多级轴流压气机非设计性能的数值预估

采用LU-SGS隐式解法以及叶排间掺混面模型数值模拟压气机三维粘性流动,研究了多级轴流压气机的设计与非设计状态性能的预估问题。对一台五级高压压气机进行了详细的流场数值计算,包括了设计转速的100%,90%及80%等多个转速及各种工作状态。结果表明,本文所建立的数值方法与计算机程序对多级轴流压气机各种非设计状态的计算都具有收敛容易和快速的优点,计算得到的压气机总性能和各分级性能与设计参数进行了对比,证明该方法和程序的预估结果是比较准确的。根据设计转速下的计算结果,预估了压气机设计点的喘振裕度。此外,还对不同状态下叶片进口气流角的变化进行了分析。      

基于通流程序的低速模拟气动设计及数值验证

为了验证多级轴流压气机出口级性能,开展四级重复级低速模拟气动设计,并坚持以二维设计为主,三维数值验证为辅。利用相同的设计系统,建立了高低速压气机之间相似的二维流场和叶表无量速度分布。随后,低速与高速压气机三维数值计算结果对比表明,压升系数特性吻合,流场相似,且叶表无量纲速度由设计点到失速点保持一致的变化趋势,进一步验证了二维设计的可行性;利用相同的系统设计高、低速压气机,有利于形成高速-低速-高速的良性循环,有利于完善基于通流程序的设计体系,积累设计经验。     

跨音速压气机级三维紊流流场数值模拟

在对跨音速压气机级的动／静双叶排中的三维定常紊流流场数值的模拟中，利用三阶高分辨率ＮＮＤ格式和ＬＵ－ＳＧＳ隐式推进迭代法，既保证了流场中激波的模拟质量和粘性流动特征的正确预估，也实现了求解过程的高效率。对某单级跨音速压气机的计算及其与实验数据的对比证实了本文方法的有效性。将计算推广至多级轴流叶轮机械的情况将会是十分简便的     

4 级重复级低速模拟压气机的试验与计算

低速模拟试验技术为航空发动机高压压气机设计体系的发展完善以及关键技术验证提供了重要手段。为了验证和完善低速模拟试验技术,对1台模拟某高压压气机后面级的4级重复级低速大尺寸压气机进行了详细的试验研究,并利用小尺寸高精度5孔气动探针获得了详细的转静子出口流场数据。试验结果表明:该4级压气机实现了典型的重复级流动,较好地模拟了高速原型的流动特征,随着流量系数的减小,静子尾迹均匀增厚,未出现角区失速,流场组织合理。基于试验数据对常用的CFD软件进行校验,表明CFX、Numeca和Turbo在叶片落后角、转子叶尖泄漏和静子损失等方面模拟存在不足。     

引气对多级轴流压气机性能影响的数值研究

首先以单级轴流压气机NASA-Stage 35为研究对象,采用数值模拟方法,对单级轴流压气机引气机理进行研究,并将相关结论应用于某9级轴流压气机的引气研究中.结果表明:引气对单级和多级轴流压气机内部流场的影响基本一致,多级轴流压气机受级间匹配特性影响总体性能变化与单级轴流压气机有所差别.转子端壁引气能够吸除叶尖间隙低能流体并增强转子通道内径向流动,减小叶尖损失,提升级压比和级效率.静子端壁引气能够减小静子端区损失,提升级效率.      

三维跨声速多级压气机中的非定常压力频域分析

为揭示跨声速多级压气机中非定常压力的脉动频谱结构,基于三维定常Denton程序发展了三维非定常计算程序,对三维跨声速多级压气机近失速点进行了定常与非定常数值模拟,并在此基础上对三个典型径向截面的非定常压力进行了频域分析。结果表明:通过对非定常频域图谱的研究,从一个全新的视角来分析非定常流场,可以看到在时域流场中很难直观看到的出口数值反射等现象;在压气机静子的结构设计中,如果某级静子后续的转子工作在跨声速工况下,则该级静子尾缘处会受到较大的非定常气动力作用;多级压气机中后面级叶排频谱结构较为丰富,通过频率的4倍频振幅分量依然较大,在进行动态压力传感器的选型时需要考虑这点。     

轴流压气机静子容腔对性能影响的全三维数值模拟

鉴于轴流压气机静子根部容腔对压气机性能影响显著,本文利用CFD数值模拟手段,以某小流量多级轴流压气机第一级为研究对象,详细分析了该压气机第一级带静子容腔与不带静子容腔模型中的三维流动情况。结果显示,静子容腔叶根间隙泄漏流会造成静子叶根附近的流动发生明显变化,效率下降,级稳定工作范围变窄。     

静子容腔泄漏对某压气机性能影响的数值研究

利用全三维数值模拟方法研究了压气机静子容腔泄漏流动对压气机性能以及流场的影响,研究表明静子容腔泄漏流动不仅导致压气机效率和压比降低,而且使得压气机提前失速,稳定裕度下降5.19%.详细流场分析显示静子容腔泄漏流动对上游叶片排流动影响较小,但对本级静子以及后面叶片排根部流场的影响明显,静子容腔泄漏流动还改变了压气机失速的原因:静子容腔泄漏流动导致第1级静子根部尾缘发生流动分离,使得第2级转子根部攻角过大,整个叶背发生流动分离,引起压气机提前失速.      

多级轴流压气机子午流道堵塞面积律

发展了一个揭示轮毂端区堵塞变化的物理模型,将端壁堵塞量与主要设计参数之间建立起定量的联系,并利用数值模拟方法进行了验证.同时结合飞机跨声速面积律思想,提出了多级轴流压气机子午流道的堵塞面积律,根据此思想改进设计了一台4级压气机,经过数值模拟证明把多级压气机的堵塞量估计与子午流道的轮毂修型相结合,通过轮毂的精确修正,可以改善多级压气机通道的堵塞,使各级的匹配更加合理,效率和裕度得以增加.     

小尺寸多级轴流压气机级间干扰现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,利用Kulite动态压力传感器以及高频压力探针,测量不同转速下转子叶顶动态静压分布以及级间流场,并对测得的动态压力信号进行分析,研究多级压气机转/静干扰作用。结果表明:高转速下,首级转子叶顶测得的流场能够反映典型的超声叶栅流动特征,多级压气机存在的级间干扰作用只影响到首级转子出口流场;中等转速下,级间干扰作用非常显著,影响到首级转子进口,并随压气机节流级间扰动强度增大。对这些级间扰动的对应频率进行模态分析,从而获得了非定常级间扰动的传播速度和模态数。     

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。     

高压压气机低速模拟试验

 设计了一台用于模拟高压压气机内部流场结构的四级重复级低速大尺寸模型压气机。对该低速模型压气机的模拟级(即第3级)进行了详细流场测量。流场测量结果以及三维流场计算结果与模拟目标值的对比表明,低速模型压气机基本达到了设计目标,在70%叶高以下,低速模型压气机可以反映出高速原型的流场结构,同时也表明所采用的"相似准则"是基本可靠的;受加工因素的影响,转子叶片的叶尖间隙明显大于设计值,从而导致在70%叶高以上区域,低速模型压气机的流场参数与设计目标存在一定的偏差,无法模拟出高速原型的流场结构。     

进气畸变对压缩系统稳定性影响的数值模拟

采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程以及激盘－滞后－容积的压气机级模型，研究了进气畸变对航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的影响,在一定物理转速和流量条件下的压气机稳态工作点参数则采用级堆叠方法进行计算。对总压畸变、总温畸变等进气条件下压气机稳定工作边界的变化进行了计算分析，结果表明进气总压畸变和进气总温畸变对发动机稳定性有很大的影响，畸变进气使得压气机稳定工作边界在压所机的特性图中向右下方移动，降低了发动机的喘振裕度。     

轴流压气机中喘振和旋转失速的数值模拟

基于轴流压气机逐级过失速特性，建立了多级轴流压气机过失速瞬态，包括喘振或旋转失速的分析模型。发展了分析轴流压气机过失速响应的动态滞后方法，并确定了压气机过失速响应的统一时间滞后常数。对一实验轴流压气机的过失速瞬态进行了数值模拟，与实验结果的一致性较好。     

不均匀进气对压缩系统稳定性影响的逐级动态响应模型研究

发展了一种分析进口畸变对多级轴流压气机影响的逐级动态响应模型。采用动态压缩系统模型和动态加载技术,建立了一种压缩系统气动稳定性分析的新方法。应用新的模拟方法对一８级跨声多级压气机进行了详细的数值分析。结果表明,所发展的逐级动态响应模型更合理和可靠。基于流动阻塞,给出了一种更为迅速的压缩系统失稳识别方法。     

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。     

用于低速模拟试验的低速模型压气机气动设计

介绍了旨在改善高压压气机性能的低速模拟试验方法,及其在国内外的发展情况。在参考国外成功经验的基础上,基于一定的相似准则,摸索出了一套低速模型压气机的设计方法。为了验证该方法的可行性,针对某方案设计的高压压气机后面级设计了一台4级重复级低速模型压气机。借助全三维黏性流场计算,证明该压气机模拟级进、出口各主要气动参数沿径向的分布,以及转子、静子叶片表面压力系数的分布与高压压气机的被模拟级是一致的。从数值计算的角度初步证明了利用该方法设计低速模型压气机是可行的。     

发动机轴流压缩系统逐级模拟技术

基于轴流压气机逐级过失速特性,建立了一个能够显示压缩系统喘振和旋转失速等过失速行为的一维非定常逐级模拟技术,发展了分析轴流压缩系统过失速响应的动态滞后方法。并将该模型应用于国内某型号的高转速、双转子压缩系统的过失速行为的分析,讨论了时间滞止的常数、燃烧室对压缩系统失速行为的影响,得到了合理的定性结果。