某高负荷前掠双级风扇设计与掠形机理研究

介绍了某高负荷双级前掠风扇的设计方法和设计结果.为改善风扇性能, 采用了转子叶尖和静子叶根适度前掠的设计方法.在此设计基础上对前掠和后掠两个单级的三维数值解进行对比研究, 认为前掠、后掠所得风扇效率的差别很小, 转子通道在三维相对运动中不存在旋向相反的流动形态;前掠明显提高失速裕度的主要原因是转子通道激波曲面按其自身结构的需要而展向发展, 它的展向构形和流向平衡位置不完全随叶片前缘形状改变, 因此前掠增大了激波与前缘的相对距离.      

大涵道比风扇/增压级叶尖间隙影响研究

以某大涵道比风扇/增压级为例,分析风扇转子叶尖间隙对风扇/增压级性能的影响。通过风扇外涵计算及试验结果对比,表明在各转速流量、压比下吻合良好,其中高转速试验效率略高于计算结果,失速裕度基本相当;当转速降低时试验效率偏高更为明显,失速裕度略高于计算结果。分别分析1.0转速、0.85转速以及0.6转速风扇叶尖间隙对风扇/增压级性能的影响,结果表明当转速较高时,随着间隙的增加,激波-边界层干涉与间隙泄漏流掺混导致了大间隙状态二次流损失增加,外涵设计点压比、流量、效率均有所降低,当间隙增加到一定程度时,失速裕度迅速降低;对低转速状态的分析结果表明,随着间隙的增加,设计点效率下降幅度相比高转速状态有所降低,失速裕度随着间隙的增加而增大,风扇外涵特性对间隙的敏感性降低。在各转速下风扇转子叶尖间隙的大小对内涵性能影响不大。     

提高超声速压气机级喘振裕度方法研究

在超声速压气机气动设计时,为实现设计点高性能和宽喘振裕度,提出采用优化方法以设计点性能为目标进行叶片设计,通过转/静子叶片几何手动修改提高压气机喘振裕度。以NASA Rotor 37为原型,应用此方法进行更高性能超声速压气机转子气动设计,并匹配静子,构成压气机级。结果表明:超声速压气机转子通道激波推出和静子大攻角分离是失速发生的主要原因,因此分别进行转子叶片前掠设计、改变叶尖稠度,以控制激波位置,单转子喘振裕度可从约7%提高到18%以上;静子上采用前掠、切向弯、修改叶片数及几何进口角等措施,最终将此压气机级的喘振裕度由约18%提高到30%以上。     

大小叶片轴流级反问题设计及数值模拟

 在常规轴流级流线曲率法通流设计和任意中弧线叶型造型方法的基础上,引入了适合于大小叶片的当量扩散因子叶型损失模型,发展了用Miller-Lewis-Hartmann(M-L-H)模型分别计算大叶片和小叶片激波损失的复合激波模型,制定了大小叶片装配方法,建立了大小叶片通流反问题设计系统。用该系统对某级增压比为2.20的单级高负荷后掠风扇进行了后掠和前掠大小叶片改型设计。经计算流体力学(CFD)检验,维持后掠造型的改型,在不提高设计点增压比的条件下,级绝热效率相当,流量和失速裕度都得到了提高;而大小叶片结合前掠的改型,当考虑单排静子的最大载荷将设计级增压比提高至2.31时,级绝热效率略微降低约0.3%,流量略减,失速裕度则显著提高。算例也表明通流反问题设计系统适合于大小叶片轴流级的设计。     

斜流压气机串列转子流场特性分析

以斜流压气机串列转子为研究对象,运用CFD软件进行了数值模拟,获得了该压气机在100%和80%设计转速下S1流面流场、子午流场、阻塞工况及近失速工况的流场特性,为斜流压气机串列转子的设计和性能分析提供参考。研究结果表明:该斜流压气机在设计转速(69900 r/min)下超声速特性明显,特性曲线较陡峭;当转速小于80%设计转速时亚声速特性明显,特性曲线较平缓。随着转速的减小,压气机的稳定裕度逐渐增大。该斜流压气机串列转子叶根和叶中截面的损失主要来源于叶型尾缘的掺混损失和叶型吸力面的小范围激波损失;而叶尖截面的损失主要来源于叶型吸力面的大范围激波损失、激波与附面层的相互影响的损失和激波与叶尖泄漏流相互作用的损失。该斜流压气机进入近失速工况后,前排转子的激波强度进一步增大,并且叶间存在大范围低速区,造成流动损失进一步增大。     

高负荷低速轴流风扇数值优化设计与实验研究

应用基于自适应遗传算法和复合形法发展的混合遗传算法数值设计平台ADOP,对某高负荷低速轴流风扇TA36A实施气动数值优化。该风扇设计转速2.9kr/min,三维数值结果近设计点流量7.482kg/s,绝热效率为84.54%,失速裕度为16.38%;优化设计后风扇TA36B数值模拟结果失速裕度提高了1.6个百分点,气动效率为85.31%,比原型略有提高。气动性能试验风扇TA36B失速裕度达18.84%,具有较宽的稳定工作范围。     

两级对转风扇非定常特性分析

为研究两级对转风扇的非定常特性,对该风扇进行了设计转速下的定常和非定常数值模拟。结果表明:非定常得到的压气机裕度(15.3%)比定常(14.5%)的更高,主要原因在于近失速时,上游尾迹和泄漏流能改善叶尖吸力面分离;非失速工况时,上游尾迹和泄漏流与下游泄漏流、激波之间复杂的非线性作用会引起熵增,从而导致叶尖流动损失的增加;此外,所有工况下,上游尾迹对叶片根部角区分离都起到了抑制作用,降低了损失。     

多级轴流压气机出口级转子扩张通道优化设计

为提高多级轴流压气机后面级气动性能,针对某多级轴流压气机出口级转子搭建了基于遗传算法和神经网络代理模型的扩张通道压气机优化设计平台,并对其进行扩张通道优化设计研究。根据优化得到的数据库分析了各设计参数对效率和裕度的影响规律。在优化所得解集中选择了两个扩张通道设计方案,探究了其对效率和裕度的影响规律和机制。结果表明:扩张通道设计可使出口级转子在设计流量点的负荷提高12.1%、效率提高1.28%,同时获得12.50%的裕度改善量。基于当地熵产率损失模型可得,扩张通道转子相较于原型转子,其上下端壁损失增加,叶型损失减小。扩张通道转子近失速点堵塞系数变小是其裕度提升的主要原因。      

某掠形跨声风扇设计与数值模拟

采用与计入三维激波结构轴对称流设计程序相匹配的任意中弧线叶片造型程序, 进行某单级跨声、小展弦比、具有小前掠和后掠的内外涵风扇设计.在设计过程中, 通过调整风扇转子压比、叶型最大相对厚度和前后缘厚度等参数沿展向的分布, 以及弯度和最大弯度位置沿弦向的分布, 从设计上减弱了叶片上部的激波强度、降低了激波及其关联的损失, 克服了该风扇转子高相对马赫数与低损失、高效率的矛盾, 内外涵数值模拟结果表明, 该风扇具有宽广的高效率区和高喘振裕度.      

双级对转压气机全工况优化设计

为全面提升对转压气机气动性能,以某双级对转压气机为研究对象,基于人工神经网络与遗传算法,针对转子2叶片在整机环境下进行全工况优化设计,并对优化前后几何形状、总体性能及流场结构进行了对比分析.结果表明:优化后对转压气机全工况范围内等熵效率及压比均得到提升,同时流量范围有所增大.在设计点整机等熵效率提高0.3%,近失速点整机等熵效率提高1.5%,喘振裕度上升了6.37%,稳定工作范围得到显著扩大.优化后转子1全工况范围内等熵效率和压比特性变化不大,而转子2全工况范围内等熵效率和压比均有较大提高,其中在设计点转子2等熵效率上升1%,近失速点转子2等熵效率上升2.5%;在近失速点,优化后转子1、转子2、出口导叶(OGV)尖部流场显著改善.     

对转风扇设计技术研究

为了考察对转风扇的工程应用性,通过气动方案论证、气动设计技术研究、强度颤振分析研究、声学分析研究、非设计点匹配和调节研究以及进口畸变流场模拟研究,初步探讨民用大涵道比发动机对转风扇的设计技术,总结未来工程应用可能面临的问题以及解决方案。与常规风扇设计相比,对转风扇后排叶片在非设计点下的工作状态变化幅度较大,因此后排叶片的设计攻角选取不能过大。虽然较低的设计转速下转子叶片的振动频率不高,但也不必太过担心颤振问题,本文风扇在设计点并不会出现颤振问题。采用对转技术降低风扇转速是降低噪声的有效手段,本文设计的风扇远场最大声压级只有90 dB左右。对转风扇在非设计转速具有较好的性能水平,在工程应用时可以不必调节后排叶片的安装角。对转风扇对进气畸变的衰减作用十分有限,两排转子对转也使得畸变区域的周向相位移动并不明显。     

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.      

跨音弯掠风扇转子叶片的气动弹性剪裁

跨音风扇进口级增压比的进一步提高,主要受两方面的制约,一是效率,二是气动弹性失稳。这两个因素与转子流场中的激波和激波诱导的大尺度分离紧密相关。激波结构又和转子叶片前缘空间曲线形状直接联系。因此,如何精心设计转子叶片前缘空间曲线形状来控制激波结构,就成了当代风扇气动力学的前沿,并导致风扇弯掠空气动力学概念的出现。在具体设计中,此问题可称之为气动与气动弹性综合剪裁。本文简述综合剪裁中的一个组成部分,即气动弹性剪裁问题,并对一个单级风扇转子叶片给出实例。     

跨声串列转子及前后排叶片匹配特性分析

在叶尖折合切线速度为381 m/s的条件下,利用跨声串列转子技术实现了总压比为2.25、负荷系数高达0.55的风扇转子设计.基于数值模拟结果,分析了串列转子前后排叶片独特的匹配特性,及其与常规压气机匹配特性不同的原因;并进一步推导验证了前后排叶片气动参数之间的解析关系,为利用常规压气机设计体系进行跨声串列转子设计提供数...     

风扇转子叶片防颤振设计技术

以某两级风扇为对象开展防颤振设计技术研究。风扇转子叶片设计中，选择了合适的展弦比，既考虑到气动性能水平，还考虑到结构质量和颤振稳定性。采用流固耦合能量法评估所设计风扇的各排转子叶片的颤振稳定性问题，并通过叶片厚度、三维造型、根尖弦长比等设计参数的调整消除颤振风险。研究结果表明:展弦比不应是方案设计阶段防颤设计唯一的关注参数；在叶尖跨声速的转速更容易发生颤振现象；较强的叶尖前缘激波会造成较强的流固耦合作用，形成复杂的气动功分布结构；叶片厚度和尖根弦长比等参数是改善叶片颤振风险的有效参数。      

小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振

从结构力学出发,对某发动机整体叶盘进行了盘片耦合振动特性分析,通过分析小展弦比带掠风扇转子叶片的共振转速、耦合颤振和失速颤振,发现了该小展弦比带掠风扇转子叶片存在2阶与3阶动频与静频振型发生变化的特殊现象,揭示了该小展弦比带掠风扇转子叶片为另一种耦合颤振的问题.通过对该小展弦比带掠风扇转子叶片的结构调整,找出了叶片前掠是该叶片发生此类特殊现象的重要影响因素,适当压缩该叶片的前掠后,从设计上避免了发生颤振的可能,提出叶片各阶频率的分离度需满足10％的设计要求.      

某民用大涵道比涡扇发动机风扇缩尺试验件气动性能数值仿真

根据某民用航空发动机大涵道比风扇1/2缩尺试验任务的需求,利用三维数值模拟软件对该风扇缩尺试验件各个转速下的内、外涵气动性能进行了数值仿真分析,并对缩尺几何、弹性恢复角及涵道比等参数对风扇缩尺试验件内、外涵气动性能的影响进行了对比分析.结果表明:该风扇缩尺试验件各转速下的内、外涵性能都基本达到设计指标;几何缩尺分别引起了风扇外涵、内涵设计点的效率分别降低了1.26%,0.77%;80%转速下,叶尖弹性恢复角减小0.36°使风扇外涵稳定工作裕度扩展了4.04%,但近设计点总压比和效率均有所衰减;双涵道风扇在不同涵道比状态下,内、外涵相互影响,流量-总压比及流量-绝热效率特性是在一定范围内的曲线带.      

高涵道比涡扇发动机结构与力学性能定量评估

针对高涵道比涡扇发动机结构设计需求，提出转子系统、承力系统和整机的结构效率评估参数，建立了结构设计参数与力学特征参数之间的联系。典型发动机评估结果表明:受大尺寸风扇限制，高涵道比涡扇发动机低压转子系统的平均应力系数在0.2~0.3之间，低于其他类型的航空燃气涡轮发动机。在工作转速范围内，低压转子不可避免地存在弯曲型临界转速，须将转子连接结构设计在低应变能区域。机动飞行中，整机的转静间隙值变化范围为［-1.4,1.0］mm，低压涡轮是间隙控制的重点位置。      

跨音速低展弦比轴流风扇转子内部流场的数值研究

采用三维雷诺平均Ｎ－Ｓ方程程序求解跨音速压气机风扇转子内部流场。这个程序采用有限体积显式时间推进方法求解控制方程,方程自变量选取在控制体顶点,采用简单的Ｈ型网格离散方程,离散后的代数方程用两步Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ法进行时间推进求解,使用多重网格和当地时间步长方法加速计算收敛。程序中使用了Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ模型模拟湍流影响。用该方法计算了ＮＡＳＡ６７＃跨音速风扇转子的性能曲线,并重点计算最高效率点工况下内部流场。计算结果与实验结果的比较,证明该法可以用来模拟跨音速风扇转子内部流动。