗糙度的方式获得。试验结果表明,粗糙度升高确实会诱发层流提前转捩,引起吸力面层流分离泡消失,除此之外,在低雷诺数(Re=9×10~5)下,Ra=3.0与Ra=6.2下叶片表面马赫数分布基本一致,到Ra=12.3时才会较明显表现出叶片吸力面峰值马赫数降低的现象。随着雷诺数升高,叶片表面马赫数分布随粗糙度变化的差异性逐渐显现,但当处于堵塞负攻角i=-6.4°下,粗糙度Ra≥6.2后,叶片性能却维持稳定。另外,粗糙度的增加会降低压力面的粘性损失,升高吸力面的粘性损失及尾迹掺混损失,因此随粗糙度升高,低雷诺数(Re=9×10~5)下总压损失随粗糙度升高呈先增后降的趋势。在高雷诺数(Re≥1.08×10~6),i=2.6°～-2.4°下粗糙度升高会导致损失升高,甚至发生严重的湍流边界层分离。与此同时,发现被研究叶型吸力面前缘(20%弦长前)马赫数分布对粗糙度并不敏感,不会因粗糙度的不同而发生变化。     

基于NURBS的扩压叶栅非对称前缘设计

前缘对扩压叶栅叶型气动性能具有重要影响,圆弧形或椭圆形前缘吸力面和压力面侧为对称形状,未针对两侧流动差异进行不同设计。为进一步提升扩压叶栅气动性能,发展了一种基于三次非均匀有理B样条(non-uniform rational B-splines,NURBS)曲线的非对称前缘设计方法,在保证曲率连续的前提下,实现吸、压力面两侧非对称的前缘构造。将设计方法应用于两圆弧形前缘叶型改型设计,数值结果表明:与原始叶型相比,总压损失系数可分别降低26.3%和23.5%,提高了整体气动性能;同时与对称曲率连续前缘相比,在51.83°进口气流角下吸力峰强度降低13.4%,前缘转捩位置推后4.6%弦长,在大进口气流角下具有更好的气动性能。      

轴向超声速通流串列构型弦长比对气动性能影响的数值研究

为避免高马赫数、大攻角来流引发的叶片颤振,将串列叶片技术引入到超声速通流风扇叶栅中,对其进行串列改型及气动性能研究。利用准二维数值模拟,对串列叶片前、后排叶片的弦长比参数进行了详细的对比研究。结果表明：影响气动性能的关键因素是后排叶片进口压力侧激波的落点,在本文研究条件下,随着弦长比的减小总压损失呈减小的趋势,当弦长比由0.99减小到0.43时,设计攻角下,15°折转角叶型总压损失可减小27%,30°折转角叶型总压损失可减小38%。进一步的研究表明,通过减小弦长比可有效控制后排叶片前缘斜激波在相邻叶片吸力侧的落点以实现损失降低,并且这种降低效应在小弯角叶型上比大弯角叶型更容易实现。     

基于中弧线曲率控制的压气机叶型优化

为提高压气机叶型优化设计水平,基于中弧线曲率控制方法编写了压气机叶片造型程序,将中弧线曲率控制参数作为优化变量,结合粒子群寻优算法对传统可控扩散叶型(CDA)进行了优化研究。结果表明:基于中弧线曲率控制的叶片造型程序能够对CDA叶型进行较好的拟合,拟合叶型的气动性能与设计要求较符。优化叶型在设计点的总压损失降低了约6.34%,优化叶型总压损失随攻角变化较为平缓。在一定攻角范围内,叶型中弧线曲率峰值的前移能够将吸力面马赫数峰值前移,提高叶型吸力面的扩压能力,降低总压损失。在大攻角工况下,改进的中弧线曲率分布能够显著降低叶型总压损失。将中弧线曲率控制参数作为优化变量进行CDA叶型的优化是可行的。     

基于曲率分布控制的叶型前缘设计方法

为了实现对压气机叶片的优化,提出了一种基于曲率分布控制的前缘造型方法,实现了对叶型前缘曲率的直接、精确控制。将该造型方法应用于某工业级压气机的可控扩散叶型（CDA）上,通过数值仿真方法计算了叶型在设计来流马赫数下的全攻角工况性能。结果显示增加前缘曲率能有效拓宽许用攻角范围,减小尖峰扩散因子,在相同攻角下能削弱前缘吸力峰,抑制甚至消除前缘分离泡,避免提前转捩的发生。同时,调整曲率分布使其在靠近前缘点处尽可能"饱满"、减缓曲率下降速度,也有同样的效果。理论分析发现前缘曲率通过调整静压分布影响边界层发展起始流态,从而影响叶型性能。设计前缘几何形状时需要确保曲率连续性,调整曲率分布以减小前缘吸力峰的强度,避免分离诱导转捩的出现。     

向心涡轮跨声速导向叶片叶型设计及验证

以某先进辅助动力装置用膨胀比5.0级向心涡轮跨声速导叶为研究对象,从消除几何喉部前局部超声区及削弱尾缘激波强度两方面着手,对导向叶片进行了优化改进及叶栅试验验证,结果表明：采用大正攻角、小安装角的设计思路,减小喉部前吸力面叶型曲率,降低进口段的通道面积,提高了叶型前段负荷,消除了喉部前的过膨胀区,喉部前气流加速更为均匀;在吸力面喉部后构建局部内凹结构,可将原方案中吸力面尾缘处一道较强的激波变为两道较弱的激波,峰值马赫数降低,尾缘逆压梯度减小,尾缘激波强度得以削弱。试验结果显示：在出口马赫数0.9～1.1范围内,优化后叶型能量损失系数均有所降低,在出口马赫数为1.1时,能量损失系数可降低近20%。     

附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制研究

为研究附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制效果和机理,以高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同抽吸方案对叶栅角区流场的影响以及叶栅攻角特性随抽吸流量组合的变化规律。结果表明:不同抽吸方案对叶片通道中的分离流动的控制机理不同,进而会影响叶片负荷及扩压能力;将吸力面抽吸与端壁附面层抽吸结合起来的组合抽吸方案基本消除了位于叶栅吸力面的附面层分离和角区分离,叶栅叶型损失系数显著降低,在5°攻角下,当吸力面抽吸量为1.88%,端壁抽吸量为0.82%时,损失系数相较于原叶栅降低约63.8%;并且进一步研究发现各抽吸槽的抽吸流量均存在其最佳临界值;在进行组合抽吸时,应针对不同攻角工况,在其相应的临界值范围内选择合理的抽吸流量,以达到用较小的吸气量实现对叶栅分离流动的控制。     

局部规则涂层对气冷叶片测温影响的数值研究

为研究微细热电偶测温安装涂层对其测量精度的影响机理,基于气固耦合传热(CHT)方法,建立了接近真实气膜冷却叶片的三维模型,选择SST(shear stress transport) γ -θ湍流模型,对未喷涂氧化铝涂层与在叶片吸力面前缘、压力面前缘、压力面尾缘处喷涂氧化铝涂层后的气冷叶片表面温度进行数值研究。无涂层工况的数值计算结果与实验结果误差控制在5%以下,验证了数值方法的有效性。研究结果表明:涂层对近壁面燃气的流动特性产生显著影响;三种有涂层工况的数值计算结果表明,压力面前缘处比吸力面前缘处温差波幅小,且比压力面尾缘处测温误差降低35.5%;在压力面及吸力面前缘处,最佳测温区域为涂层中部至下端之间的部位,而在压力面尾缘处,最佳测温区域尽量选择靠近涂层上端部位。      

变工况下超高负荷低压涡轮叶片边界层被动控制

以某超高负荷低压涡轮叶型为研究对象,利用数值模拟的方法通过改变来流雷诺数、自由来流湍流强度和攻角等工况,研究了其对叶片边界层特性的影响,并通过在叶片吸力面加凹槽、矩形拌线、圆形拌线等被动控制方式来改善叶型性能,结果表明:随着雷诺数的增大叶型损失逐渐降低;随着自由来流湍流强度的增加叶型损失先减小后增大;随着攻角向负攻角方向变大叶型损失先减小后增大,向正攻角方向变大时叶型损失迅速增大;在雷诺数和湍流强度变化时表面凹槽的控制方式较好,而攻角变化时加矩形拌线和圆形拌线的控制方式较好.3种被动控制方式促发转捩提前发生抑制分离泡,但都会引起湍流湿面积的增加.