基于非线性重构的跨声速压气机叶片静气动弹性分析

工作状态的压气机转子叶片在气动力及离心力作用下会发生变形，准确的叶片构型预测对于压气机性能分析和检验具有重要意义。为研究叶片气弹变形对压气机气动及结构参数的影响，采用非线性叶型重构方法获得了Stage 37转子叶片在不同工况下的热态构型。在计算叶片变形时，计入了叶片受力载荷随构型变化的非线性特征以及叶片的变刚度特性，叶片受力载荷与刚度矩阵随叶片构型同步更新。考察了不同工况下热态叶片的变形规律，研究表明:叶型重构方法可有效提高压气机气动性能的预估精度。设计转速下，热态叶片的堵塞流量及近失速点压比较冷态叶片分别增加1.2%和0.24%，叶片变形对气动特性的影响随转速增加而增强。离心力对叶片变形起主要作用，然而气动力的压力反扭作用不可忽略，设计转速下近失速点反扭角较堵塞点增加了14.7%。计算跨声速转子热态叶片构型时，需考虑离心力和气动力的综合作用。     

叶片反扭对跨声速大涵道比风扇性能的影响

使用基于流固耦合算法的叶片反扭程序,考虑了非定常气动力对叶片变形的非线性作用,研究了叶片反扭对跨声速大涵道比风扇性能的影响.以冷态叶型为起点,先计算离心力作用下的叶片变形,在此基础上使用流固耦合程序获得非定常气动力作用下的变形.考察了3个转速下叶片的动态变形对大涵道比风扇气动性能的影响.结果表明:在跨声速工况下,叶片表面激波位置的变化对叶片反扭角有很大作用,在考察的转速范围内,堵塞点使用设计叶型计算的流量大于动态叶型下的流量,数值达7%,将导致发动机起飞推力小于预测值.结果表明在大涵道比风扇设计阶段,预测气动性能使用准确叶型的重要性.      

三维环境下离心/斜流压气机二维叶型优化设计

考虑离心/斜流压气机转子叶片通道内流动的强三维性,提出在三维环境下进行二维叶型优化设计.通过对能量方程中黏性耗散项改进,解决了Denton黏性体积力方法模拟离心/斜流叶轮三维流场效率偏高的不足.将改进流场计算模块与并行遗传算法寻优模块相结合,构成离心/斜流压气机二维叶型优化设计软件.采用所研制的软件,分别对离心叶轮和斜流叶轮叶尖处叶型进行优化设计.优化叶片基本达到目标流量和压比,在整个工作范围内效率都提高明显:在设计点离心叶轮效率由0.938提高到0.947,斜流叶轮效率由0.899提高到0.918.      

机匣处理对跨声速离心压气机性能影响

为了探索自循环机匣处理对跨声速离心压气机影响,利用全三维数值模拟方法对应用自循环上游槽封闭机匣、自循环机匣处理和光滑壁面机匣结构三种情况下的跨声速离心叶轮进行了详细研究。对比结果表明:机匣处理抽吸槽结构本身对离心级的影响很小;自循环机匣处理使得在近失速区域离心级压比和效率有所增加。通过详细的流场分析表明:机匣处理可以降低叶片尖部负荷;自循环机匣处理通过引走叶轮通道内气流并回流到上游,可以延缓叶轮进口攻角的变化和激波的推进,从而延缓离心叶轮的失速。     

基于热态叶型的小轮毂比弯掠叶片结构保形设计与优化

发展了一种保持且基于气动设计给定的热态叶型的冷态叶型迭代解算方法,并将其融入叶片罩量调节的优化设计,其中在热态叶型的基础上调节罩量,针对冷态叶型计算变形与应力等,变形后的叶片逼近热态叶型,尽可能减小了对热态叶型气动特性的影响.实现了冷态叶型迭代求解与罩量调节中结构有限元网格的自动更新,并基于iSIGHT优化平台,建立了叶片罩量调节多目标优化设计的自动化分析流程,并以一小轮毂比弯掠风扇叶片罩量调节为例,考查了罩量调节中考虑轮盘与否对优化设计结果的影响.计算分析实例表明:所发展的方法可在保持热态叶型的前提下使叶片最大应力和最大变形分别下降了10.6%和46%.      

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.      

跨声速风扇叶片反扭影响因素研究

基于结构几何非线性大变形的静态分析和流场分析,使用叶片反扭设计的流固双向耦合的数值模拟方法,得到NASA Rotor67跨声速风扇叶片的冷态加工叶型。研究了材料、气动工况、转速对叶片静态变形和反扭设计参数的影响。结果表明:转速对叶片反扭的影响最显著,气动工况次之,材料的影响最弱;另外,这三种因素和叶片反扭的关系,与其和叶片静变形量的关系有较大相关性。     

发动机斜流压气机叶尖间隙稳态数值分析

燃气涡轮发动机旋转叶轮的叶尖间隙对其性能和结构可靠性均有较大影响,因此国内外的相关研究机构在叶尖间隙控制方面进行了大量的数值分析和试验测试工作.利用Ansys软件采用流-固-热耦合分析方法,分析了某型发动机斜流压气机叶片、机匣的热、机械、气动载荷产生的结构响应,得到了发动机不同稳态状态点下斜流压气机叶尖间隙沿轴向的分布规律.结果表明:斜流压气机叶尖和机匣位移响应沿轴向的变化趋势一致,位移响应的最大值均位于机匣曲率最小的位置;在机械载荷最大点,叶尖间隙小于设计点相应值,而在热载荷最大点,叶尖间隙远大于设计点相应值.     

跨声速离心压气机多部件耦合优化扩稳

基于最优拉丁超立方采样、多项式代理模型、傅里叶幅值敏感性试验、梯度变异混合优化算法构建了跨声速离心压气机耦合优化方法,实现了自循环机匣处理扩稳的同时不降低等熵效率的目标。耦合优化后压气机气动性能全面提升,设计点和近失速点的等熵效率分别提高2.79%、1.82%,且峰值效率略高于实壁机匣压气机。耦合优化扩稳增效的机理是：自循环机匣抽吸流量增大,更多低能流体被移除;叶轮入口攻角改善,流动分离风险减小;前缘激波与叶尖泄漏涡干涉被抑制,叶轮下游低能流体减少,周向均匀性增强;机匣回流槽入射角增大,叶轮入口径向畸变被削弱;叶轮叶片尾缘安装角及扩压器有叶段尾缘半径的增大弥补了等熵效率损失;叶轮叶片前缘后掠角减小弥补了堵塞流量。     

离心压气机流动控制机匣新型处理方式研究

为了提高某带小叶片离心压气机的稳定裕度,采用了新型的机匣处理方式,对机匣处理前后的压气机流场进行了数值模拟分析。计算结果表明:(1)在机匣处理后,离心压气机稳定特性得到一定的改善,失速点向小流量方向拓展,压气机流量裕度在100%设计转速下提高了3.5%,在90%设计转速下提高了2.5%;(2)在机匣处理后,相同流量下的压气机压比特性和效率特性都有一定程度的损失,流量在100%设计转速下小于2.15kg/s,在90%设计转速下小于2.00kg/s时,最大效率分别下降了约1.7%和约2.5%。     

大涵道比涡扇发动机风扇转子叶片优化

采用掠形设计技术对一台大涵道比涡扇发动机的风扇转子叶片进行了三维优化.通过三维定常Navier-Stokes（N-S）方程计算,分析了叶片尖部及根部掠形设计参数对风扇转子性能的影响.结果表明,叶片尖部前掠和根部后掠都能增加风扇转子的堵点流量,扩大其稳定工作范围.采用叶片尖部前掠和根部后掠的组合方案优化了叶片.单转子计算结果表明,优化后叶片的堵点流量增加约2%,设计流量点总压比和等熵效率分别增加5%和2%;风扇/增压级整机内外涵联算结果表明,优化后在起飞、巡航和爬升转速下,外涵的稳定工作范围都明显增加,巡航转速下,堵点流量增加约2.3%,失速点流量减小约5.2%,设计流量点的外涵总压比和等熵效率分别增加2%和0.8%,优化后内涵特性没有明显变化.      

亚声速半开式离心叶轮叶顶间隙的流动特征

针对半开式离心叶轮的间隙泄漏和间隙气流对气动性能的影响,采用数值方法分析了3种叶顶间隙值下叶轮的气动性能、设计工况下的叶片载荷分布、间隙流动气流角以及泄漏涡的分布特征.结果表明:叶轮叶片表面的压力分布规律不受叶顶间隙的影响,但叶片载荷在叶片的中后部有不同程度的减小;间隙处的内泄漏流动本身引起的流动损失较小;与零间隙相比,间隙处的内泄漏气流对流道前半段主流的影响甚微,但在流道中部以后,间隙流扰乱了主气流方向,并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区,造成明显的熵增,带来不可忽视的能量损失.希望所得结果能为建立半开式离心叶轮的间隙气动模型提供参考.      

小流量高速离心叶轮参数设计和三维造型

对小流量高速离心叶轮一维气动优化设计及快速三维造型方法进行了研究,并发展了相应的计算程序.采用所述的方法,以Krain叶轮为基准对象,在保证原设计点性能的情况下进行了叶轮的全新参数设计和快速三维造型.造型中对叶片中心线进行了曲率优化控制,使得叶片符合气动性能优良的“S”型叶片.最后采用经校验的CFD软件对新设计的叶轮进行了全三维数值验证.数值验证结果显示:在设计流量时等熵效率为93.9%,增压比为4.794,与Krain叶轮设计点CFD验证的结果偏差分别为0.24%和2.14%,验证了该设计方法及程序的可行性.      

基于人群搜索算法的Dykas汽轮机叶栅型线重构

针对汽轮机叶片智能优化设计中的叶片参数化建模与型线重构问题,首先基于三次Bezier曲线推导了叶片型线的坐标方程,根据叶片基本几何参数实现了汽轮机叶片型线的参数化表达。在构建的参数化模型的基础上,根据已知的叶型坐标点数据,采用人群搜索算法(SOA)重构实际汽轮机叶片型线,并通过叶型重构算例对SOA和粒子群算法(PSO)进行了对比分析。结果表明：基于Bezier曲线构建的参数化型线光滑性好质量高,所提方法可以任意修改叶型几何参数并再生模型,实用性较强且效率较高。基于SOA优化算法的叶片型线重构方法可以准确重构Dykas汽轮机叶片型线,且SOA重构叶型的方法收敛速度快、收敛结果更稳定,为汽轮机叶片优化设计奠定基础。     

基于改进Bezier曲线的复合叶轮式离心泵参数化设计及性能仿真

针对复合叶轮式燃油离心泵的高效设计问题,提出一种基于改进Bezier曲线的叶轮参数化设计方法,并进行了试验验证及性能仿真分析研究。通过引入比例系数来约束五点四次贝塞尔样条曲线的控制点参数,进而采用该改进的Bezier曲线方法完成叶轮的轴面轮廓型线设计。结合一级辅助叶片偏置设计方法,完成复合叶轮的参数化设计。基于上述方法,以某型燃油离心泵为例进行设计及三维建模。最后,通过外特性试验验证设计方法和仿真方法的有效性,并对所设计的复合叶轮式离心泵与普通叶轮离心泵进行性能仿真对比分析。结果表明：仿真与试验预测的扬程和效率结果基本吻合,所提出的设计方法和采用的仿真方法能够有效完成复合叶轮式燃油离心泵的参数化设计和性能仿真。此外,相比普通叶轮离心泵,复合叶轮式燃油离心泵压力分布相对均匀,无明显的流动损失,且进口流动有利于抗汽蚀性能。     

某压气机静叶基元叶型优化设计及实验

为了得到更加适合压气机静叶的叶型以降低气动损失,提取了静叶中径处的叶型,通过平面叶栅实验获得了原叶型的损失特性,发现原叶型气动损失较高,需要通过合理匹配设计参数来降低损失。为此,搭建数值优化平台在约束空间内搜寻气动损失更低的叶型,目标函数的构建综合考虑了多个冲角下的总压损失系数以提升叶片的变工况性能。优化结果显示：目标函数值降低了约9%,进一步实验研究发现,在实验涉及的整个马赫数和冲角范围内优化叶型比原叶型具有更低的总压损失系数,设计工况总压损失系数较原型叶型下降了31.3%,提升了叶型在正冲角边界附近的抗失速能力,设计进口马赫数正4°冲角下气流折转角增加1°。通过对实验结果的深入分析,解释了叶型性能提升的机理,对工作在相似环境的叶型设计及多目标优化方向给出了建议。     

离心压气机进气流场研究及控制

对某车用增压离心压气机进行了三维数值模拟,研究了离心压气机设计点和不同转速下近喘振点进气流场,基于此提出了离心压气机进气轮盖导叶流场控制措施并进行了验证实验.研究表明:离心压气机近喘振点压力面与吸力面压力差异影响到进气流场,导致进气口轮盖附近出现与叶轮转向相反的切向速度;且从低转速到高转速,该与叶轮转向相反的切向速度逐渐增大;离心压气机设计点进气在叶片压力面和吸力面前分别形成与叶轮转向相反和相同的切向速度区域,该区域不限于轮盖附近.轮盖导叶的流动控制方法可以有效抑制近喘振点切向反速度,实验结果表明,轮盖导叶使得离心压气机整体性能得到了提高,在90000r/min近喘振点压比提高了3.4%,效率提高了3.0%.      

基于数值优化方法的离心压气机工作轮气动设计

将三维N-S方程流场计算、网格自动生成、Hicks-Henne函数叶型和子午面流道参数化与单纯形法寻优相结合,研究构成离心压气机工作轮自动优化设计软件。采用本文方法进行气动优化设计,流场计算要求有较高精度。对Krain工作轮的计算并与实验结果比较表明,流场计算程序具有令人满意的计算精度。在目标函数设定时,兼顾非设计点性能达到在设计转速下整个流量范围内的气动性能优化。采用所研制软件,对两个离心压气机工作轮进行优化设计,优化工作轮达到在压比近似不变的前提下效率有效提高。     

基于任意多项式中弧线的单级高效率风扇设计

为了在压气机通流设计阶段考虑叶片弯掠效应,开发了基于流线曲率法的通流设计程序,提出一种基于四次多项式的任意中弧线叶片造型方法,并推导了任意回转面上的中弧线表达式。以此方法为基础,采用通流设计与叶片造型相互迭代的方式开展大流量跨声速风扇设计研究。此风扇级的设计点为巡航状态,设计流量为155kg/s、压比为1.54。研究结果表明:在设计状态,此风扇级的总压比为1.545,转子和级效率分别为0.939、0.916;在设计转速下,失速裕度为17%,转子和级最高效率分别为0.945、0.923;在起飞状态,流量接近440kg/s,效率与巡航状态相当,压比高于巡航状态。