低速模拟设计技术在大小叶片压气机中的应用

针对一个用于高压压气机出口级的高负荷大小叶片压气机进行了四级重复级试验台低速模拟设计研究,探讨了高负荷情况下重复级特征不明显的亚声速级压气机的低速模拟设计方法,以及考虑大叶片和小叶片气动耦合的低速模拟设计方法。研究过程中,通过调整静子叶片的稠度和弯角,采用静子叶片更大程度的几何不相似保证了模拟级转子的低速模拟设计达到高低速转换标准,并保证在不同工况下转静子的匹配关系不发生改变。此外,通过确保大叶片和小叶片叶表无量纲速度相似,并适当调整小叶片的安装角,成功模拟了高速环境下大/小叶片之间的气动耦合效应。三维数值验算结果表明,低速模拟设计得到的设计和非设计工况内部流场和压气机特性都与高速原型具有较好的相似性。     

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。     

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。     

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.      

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。     

时序效应减小转子叶片表面非定常气动力的数值模拟

利用商用Numeca软件模拟了一个1.5级压气机中的时序效应现象,研究了导叶-静子周向相对位置变化时中间转子叶片表面非定常气动力及压力系数的变化。该1.5级压气机为南航低速压气机试验器(LSC)的简化结构,各排叶片数之比为1:1:1。为了孤立分析尾迹和势扰动的影响,还进行了导-转和转-静结构的计算。结果表明,通过调整导叶-静子的周向相对位置,可以使中间转子叶片表面非定常气动力的一阶响应幅值显著减小。     

低速压气机不同静叶弯角对流动特性影响的数值模拟

本文采用全三维粘性数值模拟方法研究了重复级低速压气机不同静叶弯角对流动特性的影响。计算结果表明,静叶弯曲能有效地控制静叶端壁区二次流动,降低端壁区流动损失,特别是有间隙的根部区流动。因此,静叶弯曲后改善了近失速点的流动,扩大了低速压气机的稳定工作范围。另一方面,静叶弯曲促使端壁区的低能流体向叶片中部迁移,使得叶片中部附近的损失增加,从而效率降低。叶片弯曲的同时叶片表面积增大,使得叶片表面摩擦损失增加。几方面原因导致静叶弯曲存在一个最佳角度,本文数值计算结果表明弯角为10°附近流动效率最高     

低速压气机静叶非定常Clocking效应数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法研究了重复级低速压气机内部非定常流动,其中包括静叶Clocking(时序)效应以及尾迹-边界层、尾迹-尾迹和尾迹-泄漏流的相互作用.对静叶时序效应的结果分析显示,当两级静叶相对周向位置改变时最大效率变化只有0.1%,表明低速压气机中静叶时序效应不明显.另外,非定常结果流动图画显示,在非定常环境下上游周期性尾迹的通过对下游叶片边界层、尾迹以及叶尖泄漏流的发展都有一定影响.     

单级环境静叶等离子体流动控制机理仿真研究

在轴流压气机等离子体扩稳研究中,针对单转子压气机流动控制的研究较多,而针对单级环境下静叶流动控制的研究却很少.采用静叶轮毂轴向等离子体激励方式,通过数值模拟方法研究单级环境下静叶流场特性,揭示轴流压气机静叶等离子体流动控制扩稳机理.结果表明:等离子体激励器的轴向位置对单级轴流压气机的扩稳效果影响显著,越靠近叶片前缘,扩稳效果越好;布置在静叶通道后半部的等离子体激励器无法提高压气机的稳定性,而在静叶前缘施加轴向等离子体激励时,近轮毂区气流被诱导加速,主流的轴向速度提高,有效抑制了静叶近轮毂区吸力面的流动分离,静叶近轮毂区的堵塞减小,使得单级轴流压气机的稳定性提高.     

大小叶片压气机级的计算与实验校验

为了考察用于压气机设计的三维计算软件的准确性,对一个低速大尺寸的单级大小叶片轴流压气机进行了计算与流动测量,基于可压缩流动,并在流动细节的层次上全面地考察了计算程序的准确性。结果表明:所用的计算程序对压气机设计点的计算较为准确,流量和压比的准确度可达1%,但对失速裕度的预估能力不足。计算程序对于内部流动细节,尤其是二次流动的模拟不够好,当压气机工作于非设计工况时,这些流动细节计算的不准确会导致整体性能上较大的偏差。     

压气机转子叶片叶尖流场的低速模化设计

针对带进口导叶的高速压气机第1级转子叶片的叶尖流场进行了低速模化设计,为后续的低速压气机叶尖流场损失和失速测试试验做了准备.利用叶片造型和数值模拟方法,以保证高、低速压气机转子叶片表面压力系数及叶片排进、出口主要气动参数分布相似为目标,对高速原型压气机进行低速模化设计,包括调整流道形状,对叶型进行反复迭代,并在进口导叶和1级转子叶片的造型设计上突破了几何相似的限制.最后,对高低速压气机的几何、气动参数和流场结构进行了全面的计算对比分析,证明采用所提出的低速模化设计方法是成功的,实现了在流量系数相同的情况下,加工量因子和转子扩压因子分别为98.16%,94.95%的相似度.      

轴流离心组合压气机性能及流场分析

以某轴流、离心组合式压气机为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同转速典型工作状态下该压气机的性能和流场细微结构,为进一步提高压气机的压比、效率,扩大压气机的稳定工作裕度,对压气机进口导流叶片和第一级静子叶片安装角进行优化调节,对改进后压气机的典型工况进行了数值模拟,并进行了相应的试验研究。研究结果表明优化后压气机稳定工作范围增大,在90%设计转速和最大压比不变的情况下,最高效率提升1.05%,典型工况下流场结构也有不同程度的改善。     

基于伴随方法的单级低速压气机气动设计优化

采用梯度方法对某型4.5级压气机最后级进行气动设计优化研究，梯度由连续伴随方法计算确定，多排伴随方程采用伴随掺混面模型进行数值求解。首先，采用基于经验修正的初步设计方法设计带进口导叶的4.5级低速、低压缩比压气机的原始气动外形。之后，在压气机近失速工况对最后级静子叶片进行伴随气动设计优化，通过优化叶型和安装角降低流动损失，目标函数定义为加权求和形式的熵增和流量偏差，优化中对流量进行约束。最后，开展基于伴随方法的多工况气动设计优化研究，改善两个不同转速条件下最后级的气动性能。优化结果表明，基于伴随方法的多排气动设计优化可以通过改变叶片气动外形提升多排全工况气动性能。     

45°周向压力畸变对轴流压气机影响的实验研究和机理分析

设计了一种45°周向压力畸变模拟发生器, 并在某高速轴流压气机实验台进行了实验研究.在中等转速下, 详细研究了45°周向压力畸变对该轴流压气机级的转子的性能影响, 以及整个轴流压气机级(转子进口、转子出口和静子出口)的压力周向分布.研究结果表明, 在中等转速下, 畸变区的范围在转子出口转移和扩大并不明显, 但是在静子出口扩大了近100%;在转子出口畸变强度明显增强, 而在静子出口强度衰减;与均匀进气的情况相比, 压气机转子压比提高了1.8%, 近失速点换算质量流量减小了2.5%.      

离心压气机进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响

采用数值模拟方法研究了跨声速离心压气机进口导叶与叶轮的静/动叶排相互影响作用,研究包括三种几何间距模型及对同一间距模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定.计算结果表明:交界面位置的设定对混合平面法定常计算性能会产生较大影响,对非定常性能影响很小;叶排间距大小对级性能影响几乎可以忽略,但间距减小会造成流场内压力波动增大;叶轮激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响,且激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成.      

进口导叶角对叶根失稳压气机流动失稳的影响

以一台航空高速压气机为研究对象，通过加装进口导叶调整压气机进气预旋角，采集失稳过程中的动态压力信号，观察不同导叶角度、流动失稳演化过程。结果表明：在负导叶角情况下，压气机由转子叶尖突尖波引起失稳；在零导叶角及较小的正导叶角情况下，由静子叶根区域的局部喘振诱发失稳；在较大的正导叶角情况下，静子叶根在节流过程中首先出现局部失稳，进一步节流导致叶尖旋转失速团出现，压气机完全失稳。分析认为，导叶角的增加通过降低反力度，调整了转静间的负荷分配，从而引起了失速初始扰动发生上述“转子突尖波-静子局部喘振-静子局部失稳”的转变。     

兼顾两种模式核心机驱动风扇级气动优化设计

提出兼顾两种模式核心机驱动风扇级气动设计方法。将S2流面通流计算与遗传算法相结合,寻找最优进口导叶（IGV）出口气流角、关闭角度、单双外涵压比沿叶高分布;实现在转子气动设计时兼顾两种模式。根据IGV基础叶型弯度、安装角对单双外涵流动损失影响研究,确定可调IGV关键参数,实现在IGV气动设计时兼顾两种模式。采用多点优化进行静子叶型优化设计,实现在静子气动设计时兼顾两种模式。对所设计的核心机驱动风扇级进行三维流场计算,结果表明:两种模式在满足总压比和质量流量前提下,单、双外涵模式等熵效率分别达到88.05%和87.17%,且稳定裕度分别达到15.65%和16.28%。      

1.5级跨声压气机中时序效应的研究

以在建中的1.5级跨声压气机试验台所使用的压气机为研究对象,利用计算流体力学方法对其内部时序效应进行了研究.研究表明:静叶尾迹与出口导叶边界层中低能流体发生掺混时,掺混损失小,压气机效率高;静叶尾迹与出口导叶主流区中的高能流体掺混时,掺混损失大,压气机效率低,且最高效率与最低效率相差约0.4%;入口导叶与静叶间时序效应不明显.此外,得出了静叶-出口导叶轴向间隙与静叶-出口导叶间最佳时序位置的关系曲线.      

核心机驱动风扇级的气动设计特点分析

以某核心机驱动风扇级(core driven fan stage,简称CDFS)的气动方案为例,使用新版Denton程序通过数值模拟分析了CDFS的内部流动特点和关键设计参数的影响,总结了CDFS气动设计上的特点和难点:①CDFS需要采用进口可调导叶实现工作模式的转换;②叶尖切线速度和气动负荷不匹配是CDFS难以获得高效率的主要原因;③进口可调导叶出口气流角分布和调节方式对CDFS的性能有重要影响;④CDFS转子气动设计的难点是控制单外涵模式下的激波损失;⑤CDFS静子气动设计的难点在于两种工作模式下其进口气流角的分布和幅值均发生了较大变化.