低反动度高负荷超声速轴流压气机气动设计方法

对超声速轴流压气机的发展历程进行了总结,分析了两类传统超声速压气机内部流动特点及其所存在的流动问题,并对未来超声速压气机的发展提出了展望.针对超声速压气机内部流动特点,提出了一种新的低反动度高负荷超声速轴流压气机气动设计原理.该原理可有效避免在动叶中进行流动控制,同时降低动叶出口绝对马赫数,并结合附面层抽吸控制静叶栅内部流动,最终实现级的高负荷气动设计.利用该原理进行设计验证,三维黏性数值模拟结果表明:在叶尖切线速度为360m/s的前提下,实现了2.3的级压比,级效率为86.5%.      

吸附式低反动度轴流压气机气动设计原理

针对亚声速及超、跨声速轴流压气机,全面论述了吸附式低反动度轴流压气机气动设计思想,指出了该思想的具体实现形式、应用条件以及各参数之间的相互影响.指出针对亚声速轴流压气机,可利用动叶出口轴向速度提升或增加动叶入口正预旋以降低动叶中扩压因子从而确保动叶流动效率;而针对超、跨声速轴流压气机,可通过提升动叶入口激波后的轴向速度实现气流在动叶中大幅折转并保证动叶效率.其出口轴向速度选取,需兼顾动叶效率以及下游静叶栅入口马赫数以及气流角需求.最后总结了吸附式低反动度轴流压气机的研究进展.      

吸附式低反动度超、跨音速轴流压气机气动设计原理及其验证

当增加动叶转角以进一步提升超、跨声速轴流压气机级负荷时,为解决其内部流动问题,提出了吸附式低反动度超、跨声速轴流压气机气动设计原理。分析了在该气动设计原理指导下,级内参数的演变规律与相互影响。利用该气动设计原理完成了一高负荷超声速轴流压气机气动设计,三维粘性数值模拟结果表明,在叶尖切线速度370m/s的前提下,实现了一级压比2.5,效率87%的压气机级设计。      

一种对转压气机气动设计方法及其验证

结合附面层抽吸技术提出了一种高负荷对转压气机气动设计方法.在高负荷设计前提下,为避免在转动部件中进行附面层抽吸所带来的诸如强度等问题,利用基于动叶出口轴向速度提升的低反动度压气机气动设计原理,提升动叶出口轴向速度以确保动叶效率,附面层抽吸只在静叶中进行.利用该对转压气机气动设计方法,进行了一对转压气机气动设计验证.三维黏性数值模拟结果表明,在第一列转子与第二列转子叶尖切线速度分别为370m/s与350m/s的前提下,实现了总压比为5.85,效率为88%的两级对转压气机气动设计.     

基于动叶出口轴向速度提升的亚声速低反动度轴流压气机气动设计原理及其验证

当动叶转角增加以进一步提升亚声速轴流压气机级负荷时,为解决其内部流动问题,提出了基于轴向速度提升的亚声速低反动度轴流压气机气动设计原理.分析了在该气动设计原理指导下,各气动参数间的相互影响,设计了一个验证级.三维黏性数值模拟结果表明:在叶尖切线速度为213m/s的前提下,实现了级压比为1.5,效率为92.5%的压气机级设计.      

转静干涉对跨声速吸附式压气机流场的影响分析

跨声速低反动度吸附式压气机的静叶流道中不但有附面层抽吸,还会存在由于低反动度设计而产生的激波,因而流动现象异于常规压气机,非定常效应明显,故采用非定常数值模拟方法,对跨声速低反动度吸附式压气机的内流场展开研究。通过选取两个最具代表性的时刻,探究了转静子干涉对该压气机气动性能以及内流场的影响。结果表明:非定常不同时刻的效率峰谷值之差达0.937%,流动的非定常性很强。转子尾迹对静子流道中展向抽吸缝前的区域干涉作用明显。在静叶流道中,分离主要存在于三个位置:30%弦长位置、尾缘顶部以及尾缘根部,其中静叶吸力面侧30%弦长位置的分离原因是激波与附面层干扰,且该处部分低能流体的吸除方式为"螺旋路径吸除",并详细分析了其对流场的积极和消极影响。此外还建立了激波尾迹干涉——激波与附面层干扰——非定常效率波动这三者之间的联系,找出了非定常效率波动的原因。     

小流量多级高负荷轴流压气机设计

以增压比为6的国外某小流量5级轴流压气机为设计原型,在不超过其前3级的轴向长度的条件下,设计了3级轴流压气机,研究其最大增压能力.在采用了正预旋、静子端弯、第2、3级转子叶尖适度斜流等措施后,3级轴流的设计点流量为5.80kg/s,增压比为5.445,效率为0.8272,喘振裕度为11.8%,3级平均级增压比为1.759.研究结果表明:在一定的轴向长度限制下,小流量3级轴流压气机虽可以达到5.5量级的增压比,但其流量特性曲线已经变得很陡峭.      

附面层抽吸对低雷诺数下压气机稳定性的影响

数值模拟了低雷诺数下附面层抽吸流动控制对跨声速压气机稳定性的影响。低雷诺数下附面层径向涡及其诱发的叶顶分离阻塞触发压气机流动失稳,通过在NASA Rotor 37跨声速轴流压气机转子叶片吸力面上设计抽吸槽,探讨了抽吸流动控制对低雷诺数下压气机性能和稳定性的影响．并对比分析了抽吸前后压气机流场特性的变化和抽吸流动控制提高低雷诺数下跨声速轴流压气机稳定性的作用机理。     

超声速低反力度吸附式压气机变工况特性

为探讨非设计点的气动性能,以某3级高负荷低反力度吸附式压气机首级超声速级作为研究对象,借助数值模拟的方法,分别研究了变转速、变抽吸量以及近失速点首级超声速级参数以及内部流场的变化.结果表明:变转速条件下,基于低反力度设计概念研制的吸附式压气机所采用的抽吸方案仍能适应设计要求;减少抽吸量,在降低本级气动性能的同时,增加了其与下一级流动匹配的难度;通过在端壁抽吸槽道前段添加附加抽吸槽道/孔可进一步拓宽吸附式压气机的工作范围.      

高负荷吸附式压气机气动设计与分析

为了进一步提升压气机级压比,采用附面层抽吸技术,初步建立了一套主要包含S2流面通流计算、吸附式叶型无粘反设计、吸附式叶型带附面层抽吸方案优化、全三维时均流场校核的高负荷吸附式压气机设计体系。研究结果表明:依托该体系仅仅使用1.7%的相对抽吸量完成了一台级压比3.51、等熵效率86.82%、负荷系数超过0.6的吸附式压气机设计,并通过了基于非线性谐波法的三维时均流场校核。由于抽吸基本消除了上游转子叶排的尾迹亏损,级间干涉效应微弱,时均与定常特性线中的峰值效率和压比仅相差0.12%和0.003。     

高亚声速轴流压气机的优化叶型

基于计算流体动力学和数值优化算法,研究了一种压气机叶型优化设计方法.以入口马赫数为0.7的高亚声速轴流压气机叶型为研究对象,采用拉丁超立方实验法选取优化变量并构建了考虑攻角特性的目标函数,通过引入Gamma-Theta转捩模型,考虑了附面层转捩的影响,最终获得了可以有效改善攻角特性和降低总压损失的高亚声速轴流压气机优化叶型.计算结果表明:优化叶型可以显著降低入口马赫数为0.2~0.8时+4°和-4°攻角的总压损失,使设计工况(入口马赫数为0.7)下的低损失攻角增加4°以上,优化叶型最佳稠度降低20%并改善低雷诺数时叶栅的流动特性.      

进口导流叶排对轴流压气机级畸变响应特性影响

基于轴流压气机叶片排实验特性，应用畸变传递的矩阵分析模型，对带有进口导流叶片排的轴流压气机级容总压畸变特性进行了详细分析，初步建立了进口导流叶片排对总压畸变及其沿轴流压气机叶片排衰减特性影响规律。计算结果表明，与无导流叶片排相比，带有进口导流叶片排的轴流压气机级具有更强的总压畸变、总温畸变和静压畸变衰减能力，有利于提高轴流压气机稳定工作范围。     

轴流压气机近失速状态叶片通过频率特性研究

为研究压气机转子叶片通过频率特性与压气机气动稳定性之间的内在联系，对某型单轴涡喷发动机的轴流式压气机静子机匣壁面静压信号进行了时频分析。结果表明，发动机运行过程中压气机叶片通过频率特性的变化可以反映特定的压气机级的流态变化。在中小转速的工况下，随着发动机工作点逐渐靠向喘振边界，机匣壁面静压信号中压气机第1级至第3级转子的叶片通过频率信号逐渐增强。与设计点相比，在近失速边界的工况下，压气机第1级转子叶片通过频率幅度增强达10dB以上。此外，在中低转速范围内打开放气带后，压气机前面级转子叶片通过频率幅度显著减小，与流场的变化情况相一致。因此，轴流压气机转子叶片通过频率特性可以提供压气机气动稳定工作状况的重要信息。     

轴流压气机对周向总压畸变非定常响应的数值模拟

基于给定的进气周向总压畸变谱,应用非定常三维时间精确数值计算的方法,研究了NWPU-1轴流压气机转子对周向总压畸变的响应,初步揭示了其在进气周向总压畸变条件下的失速机理.结果表明,在84%设计转速,进气周向总压畸变使转子性能明显下降,其失速点流量增加了4.1%,效率下降了0.5%.进气周向总压畸变引起侧流,导致叶片负荷的变化,部分叶片的负荷过重,叶顶间隙泄漏涡几乎堵塞了整个通道,某些叶片的前缘出现溢流,最终导致压气机转子失速.      

进气畸变对轴流压气机性能影响的准三维计算

为了提高分析进气畸变对轴流压气机气动性能和稳定性影响的能力,发展了一种沿叶高将压气机分割为若干个子压气机、采用二维可压缩非定常的Euler方程描述各子压气机回转面上无叶区的流动,并利用二维可压缩"激盘"取代各子压气机的转子和静子叶排的预测进气畸变影响的准三维模型。稳定边界的确定采用Koch的最大失速静压升系数法,并引用了临界畸变角的概念。计算分析了总温畸变、总压畸变以及总温 总压组合畸变沿多级轴流压气机的传递和对压气机性能和稳定性的影响。计算结果与现有的实验数据十分一致。     

多级轴流压气机彻体力模型——三维应用

利用基于彻体力模型建立的时间推进三维计算模型,获得了某单级跨声速压气机在周向总压进气畸变下的总体特性及流场分布,并与相关试验数据进行对比,以验证该模型的准确性及可靠性。随后利用该模型详细分析了进口分别存在周向总压进气畸变及对涡旋流畸变下某四级低速轴流压气机内部流场特征。单级跨声速压气机总体特性的计算结果与相关试验数据的相对误差不超过2%,且内部流场参数的分布特征也与试验结果相吻合。四级低速轴流压气机的计算结果反映周向总压进气畸变导致压气机气动性能及稳定性恶化,对涡旋流进气畸变则影响有限。同时揭示了不同形式的进气畸变在多级轴流压气机内部的传递过程,充分说明该模型在进气畸变这类工程问题中的广泛应用前景。      

单级低速模拟轴流压气机实验台改进设计

为了使单级低速台能够更好地模拟高压压气机后面级流动,采用导叶+静子+转子+静子+导叶的五排叶片布局,适当提高轮毂比,以及采用3D打印树脂叶片,对常规三排叶片单级低速模拟大尺寸轴流压气机实验台进行了改进设计研究,并与四级重复级低速大尺寸压气机实验台的第三级结果进行了对比。结果表明:改型设计的单级低速大尺寸压气机的设计点效率达到了89.1%,流量裕度达到了32.9%,与四级重复级实验结果基本一致,而且实现了基本相似的级间参数分布,比传统单级实验台更接近高压压气机后面级的典型流动,从而可以利用该实验台成本低和周期短的优势,开展更多更深入的关于高压压气机后面级流动机理和设计方法的实验研究。     

高负荷多级轴流压气机级间引气数值模拟

采用数值模拟的方法,以一台高负荷8级轴流压气机为研究对象,研究了级间引气对压气机总体性能、内部流场和级间匹配特性的影响.结果表明:级间引气可以显著提高压气机的总体性能,引气使得压气机进口流量增加近1%,最高效率提高约1.5%;引气会使引气位置处的压力降低,气流密度减小,从而使得引气位置上游的流量增加,转子最大载荷位置向下游移动,引气位置下游的流量减小,而转子最大负荷位置基本保持不变;引气还会使引气位置上下游各级的工作点位置发生变化,改变压气机的级间匹配特性.同时静子尾部机匣处引气还会使引气位置下游机匣处的附面层厚度减小,改变下游转子的进口条件.      

带周向槽叶尖处理机匣轴流压气机容总压畸变特性

基于叶尖处理机匣轴流压气机叶排实验特性，应用畸变传递的矩阵分析模型，对轴流压气机叶尖处理机匣容总压畸变特性进行了详细分析，并建立了处理机匣对总压畸变及其沿轴流压气机叶排衰减特性影响规律。计算结果表明，叶尖处理机匣虽能有效提高转子叶排抗总压畸变能力，但对其后的静子叶排抗畸变产生了明显不利影响，这对设计合理的扩大轴流压气机稳定裕度处理机匣结构尤为重要。