轴流压气机叶尖射流扩稳数值计算模型

基于体积力方法将压气机叶片对气流的作用力和做功简化为源项,对环形无叶片通道求解带源项的Navier-Stokes(N-S)方程,实现了压气机全通道流场的计算,通过在转子上游机匣施加射流建立了轴流压气机叶尖射流扩稳数值模型.模型中的源项根据叶片排进口气流参数进行变化,通过判断施加的人工扰动变化确定压气机失稳边界.采用该模型对某跨声速单级压气机在有、无射流下的性能和稳定性进行了计算分析,无射流下计算的该压气机性能和稳定边界与试验结果都能较好地一致,其中稳定边界流量仅相差0.7%;有射流下射流对压气机具有明显的扩稳效果,将计算结果与国外公开文献的结果进行了对比,验证了模型的可靠性.      

单级低速模拟轴流压气机实验台改进设计

为了使单级低速台能够更好地模拟高压压气机后面级流动,采用导叶+静子+转子+静子+导叶的五排叶片布局,适当提高轮毂比,以及采用3D打印树脂叶片,对常规三排叶片单级低速模拟大尺寸轴流压气机实验台进行了改进设计研究,并与四级重复级低速大尺寸压气机实验台的第三级结果进行了对比。结果表明:改型设计的单级低速大尺寸压气机的设计点效率达到了89.1%,流量裕度达到了32.9%,与四级重复级实验结果基本一致,而且实现了基本相似的级间参数分布,比传统单级实验台更接近高压压气机后面级的典型流动,从而可以利用该实验台成本低和周期短的优势,开展更多更深入的关于高压压气机后面级流动机理和设计方法的实验研究。     

吸附式压气机叶型设计技术研究

以开发能提高叶片负载能力的"吸附式压气机(The aspirated compressor)"叶型设计技术为目标,以某发动机高压压气机的前三级为工程背景,研究了超高负荷的单级吸附式压气机气动方案,初步建立了从子午流道设计、S₁流面基元叶型反问题设计到带附面层吸除S₁流面计算分析的一套设计方法.以单级方案动叶叶尖截面作为设计实例,演示了开发的设计方法能够设计出基本达到设计要求的吸附式压气机叶型.      

风扇/压气机转子叶片定常力气动噪声数值研究

从考虑了固体边界影响和均匀介质影响后的广义 Lighthill方程出发 ,采用管道声学模型导出了风扇 /压气机转子叶片定常力气动噪声传播方程 ,并通过涡喷 11压气机单转子声学实验进行了数值模拟。结果表明 ,叶片定常力产生的气动噪声对风扇 /压气机总噪声级有重要作用。     

引气对多级轴流压气机性能影响的数值研究

首先以单级轴流压气机NASA-Stage 35为研究对象,采用数值模拟方法,对单级轴流压气机引气机理进行研究,并将相关结论应用于某9级轴流压气机的引气研究中.结果表明:引气对单级和多级轴流压气机内部流场的影响基本一致,多级轴流压气机受级间匹配特性影响总体性能变化与单级轴流压气机有所差别.转子端壁引气能够吸除叶尖间隙低能流体并增强转子通道内径向流动,减小叶尖损失,提升级压比和级效率.静子端壁引气能够减小静子端区损失,提升级效率.      

畸变进气下压气机三维黏性数值计算模型

通过对压气机环形无叶片通道求解带源项的N-S(Navier-Stokes)方程,实现对压气机全通道流场的计算,建立了压气机三维黏性非定常数值计算模型.源项是由三维计算流体动力学(CFD)求解器定常计算的气流参数计算得到,求得不同工作点源项大小,然后根据进口参数对源项插值得到当前计算点源项.采用该模型对某跨声速单级压气机在均匀进气下性能和流场的计算结果与实验结果进行了对比,两者能够较好的一致,验证了模型的可靠性;之后应用该模型对周向总压畸变进气下的流场和性能进行了计算,分析了畸变进气对压气机三维流场和性能的影响,并引入压气机失稳判据分析畸变对压气机稳定性的影响.      

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.      

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。     

单级轴流大小叶片压气机非定常流场数值研究

通过数值模拟方法对单级轴流大小叶片压气机与常规叶栅压气机的非定常压力场进行分析与对比,结果表明:由于小叶片的分隔效应,使得转子通道的非定常压力和单叶片非定常负荷脉动大大增强,并促进了压力波向上游的传播;但转、静子单元的整体扭矩和轴向力脉动降低;绝对坐标系下转子入口处的压力波动是转子势扰动、动静干扰产生的压力波和此波在周向的不均匀性的综合作用,不同的入口周向位置,压力波的幅值相位存在较大差别,小叶片的存在强化了这种差别.     

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.     

基于动叶污垢沉积的数值模拟

采用三维数值方法研究了污垢沉积对压气机动叶性能的影响.对具有一定典型性的真实压气机动叶NASA Rotor 37进行数值研究,通过与文献中实验数据的对比,校核了商业CFD(computational fluid dynamics)计算代码的可靠性,结果表明计算得到的性能曲线与实验数据有较好的一致性,应用于数值模拟手段是可行的.随后通过增加叶片和端壁的表面粗糙度和厚度来模拟不同的污垢沉积程度对压气机动叶性能的影响,结果表明:增加叶片厚度和表面粗糙度都将引起总压比和等熵效率降低;增加表面粗糙度将导致流量下降,稳定工况范围向小流量方向移动;而增加叶片厚度将使得稳定工况范围明显减小,堵点流量下降较显著,这将导致动叶工作特性恶化程度增大.      

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.      

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。     

轴向倾斜缝机匣处理影响压气机性能的机理

为了揭示缝式机匣处理影响轴流压气机性能的流动机理,对带轴向倾斜缝机匣处理的轴流压气机转子进行全三维非定常数值模拟,试验与数值结果均表明机匣处理在有效地扩大压气机稳定工作范围的同时,也使压气机等熵效率减少。通过详细地分析压气机内部流场,揭示了该机匣处理对该压气机转子性能及流场影响的机理,即倾斜缝内的回流具有抽吸或吹除端部低能流体的能力,在倾斜缝中形成的喷射流的作用下,叶顶通道内的低速气团得到了有利的激励,从而推迟转子的失速。但也使转子叶顶加功量下降,同时缝内的回流及其与叶顶主流的相互作用带来大的流动损失,最终降低压气机转子等熵效率。     

转子叶片加工误差对1.5级跨声速压气机气动性能的影响

压气机叶片加工误差不可避免,将在一定程度上影响压气机的气动性能。为研究叶片加工误差对跨声速压气机气动性能的影响,以燃气轮机进口1.5级跨声速压气机为对象,通过三坐标测量跨声速转子叶片叶型数据,获得了加工误差分布特征;针对实测转子叶片,采用三维CFD数值模拟方法,研究了轮廓度、位置度和扭转角综合误差对压气机转子和级特性线和流场参数的影响;针对转子叶型以轮廓度超差为主的特点,采用S2流面通流计算方法,在设计流量点研究了由轮廓度误差引起的转子叶型最大厚度变化对压气机转子和级性能的影响。结果表明,转子叶片加工误差对压气机堵塞流量、全流量范围内转子和级的压比和效率均有影响,同时改变转静子叶片排出口气流参数的径向分布规律,主要原因为激波位置和强度的变化;在设计流量点,转子和级的压比和效率的变化与最大厚度变化呈负相关趋势,厚度偏差越大性能变化幅度越大;对转子叶片,来流相对马赫数随叶片高度增加而增大,性能对叶型几何误差的敏感性增强,综合压比和效率的变化,中上部叶高范围的轮廓度公差要求应更严格。     

不同范围进口畸变对亚声轴流压气机的影响

借助于计算流体动力学商用软件NUMECA,通过使用10通道非定常数值模拟的方法,研究了不同范围的进口气流畸变对亚声速轴流压气机性能、稳定性和流场的影响。研究对象是西北工业大学单级轴流亚声压气机转子。不同范围的进口畸变是通过在进口径向段设置不同范围栏杆的方法产生的。结果表明:进口畸变不但降低了压气机转子的性能,而且使转子的稳定工作范围减少。畸变范围越大,上述现象越明显。通过详细分析内部流场表明:畸变后,由于部分通道叶顶间隙泄漏流溢流和附面层分离的影响,造成通道内严重的堵塞,进而诱发转子失速。畸变范围越大,影响也越大。      

对转压气机叶排交界面参数传递的数值研究

针对超常规叶轮机械——对转压气机采用5种定常叶排交界面方法,结合实验值对比分析了对转压气机整机性能、近设计工况以及近失速工况流场,以定量研究不同交界面方法应用于叶排交界面的参数传递效果.结果表明:①不同交界面方法计算的整机效率性能差异明显,而压比性能与实验值吻合较好.②近设计工况下,周向守恒法在不同交界面的参数传递连续性相对较好,当地守恒法和完全非匹配混合界面法对下游界面参数的控制作用逐渐增强,一维无反射边界条件和完全非匹配冻结转子法则正好相反.③近失速工况下,一维无反射边界条件和完全非匹配冻结转子法对应的叶片前缘高熵损失区范围明显增大,叶顶主流和间隙溢流交界面扭曲成更靠近上游叶排交界面的弧形.      

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.      

多级轴流压气机转子通道流场的PIV测量

在四级低速大尺寸轴流压气机实验台上,基于粒子图像测速仪(particle image velocimetry,简称PIV)系统,发展了适用于多级叶轮机械转子内部全通道流场测量的PIV技术.自行研制了光学潜望镜和锁相触发装置,并在第3级转子的外机匣处开设了测量窗口.在设计工作点,对第3级压气机转子叶片全通道的流场进行了详细测量,获得了8个不同叶高截面处的二维速度矢量场.实验结果与三维定常Navier-Stokes(N-S)方程计算结果的对比分析表明:PIV测量结果合理地反映了转子通道内部的流场结构,第3级转子叶尖部分存在尺寸大、影响区域广的叶尖泄漏涡,泄漏涡控制了叶尖区域的流场,而气流在通道其余部分的流动状态较好,不存在明显的低速区.      

Applications of numerical optimization techniques to design of axial compressor blades

This paper describes the shape optimization of NASA rotor 37 and rotor and stator blades in a single-stage transonic axial compressor.Shape optimization of the blades operating at the design flow condition has been performed using the response surface method and three-dimensional Navier-Stokes analysis.Thin-layer approximation is introduced to the Navier-Stokes equations,and an explicit Runge-Kutta scheme is used to solve the governing equations.The three design variables,blade sweep,lean and skew,are introduced to optimize the three-dimensional stacking line of the blades.The objective function of the shape optimization is an adiabatic efficiency.Throughout the optimization of rotor and stator blades, optimal blade shape can be obtained.It is noted the increase of adiabatic efficiency by optimization of the blade shape with the stacking line in the single-stage transonic axial compressor is more effective in a rotor blade rather than a stator blade because of the large deformation of blade shape in the stator blade.