发动机压缩系统稳定工作边界的预测方法

本文介绍一种模拟发动机(涡喷、涡扇)压缩系统气动稳定性的数值模型和数值方法,并给出3 个算例及其分析。它可用以预计部件台或双轴涡喷、涡扇发动机环境中风扇和高压压气机的稳定工作边界。发动机的主调节规律可以是nf=常数或nh=常数。初步结果表明,描述气动稳定性的数学模型和稳定性判别方法是可行的。级特性(级性能模型)对稳定性预算结果有重要影响。      

兼顾多状态的核心机驱动风扇级与高压压气机设计

针对变循环发动机压缩系统多模式和多工况的工作特点,开展了核心机驱动风扇级(CDFS)多状态和多目标兼顾设计,CDFS、前涵道引射器和高压压气机气动一体化设计,大攻角范围、低损失可调导叶和静子设计。针对压缩系统的气动设计难点,在设计点选取、叶片造型、流场设计、调节规律设计方面提出了解决措施和优化方向。数值模拟与试验结果表明:实现了压缩系统在多模式下的性能兼顾,达到了预期的流量调节范围和涵道比调节范围,满足了设计指标要求。     

紧凑布局核心机驱动风扇级设计参数影响分析

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气动布局、预旋分布和转子径向负荷分布对CDFS性能的影响。数值结果表明:利用CDFS静子取代高压压气机进口导叶是一种紧凑高效的CDFS气动布局;CDFS效率所受的影响主要来自转子效率的变化,工作裕度所受的影响主要来自静子负荷的变化;增加CDFS转子叶根的设计压比可以降低CDFS静子叶根的气动负荷,从而使CDFS获得更为均衡的性能。     

试验和测试技术在风扇/ 压气机 气动设计中的作用

为了使试验结果更好地指导风扇/压气机的气动设计和优化,从多级风扇/压气机气动设计的现状分析入手,通过理论分析结合具体气动性能调试的试验过程,说明了风扇/压气机设计阶段、任务、要求和主要面临的问题,给出了多级风扇/压气机气动设计试验和优化的主要流程,包括性能试验的项目、时机、数据获得的种类、内容和分析方法。提出了试验和测试技术所需达到的水平和目标。应用该流程的某型高负荷3级风扇性能调试结果表明:设计转速喘振裕度提高约5.8个百分点。     

基于统计特征的轴流风扇/压气机性能试验数据相关性分析

采用关联统计的系统研究思想,收集整理了国内14台轴流风扇/压气机性能试验数据,在分析、识别大流量风扇与高压比压气机变工况特性曲线形状结构特征的基础上,提出了表征风扇/压气机气动性能的两类基本属性.通过尝试构建多种无量纲物理参数,在统计层次上探索了风扇/压气机特性曲线变转速偏移程度和等转速工作范围的量化关联关系.结果表明:大流量风扇非设计转速特性曲线的偏移程度和有效流量工作范围均要大于高压比压气机;风扇/压气机最高效率线上相对压比、相对流量、相对流量-转速比和相对加功量-转速比4个物理参数之间存在明显统计规律;所构建的经验数学模型可以对性能试验数据做统一相关性分析.      

风扇/压气机气动设计系统建设初探

简述了中国一航沈阳发动机设计研究所风扇/压气机气动设计系统建设的基本思路.为了积累设计经验、规范设计方法、减轻设计人员劳动强度、提高设计效率和可靠性, 在多年风扇/压气机设计及型号研制的基础上, 初步完成了可视化、网络化的风扇/压气机现代气动设计系统的建设.该系统已经过初步测试, 现已应用于工程设计中.      

民用大涵道比涡扇发动机压气机叶片重量估算方法

针对民用大涵道比涡扇发动机的设计特点,基于部件一维气动设计结果,分别建立高压压气机叶片(增压级、中压压气机叶片重量估算模型与高压压气机叶片相同)、风扇叶片重量估算模型:通过简化高压压气机叶片结构,采用等效厚度、气动修正因子等方法,建立了基于统计分析法的高压压气机叶片重量估算模型;通过分段简化风扇叶片结构,采用弦长、最大厚度拟合规律及分段求解体积等方法,建立了基于统计分析法的风扇叶片重量估算模型。     

风扇／增压级的设计及试验研究

介绍一台先进风扇/增压级的设计及试验。设计点的风扇外涵级压比为1.629,绝热效率为0.889,内涵低压压气机增压比为2.73,绝热效率为0.891,增压级为4级。气动设计采用了一套完整的设计体系,设计重点放在提高效率和增大主要工况气动稳定性上。经模型件试验验证,风扇性能超过了设计指标,增压级性能基本达到设计要求。     

多级轴流风扇/压气机非设计点性能计算方法

为更好反映现代轴流风扇内部流动特征,将适合于高马赫数来流的双激波模型引入基元叶栅法,发展了一种多级轴流风扇、压气机非设计点性能计算方法。该方法通过引入雷诺数修正,考虑了雷诺数对风扇/压气机性能的影响,并使最大静压升系数法可在宽广雷诺数变化范围内预测风扇/压气机稳定边界。该方法灵活、可靠,并经过高压压气机、跨声速风扇及大涵道比风扇/增压级等典型的压气机试验结果验证,既可用于多级轴流风扇/压气机非设计点性能计算,又可发展成为高空低雷诺数条件下高性能风扇/压气机设计和研究的重要工具,有着广泛的工程应用前景。     

缩短多级风扇/压气机三维计算周期的方法

以某三级风扇为例,将其拆分为第一级、前两级和后两级进行三维计算,然后取第一级和两级联算后一级的计算结果与三级联算结果进行对比。分析发现,采用此方式计算的各级气动流场与三级联算结果基本一致,通过此种计算方式可获取符合整个部件联算的各单级性能,为多级风扇/压气机设计提供参考和依据。这也揭示了在多级风扇/压气机设计过程中,可通过该方式以每级作为单元体进行设计,从而大大节省时间、提高设计效率。为验证算法的可行性,以七级高压压气机为例进行了验算,结果表明该方法合理可行。     

基于变导叶调节的涡扇发动机加速过程优化控制

提出了一种利用变导叶调节,基于可行序列二次规划算法的涡扇发动机加速过程优化控制方法,研究发现,通过在发动机加速过程中对压缩部件导叶角度的适应性调节,可以优化压气机和风扇在过渡态的空气流量,使得燃油在满足各方面约束条件下以最大可能的速度增加,从而提升了发动机加速性能.最后,与常规两变量加速过程优化方法进行了对比研究:在相同目标函数和约束条件下,分别进行了两控制量(主燃油和尾喷管喉道面积)、增加风扇导叶调节或压气机变导叶的三控制量的加速优化控制仿真,结果表明,所提出的方法在优化过程中可以使得燃油最大可能速率高于常规方法,且发现压气机导叶角在优化过程的作用优于风扇导叶角,优化后的工作点加速路径紧贴喘振裕度限制边界,且各个约束严格在可行域范围内,3种方案的加速时间分别为5.5,4.9s和4.5s.     

压气机内有效滞止压力概念及其应用探索

提出了有效滞止压力的概念来综合考虑流体微团速率与方向对其做功能力的影响,并结合风扇/压气机内部流动的设计要求,从工程应用层面给出了有效滞止压力和压差系数的定义.初步结果表明,有效滞止压力的应用可以更好地反映流动方向对叶轮机非定常流场的影响,并使得流场性能参数对流场质量的变化更敏感,对于合理分析非定常流场是有益的.      

变循环发动机性能数值模拟

在常规双轴涡扇发动机性能模拟程序的基础上,添加了模式选择阀门、前可调面积涵道引射器、后可调面积涵道引射器、核心涵道等部件模块,并加入了低压涡轮导向器面积、高压压气机转子叶片角度、风扇转子叶片角度、核心驱动风扇级转子叶片角度等调节变量,编写了双外涵变循环发动机性能数值模拟程序,模拟了一种带核心风扇级的双外涵变循环发动机的高度、速度和节流特性.计算表明:与单外涵模式相比,双外涵模式的单位推力和耗油率低,受飞行条件影响的主要为前涵道比.随着低压转子转速的降低,双外涵模式的总涵道比呈增大的趋势,发动机的耗油率大幅降低.此外,变循环发动机在几何调节参数不变的情况下,对工作条件较敏感,必须特别注意各调节参数与发动机工作条件的匹配.      

全三维、多叶排内外涵风扇压气机叶型优化研究

以某风扇/压气机为研究对象,采用全三维叶型优化方法对研究对象在整机条件下进行优化设计.对优化前后风扇/压气机进行全三维数值模拟并对计算结果进行对比分析研究,结果表明:优化后在不改变风扇级总压比的情况下设计点附近效率提高1.05%;在近设计点叶型改进后明显改善了风扇和外涵静子主流道的流场结构,根、尖两个截面流场显示采用新叶型后对内、外涵静子通道内流动均有不同程度的改善.      

低雷诺数条件对涡扇发动机风扇／压气机性能和稳定性影响的试验研究

采用进口节流的方法对 1台 3级风扇模拟低雷诺数条件 ,测取了性能数据 ,并与Wassell的雷诺数对压气机试验性能影响的修正方法进行了比较 ,指出其对流量和喘点压比计算的修正量偏大 ,这一结论可为发动机设计和预估性能提供参考     

涡扇发动机过失速性能数值模拟

基于风扇、压气机的级特性 ,发展了涡扇发动机过失速一维非定常逐级模拟技术 ,采用了分析压缩系统过失速响应的动态滞后方法 ,通过调节发动机尾喷管的出口面积来模拟发动机的过失速状况 ,得到了合理的定性结果     

涵道比调节对核心机驱动风扇级与高压压气机匹配性能影响

根据某核心机驱动风扇级与高压压气机匹配气动布局的特点,建立了匹配状态点关联预估简化方程并发展了匹配性能预估程序。基于两个压缩部件性能试验数据,进行了典型匹配状态涵道比预估及特点分析,研究了等转速下涵道比调节对两个压缩部件工作状态点变化规律以及匹配性能影响。结果表明:(1)涵道比设置不合理将会导致压缩部件发生旋转失速或喘振现象,从而影响两者的匹配工作;(2)随着涵道比增大,核心机驱动风扇级工况点逐渐从近喘点向堵塞点方向偏移,而高压压气机的工况点变化趋势正好相反。核心机驱动风扇级的流量变化范围比高压压气机的窄,这使得匹配总压比-流量特性线更加陡峭;(3)存在最佳匹配涵道比使稳定工作裕度和近失速边界匹配总压比达到最大,并且此时的匹配峰值总效率接近最大匹配峰值总效率;(4)随着匹配转速的提高,典型匹配涵道比呈现逐渐减小趋势,外涵流量在85%换算转速时达到最大,因此在进行外涵流道设计需全面考虑压气机的工作特性。      

Numerical analysis for the matching of the core driven compression system in a double bypass engine

The numerical analysis for the matching of the core driven compression system in a double bypass variable cycle engine was presented in this paper.The system consists of a one-stage-core driven fan stage(CDFS),an inner bypass duct and a five-stage high pressure compressor(HPC),providing two basic operating modes: the single bypass mode and the double bypass mode.Variable vanes are necessary to realize the mode switch of the system.The correct matching in the double bypass mode requires a proper combination of the mass flow,total pressure ratio and blade speed.The work capacity of the system decreases in the double bypass mode and the pressure ratio tends to decrease more for the CDFS and the front stages of the HPC.The overall system efficiency is higher in the double bypass mode.The radial distributions of aerodynamic parameters are similar in different modes.The notable redistribution of mass flow downstream the CDFS in the single bypass mode leads to strong radial flows and additional mixing losses.The absolute flow angles into the inner bypass increase for the inner span and decrease for the outer span when the system is switched from the single bypass mode to the double bypass mode.     

相似设计在某风扇改型设计中的应用

针对某涡扇发动机推力增大的动力需求,在充分分析原型风扇性能和流场的基础上,对原型风扇进行了改型设计.改型设计的方法采用“轴流/离心压气机通用叶片造型设计系统”,依据相似理论,在保证第2级风扇进口的相似准则和原型一致,即保证改型与原型第2级风扇在进口的换算流量和换算转速相等的前提下,来增大第1级风扇的流量和压比.经过三维流场计算和分析,结果表明:在风扇转速提高到1.011的情况下,流量提高到1.071,压比提高到1.074,效率提高到1.029,裕度比原型提高了0.8%,达到了性能指标的要求,改型设计结果比较理想.总体对风扇的性能和整机匹配性分析和评估表明:该风扇改型设计方案能够满足该涡扇发动机推力增大的需求.      

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.