轴流风扇/压气机气动性能试验若干问题探讨

为提高航空发动机风扇/压气机试验流程控制的合理性和试验结果评定的真实性,在梳理国内航空发动机压缩部件气动性能试验研究现状的基础上,总结提炼出若干重要技术问题,并通过理论分析和部分试验验证,对所涉及的技术问题进行了深入探讨.分析结果表明:风扇气动性能试验和压气机气动性能试验对试验设备排气能力的要求不同;相比升转速录取方式,降转速录取能够优化风扇/压气机的试验流程;可采取不同措施降低测量探针对风扇/压气机试验结果的固有影响;可调导叶/静叶安装角度定位与全行程调节精度是影响变几何多级压气机气动性能试验结果重复性的主要因素.      

轴流压气机特性计算及激波模型研究

为快速准确预估轴流压气机特性和激波损失,基于轴流压气机S2流面流线曲率法,分别采用正激波模型和改进的双激波模型,对某型2级跨声速风扇特性进行数值模拟计算,得到了100%设计转速近设计点与99.76%设计转速近堵塞点的总体性能和气动参数,以及95%、100%和110%设计转速的特性曲线。通过将计算结果与试验数据进行对比,分析研究了各激波损失模型在激波损失预估和风扇/压气机特性计算方面的差异。分析结果表明:在跨声速风扇/压气机近设计点激波损失和特性参数的计算中,正激波模型损失径向分布计算结果接近试验值,总压比和总效率计算值分别较试验值约低1.96%和2.54%,模型能够满足工程需要。而在近堵塞点,改进的双激波模型总损失计算值更接近试验值,总压比计算值和试验值很吻合,总效率计算值比试验值约高7.28%。改进双激波模型的不同转速线效率特性曲线也明显更接近试验值,模型能够较准确地预测远离设计点激波损失和特性参数。     

一种实现轴流压气机试验特性关联的经验方法

采用系统研究思想,对10余台轴流压气机稳态性能试验数据进行了整理分析,在统计层次上探索了现有气动/结构设计体系下离散试验数据之间的内在关联规律.详细阐述了关联基准点的选取、关联基准线的构造、稳定工作边界的预估、特性线的泛化拟合和关联基准点的求解等环节,成功构建了一种实现多级轴流压气机试验特性有效关联的经验分析方法.结果表明:该经验方法对于大流量低速压气机变工况特性具有较好的预估能力,总体相对误差小于±10%.该方法可应用于同类型新设计压气机变工况特性表征关系的经验重构和先期性能评定,为压气机离散试验数据的挖掘、利用提供技术支持.      

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。      

对转叶轮机技术挑战分析

为获得关于对转叶轮机共性问题的认识,在回顾对转叶轮机发展之后,采用速度三角形方法分析了“对转”造成的气流预旋范围和变工况运行方面的技术挑战。分析表明:除带来更严峻的噪音、振动及高周疲劳问题外,对转叶轮机还将面临气流预旋范围受限、变工况运行更加复杂两个挑战。使用对转叶轮机方案前提条件是对转导致的气流预旋范围能满足总体循环提出的要求;对转叶轮机设计时尽量选取低转速比、低流量系数;对大转速比、高流量系数对转叶轮机,应尽量使前排出口相对气流角β1<40°~50°,否则,对于对转风扇/压气机就只有改变下游叶片安装角;有时需要采用可调叶片以应对对转风扇/压气机变转速变工况问题。研究结果将直接用于判断对转叶轮机适用性及确定对转叶轮机基本设计参数选取原则和范围。     

多级轴流压气机S2正问题气动性能优化

将求解多级轴流压气机特性的S₂正问题计算程序集成在ISIGHT优化软件上,构建压气机S₂正问题气动性能优化平台.针对某4级轴流压气机,通过调整沿径向截面的叶栅弯角、叶栅稠度、叶型最大相对厚度等参数,考核设计几何参数对S₂正问题计算效率目标函数的影响程度,择优选取设计参数作为优化变量,建立响应面模型,结合遗传算法,对目标函数进行优化.结果显示压气机特性整体提高,设计点压比增加19.6%,效率提高4.66%,折合转速1.0下的稳定裕度增大到22.32%,验证了构建优化平台在压气机气动设计中的实用价值,可供内流叶轮机气动性能优化设计参考.      

对转压气机转速比变化对稳定边界的影响

以实验室对转压气机为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同转速比对压气机稳定性的影响。着重分析了转速比对压气机失速边界和堵塞边界的影响规律,并对不同转速比下各转子的稳定性进行了初步的研究。结果表明:(1)当转速比R2:R1>1.0时,转速比增大会导致失速边界和堵塞边界均向小流量方向偏移。(2)当转速比R2:R1<1.0时,随转速比增大失速边界变化不大,但堵塞边界向大流量方向偏移。(3)转子1转速变化对转子2气动性能具有很大的影响,而转子2转速变化却对转子1性能影响不大。(4)在不同转速比下,导致该对转压气机失稳的主要因素也不同。     

高压压气机进气压力畸变试验

为准确评估高压压气机畸变特性而进行了一系列相关试验,重点阐述了高压压气机进气压力畸变试验方法,提出了对综合畸变指数、动态和稳态畸变成分、门槛值、畸变图谱等特征参数的指标要求,以及测试方案和试验数据处理方法,并据此完成某型高压压气机进气压力畸变试验,获得总压畸变对该高压压气机性能的影响,以及相关稳定性评定数据.试验结果表明:该高压压气机非设计转速压力畸变敏感系数明显高于风扇部件,抗畸变能力弱于风扇部件;设计转速压力畸变敏感系数与风扇部件相当,表现出较强的抗畸变能力和良好的气动稳定性.     

叶型探针对轴流压气机性能试验结果的影响

基于近年来所录取的大量压气机试验数据,详细分析了叶型探针对轴流压气机各项性能参数的影响,并对某型低负荷轴流压气机进行了稳定性试验,比较了80％设计转速下压气机在安装叶型探针前后稳定裕度的变化。结果表明：叶型探针对轴流压气机设计与非设计状态性能均会产生一定的负面影响,对于静叶高度不低于20mm的轴流压气机,其性能数据测量误差范围约在2％以内;压气机级增压能力所受到的影响程度与流道堵塞比有关,堵塞比越大,级静压比下降越多;安装叶型探针后,压气机的失速点流量增加,稳定裕度降低。     

基于样条曲线的压气机特性内插算法研究

针对压气机特性曲线中未知转速数据难以精确计算问题,提出了基于样条曲线的内插算法。在分析压气机性能曲线特点基础上,通过制作压比/效率-流量、流量-转速2组辅助线,并使用样条曲线对其进行拟合,基于拟合结果计算测试转速下的特性数据,进而完成了对某型压气机压比/效率特性的内插计算。结果表明:基于样条曲线的内插算法比RBF神经网络算法准确性更高,并具有良好的工程应用价值。     

雷诺数效应对小流量多级轴流压气机的性能影响

通过试验和数值模拟,对一台设计压比为6,效率0.84的小流量轴流压气机进行了雷诺数效应的分析和研究。介绍了这台压气机在设计转速下的性能曲线、不同雷诺数下折合转速n=0.85的试验结果,以及二维平面叶栅和三维数值模拟分析结果。试验和数值模拟的分析表明,随着雷诺数降低,会增加附面层厚度,改变压气机的三维流场结构,降低压气机的性能。根据折合转速n=0.85的试验和数值模拟分析结果,对这台压气机在折合转速n=1.0性能进行了雷诺数修正。      

轴流压气机试验若干异常气动现象表征与机理分析

在梳理某压气机试验器开展的历次压气机性能试验结果基础上,分析了试验系统发生的若干典型异常气动物理现象,通过试验数据表征分析与抑制方法试验验证,初步揭示了压气机试验异常气动现象的形成机制.研究结果表明:进口局部导叶角度失调会对下游流场产生扰动,导致压气机性能与稳定性出现恶化;转子顶部容腔通道逆流是导致压气机转子前外壁静压测量值偏高的原因,通过抑制容腔逆流可以改善压气机气动性能;改变进口节流比观察换算流量是否发生变化,是判定压气机试验进气系统漏气问题的有效方法.研究结果对于指导压气机性能试验故障诊断和提高试验分析能力具有重要作用.      

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。     

基于数据驱动的轴流压气机特性图规律及预测

为探索轴流压气机特性线的内在规律,结合数据分析方法和热力学原理,对五十余幅轴流压气机特性数据进行了研究。通过将多种热力学参数引入特性图,并提出了压气机特性描述参数,从各转速峰值效率点连线、近喘振区和近堵塞区3个方面分析了压气机特性中物理量间的规律,发现了压气机特性参数与设计指标间的关联,并依据前述规律发展了基于设计指标和性能参数的压气机特性预测算法。研究发现:在工作转速范围内,多个热力学参数之间存在明确的线性相关性,各轴流压气机的特性参数与设计点总压比有显著关联,而与设计点效率关联不明显。提出的预测算法可以在没有叶片几何信息的条件下,仅依靠设计指标和性能参数,较好地预测出总压比小于8的轴流压气机性能。      

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.      

叶顶间隙对轴流压气机性能及流场的影响

针对由磨损、机械损伤等因素造成的动叶叶顶间隙变化对压气机性能的影响,以某已知参数的1.5级压气机为研究对象,采用NUMECA软件分别对不同大小的均匀及非均匀间隙情况进行了数值模拟。通过改变背压条件,设定均匀及非均匀情况下不同的叶顶间隙值,模拟了变工况下压气机的气动性能,绘制了压气机流量特性线;同时分析了不同叶顶间隙对内部流场及流动的影响。数值模拟结果表明:动叶叶顶间隙增大时压气机的效率、压比等出现了衰退,且不同间隙情况对性能衰退程度的影响也不同,这对压气机非设计工况下的性能预测具有一定的参考价值。     

非对称端壁造型对离心压气机性能的影响

非对称端壁造型应用在轴流压气机和涡轮中具有较好的提高效率的作用。为了探究非对称端壁造型对离心压气机性能的影响,借鉴非对称端壁造型在轴流压气机中的设计经验,借助Autoblade和CFX商用软件,设计了四种非对称端壁造型结构,并对带叶片式扩压器的离心压气机展开数值计算研究。研究发现,与原型压气机相比,采用压力面附近为凸曲率形状、吸力面附近为凹曲率形状的非对称端壁造型结构PEW1_10%(profiled end wall 1_10%)可以在保证全工况效率不降低的情况下,使离心压气机的性能曲线向小流量和大流量均有拓展,稳定工作范围扩大11.8%。通过分析流场发现,在近喘振工况,非对称端壁造型PEW1_10%使扩压器通道内流量重新分配,吸力面附近径向速度增大,低能流体减少,改善了扩压器通道的流动状况,进而推迟喘振的发生。