压气机“端弯”叶栅流场结构的试验研究

本文通过“端弯”和“无端弯”压气机叶栅的对比试验及流场显示,论述了“端弯”叶栅改善压气机端区流动和减小端区损失 (并降低沿叶高按质量平均求出的总压损失系数 )的机理。压气机“端弯”叶片的叶盆和叶背叶片力指向都有利于改善端区流动。前者将端壁区外叶盆的高能气体压向端区,后者将端区内叶背的低能气体送向叶中区。这是“端区”损失系数下降的主要原因之一。      

跨声速轴流压气机转子弯掠控制机理

以1.5级跨声速轴流压气机为研究对象，采用三维数值模拟方法研究弯掠叶片技术对压气机不同工况的控制机理.结果表明:设计转速时前掠与反弯的组合弯掠优于前掠与正弯的组合弯掠，而部分转速时正好相反，这是因为不同弯掠方案对跨声速压气机不同工况的控制机理不同.设计转速时弯掠叶片改变叶顶激波强度和位置以及叶顶间隙泄漏涡强度，并改变叶片表面展向“C”型压力分布，三者共同作用从而提高设计转速时压气机的喘振裕度，但也造成设计转速效率下降；而部分转速时，压气机流场中的激波消失，弯掠叶片改变叶顶吸力面逆压力梯度和增强展向“C”型压力分布，两者共同作用使压气机的稳定性提高，但效率也会下降.      

级负荷系数为0.42的小流量轴流压气机 设计与试验验证

由于受限于“尺寸效应”,负荷增大使中小航空发动机压气机性能降低的特征较为明显,这对高负荷压气机设计提出了更大挑战.为深入研究小流量、高负荷轴流压气机,提出了2级高负荷轴流压气机的设计原则和总体要求.针对平均级负荷系数为0.42的高负荷特点,采用强根部、大反力度、低展弦比、叶片端弯和悬臂静子等气动设计方法以提高压气机性能.用全3D数值模拟方法对设计结果进行了校核,分析了其性能和流场结构.为了对设计、计算结果进行验证确认,对压气机进行了试验测量,计算与试验结果吻合良好.结果表明:高负荷轴流压气机设计点的压比为2.73,绝热效率为0.865,综合裕度为15.3％,达到了设计指标要求.     

考虑静叶封严泄漏对压气机端区影响的三维叶片优化

鉴于静叶叶根封严蓖齿间隙的泄漏对压气机端区所产生的不利影响,取某带静叶封严结构的双级轴流压气机为研究对象,采用遗传算法对其进行了气动数值优化.优化自变量为所选双级轴流压气机的后面级静叶近轮毂区叶型的安装角和前缘角,优化目标为极大化该双级轴流压气机的等熵效率.优化后,双级轴流压气机设计点的等熵效率提高了约0.2个百分点.所优化的静叶近轮毂处呈现出了明显的端弯效果.双级轴流压气机性能改善的主要原因是,通过对后面级静叶根部叶型的调整,使其端区来流的攻角值落在了该叶型的最优设计攻角的附近.     

在进气道与发动机相容性方面反旋流措施的工程应用研究

进气道旋流是进气道与发动机相容性的一个重大扰动参数，从飞机总体布局，发动机设计方面入手，研究了现存飞机对旋涡的防止和反抗措施，新发现：低压压气机前面级静子叶片采取“端弯”技术措施，对提高发动机抗旋流扰动能力，降低对旋流扰动的敏感度十分有利，看好其工程应有前景。     

跨声速风扇的弯、掠三维设计研究

以某小型跨声速单级轴流风扇为平台,采用数值模拟的方法,研究并探讨了弯、掠三维设计技术对具有较高负荷的跨声速轴流压气机性能改善所起到的作用和抑制流动损失增加的机理.分别探讨了在动叶上半叶高和静叶端区采用不同的弯、掠形式对风扇设计点以及等转速线上的小流量工况性能的影响.研究结果表明:动叶上半叶高采用反弯设计能够有效改变动叶端区压力梯度,减少泄漏流在出口压力面侧的堆积,增加动叶顶部的通流能力.静叶端区采用前缘反弯和尾缘正弯的复合弯、扭技术,同时实现了端区增容和控制二次流发展的目的,随着流量的减小,弯、扭设计静叶更好地控制住了端区二次流的恶化,端区损失增长明显较直叶片缓慢,风扇的稳定工作范围得到提高.      

端削技术在跨音速压气机上的应用

介绍了端削技术在一台四级跨音速压气机上的实施和试验概况，基于对压气机端区流动状况的分析。利用端削区流动控制技术，对该压气机第3级和第4级静子叶片进行了端区修型处理。改善了压气机级间及其与下游压气机之间的匹配性能。     

应用端弯叶片增加压气机喘振裕度

本文介绍了某型高压压气机考虑端壁附面层影响改进设计的端弯叶片,试验证明:喘振裕度增加7.3％,效率提高4.1％,流量、压比变化很小。飞行试验证明:解决了空中停车问题,在飞行包线内能保证可靠稳定工作,发动机和飞机性能都有较大的提高。     

端弯叶片通道出口二次流的研究

实验并且采用考虑粘性的涡传输方程计算端弯压气机叶片通道出口二次流。给出了３种端弯叶片及对应的原始直叶片通道出口气流偏转角的实验值和计算预测值。研究表明：采用上述方程能比较准确地预测出口气流偏转角；叶片后缘减弯可减小流向二次涡强度。     

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.      

叶片弯曲对压气机叶栅气动性能影响的数值模拟

为了研究压气机中采用弯曲叶片对叶栅流场气动性能的影响，本文应用Beam-Warming近拟隐式因子分解格式以及MML代数湍流模型，采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩N－S方程组，对弯曲叶片压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟。结果表明，在给定的条件下，三种叶栅内涡系结构具有某种相拟似性。反弯叶栅吸力面／端壁角区分离严重，中部流动较为理想；正弯叶栅基本消除了吸力面／端壁角区分离，但中部分离较明显；这些又导致三种叶栅流道中涡的大小和强弱存在明显的不同。计算结果与实验结果比较，两者吻合较好。     

端壁造型技术在亚声轴流压气机级中的应用

为探索利用端壁造型技术来提高轴流压气机性能的可能性,以亚声轴流压气机试验级为对象,对端壁造型技术在压气机中的应用进行了研究.鉴于压气机的逆压工作环境,端壁设计结合了周向(非轴对称)和流向两个方向的造型,具体介绍了造型方法.对端壁造型后压气机级的数值模拟显示:端壁造型技术可以有效减小、消除静子角区分离,进而提高级的效率和压比.      

机匣处理作用下高负荷轴流压气机转/静子匹配设计研究

为了探索机匣处理作用下转/静子的轴向匹配方法以进一步提高压气机级的失速裕度,研究了静子的叶型安装角及"弯"、"掠"规律对压气机性能的影响,针对机匣处理与优化静子的组合结构进行了非定常数值模拟,阐述了该结构的扩稳机理以及压气机新的失速机制。研究结果表明,在机匣处理作用下,静子成为压气机失速的触发因素,通过对静子叶型安装角及"弯"、"掠"规律的优化均可进一步提高压气机级的失速裕度,其中改变静子"弯"型对压气机级失速裕度的改善最大。组合应用机匣处理与尖部反弯根部正弯静子后,压气机效率基本不变,失速裕度提升了80.2%,较单独使用机匣处理提升30.9%。在该组合结构作用下,压气机的失速由静子触发,静子叶根吸力面在激波作用下发生附面层分离,且与轮毂表面附面层相互作用形成角区涡,接近失速边界时,静子叶根形成"前缘溢流,尾缘反流"现象,造成静子通道的大范围堵塞,诱发压气机失速。压气机级的扩稳应充分考虑机匣处理的影响,对静子进行优化设计。     

弯掠叶片气动性能的实验研究

与直叶片相比较 ,对一种具有前掠和正弯积迭线的独特的压气机叶片进行了实验研究。在不同位置采用五孔探针测量了两种叶栅的气动参数并在叶片表面做了墨迹流动显示。结果表明弯掠叶栅端部损失降低而叶展中部损失增加 ,但相应的端部扩压因子有所减小。此外该叶片吸力面上形成了有助于防止低能流体在角区积聚的反C型压力分布。弯掠叶栅改善了端壁角区内的流动并显著降低了叶栅总损失     

三维造型和非轴对称端壁在跨声速压气机中的应用

为了提高跨声速压气机转子的气动性能,基于全三维数值模拟优化平台,对该转子先后进行了三维造型和非轴对称端壁造型,并对造型前后转子的性能和流场结构进行了对比分析。结果表明:三维造型和非轴对称端壁造型均可以改善跨声速压气机的气动性能,三维优化造型后近设计点压气机等熵效率提高了0.75%,非轴对称端壁优化造型后等熵效率进一步提高了0.3%,同时压气机的非设计工况性能也得到提升。三维造型改变了通道内激波位置,调整了负荷沿径向的分布,最终提高了压气机等熵效率。非轴对称端壁通过改变叶根截面叶片表面静压分布,使得叶根附近激波强度减弱并向下游移动,进而有效地降低了端壁区域的横向二次流强度。     

提高航空发动机性能的弯扭导向器技术

给出了采用弯扭导向器提高发动机性能的设计原则：在全三维弯扭设计时，必须在保证涡轮前总温、总压和燃气流量的前提下，合理调整尾喷管面积，提高涡轮后背压，保证在设计转速下涡轮输出功与原型涡轮级相同，从而保证了压气机的设计点和喘振裕度，同时提高了发动机推力、降低油耗。     

压气机“修型”叶栅的实验研究

文中通过压气机叶片“修型”叶栅和常规叶栅的对比实验 ,研究了“修型”叶栅栅后三维流动特征。试验结果表明 ,对常规压气机叶片端部尾缘进行局部修型 (即改变叶片的几何形状 ,但与“端弯”方式不同 ) ,在叶栅损失系数基本不变或略有下降的前提下 ,可以有效地改善和控制栅后出口气流角沿叶高的分布 ,以满足下游动叶进口气流方向的要求。平面叶栅试验结果还表明 ,尽管对常规叶栅端部尾缘实施局部修型 ,减小了端区的叶片出口构造角 ,但对整个气流转折角影响不是太大。同时 ,叶栅自身的流通能力基本不受影响 ,甚至有所改善。此技术已成功地应用于多级压气机和喘振裕度的改善、效率的提高以及压气机不稳定脉动压强 (叶片激振动 )和乱分离的抑制     

采用弯-掠叶片的压气机叶栅变冲角性能研究

利用经过实验数据验证的CFD软件对采用不同掠型叶片的压气机叶栅±20°冲角范围内性能进行了数值研究.结果表明,在任一冲角下,与直叶栅比,前掠和弯掠叶栅中静压分布呈反"C"型规律,端部损失下降,中部损失增加,后掠叶栅则情况相反;随冲角增加,前掠和弯掠叶栅中低能流体在中部积聚增多,损失增加明显;算例中,尽管叶栅总损失有所增加,但弯掠叶栅变工况特性好,可最大限度控制附面层流体在端区积聚,避免角区分离,从而显著加大压气机稳定工作区间,对提高航空发动机总体性能意义较大.     

改进人工蜂群算法及其轴流压气机优化应用

为了探索更优的全局优化算法并将其应用于轴流压气机气动优化上，将标准人工蜂群（ABC）算法中采蜜蜂和观察蜂探索新蜜源的方式进行改进，从而更好地利用总体蜜源的探索信息，得到改进人工蜂群（IABC）算法。经基准函数测试表明，改进算法既能提升全局寻优能力，又能加快收敛速度。采用IABC算法和经过校核的CFD数值方法搭建优化平台，对单级跨声速轴流压气机Stage35进行优化。优化变量为动叶和静叶径向6个截面的弯、掠、前缘重弯值和尾缘重弯值，以流量和压比相对变化保持在0.5%以内为约束条件，以提高绝热效率为优化目标。结果表明：在设计转速下，优化后设计点绝热效率提升0.83%，全工况范围内平均绝热效率提升2.0%，同时喘振裕度提升1.0%，验证了IABC算法在轴流压气机优化中的有效性。     

非对称端壁造型对离心压气机性能的影响

非对称端壁造型应用在轴流压气机和涡轮中具有较好的提高效率的作用。为了探究非对称端壁造型对离心压气机性能的影响,借鉴非对称端壁造型在轴流压气机中的设计经验,借助Autoblade和CFX商用软件,设计了四种非对称端壁造型结构,并对带叶片式扩压器的离心压气机展开数值计算研究。研究发现,与原型压气机相比,采用压力面附近为凸曲率形状、吸力面附近为凹曲率形状的非对称端壁造型结构PEW1_10%(profiled end wall 1_10%)可以在保证全工况效率不降低的情况下,使离心压气机的性能曲线向小流量和大流量均有拓展,稳定工作范围扩大11.8%。通过分析流场发现,在近喘振工况,非对称端壁造型PEW1_10%使扩压器通道内流量重新分配,吸力面附近径向速度增大,低能流体减少,改善了扩压器通道的流动状况,进而推迟喘振的发生。