上游转子对下游静子叶片气动力的影响

为了研究轴流压气机上游转子对下游静子干扰产生的叶片非定常气动力的大小和频率的变化规律,采用在静子叶片表面埋设微型动态压力传感器的方法,在一台低速单级轴流压气机实验器上进行了静子叶片表面压力的测量。测量覆盖了不同轴向间距、不同转速下从近堵塞到近失速的宽广范围,并对实验测量得到的静子叶片非定常气动力进行离散傅里叶变换,以分析其频谱特性。通过对实验结果的分析,初步认识了流量、轴向间距及转速等因素对轴流压气机转/静干扰影响的规律。     

畸变进气下压气机叶片非定常载荷的数值模拟

为了分析畸变进气在轴流压气机转子叶片表面产生的非定常激振力，采用二维无粘线化非定常流理论，建立了周期性气流条件下叶片表面非定常气动力的计算模型，根据实测的畸变实验数据，对某发动机的第一级叶片表面非定激振力进行了计算分析，结果表明在叶片的不同径向位置，非定常压力的分布规律不完全相似，而作用在叶片表面总的非定常气动力在叶尖部位最强。     

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。     

轴流压气机静子叶片非定常表面压力试验

对一台单级轴流压气机静子叶片非定常表面压力进行了测量.叶片非定常表面压力分析表明:失速前,叶片非定常表面压力的主要影响因素为相邻叶排叶片的尾迹和势扰动,叶片非定常表面压力及气动力波动的幅值大小取决于压气机的总压升,主导频率为叶片通过频率及其倍频(主要为2倍频和3倍频),其频率是转子转动频率的整数倍;失速后,叶片非定常表面压力的主要影响因素转变为旋转失速团,主导频率为失速团频率,其频率小于转子转动频率.      

转子叶片表面非定常气动力的构成及叠加分析

数值模拟了一个带有导叶的单级低速压气机中转子叶片表面的非定常气动力.通过研究转子叶片根部、尖部前缘和尾缘局部位置的非定常气动力,阐明了由尾迹和势扰动两种非定常性诱发的气动力在转子叶片表面的叠加特性.结果表明,上游尾迹的影响波及整个转子叶片弦长范围,而下游静子叶片势扰动仅影响转子叶片尾缘附近的脉动压力,改变上、下游叶片的时序位置,当整个转子叶片表面脉动压力的幅值比最大值减小19.4%时,其叶尖前缘脉动压力的幅值仅比最大值减小9.4%.      

Moses失速模型三维优化修正

通过低速轴流压气机失速实验,结合压气机失速仿真云图以及实验中所测得的叶片径向压力脉动图,发现失速后为部分叶高失速,而不是全叶高失速。基于失速预测Moses模型,通过比较不同径向截面计算得到的总压损失,发现沿径向叶片截面安装角的变化对模型的计算结果有影响,通过引入参数B对模型中的参数k进行改进。经过改进后的模型所预测的结果较原模型能够更加准确地预测压气机失速后的情况,改进后的模型可以为压气机设计提供良好的参考设计数据。对高亚声速轴流压气机进行改进,将高速可压这一因素考虑到模型推导中,对模型进行改进,改进后的模型相较于原模型在预测计算高亚声速轴流压气机压比特性上准确度提升了30%。      

单级大小叶片轴流压气机流动分析

采用三维数值模拟手段,对低速大小叶片轴流压气机内的流动进行了分析。结果表明压气机内存在强烈的非定常流动;小叶片将大叶片通道分成的两个通道具有不同的流量和负荷,通道之间的负荷分配对于流动的非定常性会产生较大影响;小叶片的存在重新建立了大叶片通道内的压力平衡,起到了控制大叶片表面的流动和压力分布的效果。      

轴流压气机动静叶片排非定常气动力分析

采用二维N-S方程数值模拟压气机动静叶片排内流动。对于一单级低速轴流压气机中径处流动,计算结果与实验测量值吻合较好。采用傅立叶级数分析方法研究转静子叶片力脉动的频谱特性,研究表明:对于不同轴向间距动静叶排,动静叶片的非定常叶片力脉动基本由其一阶傅立叶分量确定。用一阶傅立叶分量近似叶片力脉动,推得只要扰动叶片排叶片数与被扰动叶片排叶片数不成整数倍,被扰动叶片排总气动力脉动幅值就趋于0。      

上游叶片尾迹对转子叶片非定常表面压力频谱特性影响的研究

为了研究上游叶片尾迹对轴流压气机转子叶片非定常表面压力的影响,采用在叶片表面埋设微型压力传感器的方法,测量了一个单级低速轴流压气机转子叶片的非定常压力分布。对转子叶片非定常压力分布的分析显示:转子叶片压力面非定常表面压力主要受上游叶片尾迹影响,其主导频率为上游叶片尾迹频率及其倍频,压力波动幅度随上游叶片尾迹的衰减而沿流向减弱。转子叶片吸力面非定常压力受叶片附面层和上游叶片尾迹共同影响,其主导频率为上游叶片尾迹频率及其倍频,但是在吸力面前部气流加速区压力波动幅度沿流向增大,而在吸力面后部气流减速区压力波动幅度沿流向减小。在存在尾缘分离的情况下,在分离区附近产生较大压力波动。尾缘气流分离产生的压力波动频谱中含有上游叶片尾迹频率及其倍频的分量,但其频谱可能比较复杂,并非单一地受上游叶片尾迹影响。      

轴流压气机转子叶片表面静压分布实验

在低速轴流压气机转子叶片吸力面50%叶高沿轴向埋入5个Kulite动态压力传感器,并采用固定在压气机转轴上一种新型可存储的数据采集器记录数据,对近设计点和2 kr/min转速不同流量工况条件下转子叶片表面静压进行了实验测量,并与CFD数值模拟结果进行了对比。结果表明,除近失速点外,叶片表面静压实验测量值与计算结果吻合较好,说明所采用的的测量方法是成功的,测量结果是可靠的;在近失速工况,实验值与计算结果差值较大,主要是由试验台振动所引起的实验误差和CFD数值计算对近失速点工况流场模拟得不够准确所导致的。     

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法,针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型,计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应,振动应力达到100 MPa。      

双激盘理论及其在轴流式弯掠动叶栅气动计算中的应用

轴流式弯掠动叶栅对主气流作用有一个不容忽视的径向分力。为此本文提出“双激盘理论”及相应的一套计算方法, 其中包括阻力系数及出口气流角值沿径分布的修正, 用来进行低速低负荷轴流式弯掠(即必须计及叶片径向分力影响的)风扇的设计和性能估计。用一个弯掠动叶和一个非弯掠动叶的风扇进行验证性试验, 结果表明:计算与实测值吻合甚好。      

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

考虑冷气的多级涡轮翘曲S1流面的气动优化

为了缩短涡轮气动设计的周期,进一步发掘涡轮叶型的改进潜力,搭建了多级涡轮的翘曲S1流面气动优化平台.该平台具有速度快,周期短的特点.在考虑冷气的前提下,对多级叶片进行多层并行优化,避免了单列优化后叶列间匹配差的缺点,同时克服了多层S1流面的气动效率此消彼长的缺陷.对某型两级高压涡轮进行了气动优化设计,优化后10%,50%,90%叶高的S1流面的考虑冷气的气动效率分别提高了0.569%,0.490%,0.405%;第1级和第2级考虑冷气的气动效率分别提高了0.18%,0.05%;涡轮整体气动效率提高了0.15%;优化效果明显.经过分析可知,优化有效减小第1级导叶的通道横向二次流损失和第1级动叶的激波损失,第2级的原始叶型设计较为合理.下端壁喷射冷气是降低S1流面优化有效性的重要原因.     

叶尖掉块对跨声速压气机气动性能影响

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨音速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰减;掉块叶片产生的流动堵塞和吸力面气流的膨胀加速会影响到吸力面侧的掉块叶片,进而限制泄漏流的发展,使得流动堵塞和损失维持在较低水平,但这种影响会随着掉块叶片距离的增大而减弱。     

跨声速风扇叶片的静态气动弹性问题

使用时域的流固耦合数值计算方法,研究了跨声速风扇叶片在气动力和离心力共同作用下的静态气动弹性问题,分析了叶片在不同工况下的变形规律及叶片变形对整体气动性能的影响.NASA rotor 67的静态气动弹性计算说明气动力对叶片最大变形的贡献达13.07%, 而且叶片变形明显地改变了通道激波的位置和强度.宽弦空心跨声速风扇叶片的静态气动弹性计算说明叶片变形对总体气动效率的影响为0.15%~ 0.5%,其中气动力对变形贡献在叶片尖部的前缘可达41%,考虑气动力引起的变形使得该风扇的流量增大,气动特性线整体向右偏移.计算结果说明:气动力的非线性对跨声速风扇叶片静态变形问题有显著的影响,工程实践中从设计叶型到制造叶型的反扭过程应该采用流固耦合方法以得到更准确的叶型.      

Aeroelastic stability analysis of a bird-damaged aeroengine fan assembly

Bird strike is a major consideration when designing fan blades for large-diameter aeroengines. Current methods rely on impact tests and structural optimisation but it is highly desirable to have predictive numerical models to assess the aerodynamic and aeroelastic stability of bird-damaged fan assemblies. The aim of this paper is to present such a methodology and to study a representative case. The particular fan assembly under investigation contained two consecutive blades with unequal impact damage, the so-called heavy-damage and medium-damage blades. A detailed finite element analysis of the dynamic behaviour revealed that the vibration modes were significantly different from those of the tuned assembly. The twin modes were found to be split into single modes, some with highly distorted modeshapes, the so-called rogue modes. A nonlinear viscous flow analysis revealed truly unsteady effects and time-accurate aeroelasticity analyses with vibratory blade motion were undertaken to investigate the flutter stability. The computational domain included both a whole-annulus fan assembly and an intake duct and the resulting mesh contained approximately 2,200,000 grid points. The investigation was conducted for two points on the compressor characteristic, the first one corresponding to higher mass flow/lower pressure ratio and the second one to lower mass flow/higher pressure ratio. At the higher mass flow point, the flow separation was restricted to the immediate surrounding passages and the forcing onto the downstream blades was relatively small. However, a rotating stall event was observed for the lower mass flow point and the subsequent unsteady aerodynamic forces on the blade were high. At both mass flow settings, the flutter stability of the damaged fan assembly was predicted to be worse than that of the undamaged reference assembly.     

弯叶扩压叶栅壁面静压分布实验研究

在零冲角下, 对常规直叶片、正倾斜和正弯曲叶片组成的3种平面扩压叶栅的叶片表面和端壁静压分布及相应的出口流场进行了实验研究, 实验表明叶片正弯曲可得到叶片表面上沿叶高的C形压力分布, 叶片倾斜和弯曲可消除壁角区低能流体的堆积, 降低端部损失, 延缓壁角失速, 改善叶栅气动性能。      

A surface parametric control and global optimization method for axial flow compressor blades

An aerodynamic optimization method for axial flow compressor blades available for engineering is developed in this paper. Bezier surface is adopted as parameterization method to control the suction surface of the blades, which brings the following advantages:(A) significantly reducing design variables;(B) easy to ensure the mechanical strength of rotating blades;(C) better physical understanding;(D) easy to achieve smooth surface. The Improved Artificial Bee Colony(IABC) algorithm, which significantly increases the convergence speed and global optimization ability, is adopted to find the optimal result. A new engineering optimization tool is constructed by combining the surface parametric control method, the IABC algorithm, with a verified Computational Fluid Dynamics(CFD) simulation method, and it has been successfully applied in the aerodynamic optimization for a single-row transonic rotor(Rotor 37) and a single-stage transonic axialflow compressor(Stage 35). With the constraint that the relative change in the flow rate is less than0.5% and the total pressure ratio does not decrease, within the acceptable time in engineering, the adiabatic efficiency of Rotor 37 at design point increases by 1.02%, while its surge margin 0.84%,and the adiabatic efficiency of Stage 35 0.54%, while its surge margin 1.11% after optimization, to verify the effectiveness and potential in engineering of this new tool for optimization of axial compressor blade.