非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气热性能研究进展

非轴对称端壁设计因能够有效地减少涡轮叶栅的二次流损失和提高气动性能而在高负荷涡轮设计中得到应用。简要回顾了涡轮叶栅二次流模型和非轴对称端壁造型方法,重点综述了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气动性能研究进展和抑制端壁二次流的作用机制,介绍了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮端壁气热耦合作用的冷却特性研究进展,总结了高负荷涡轮非轴对称端壁设计技术的应用成果,展望了非轴对称端壁设计在高负荷涡轮的高效气动和冷却布局应用方面需要深入研究的内容。     

轴向间距对转子叶片颤振特性的影响机理

使用自行开发的非定常流固耦合数值模拟程序,研究了上游叶排影响转子叶片颤振特性的机理,采用影响系数法分析轴向间距影响转子气动弹性稳定性的规律。结果表明:在协调叶栅中,叶片吸力面相邻的叶片振动对转子叶片气动阻尼的大小起决定性作用,其影响甚至超过振动叶片本身的影响;多排环境中,导叶（IGV）对转子叶片气动阻尼最小值的影响最大,并使其对应的节径增大;相邻叶片振动引起的通道变化抑制了导叶对非定常压力波的反射作用;随着轴向间距的减小,导叶对非定常压力波的反射作用减弱了非定常压力波的周向衰减,从而增大了叶片振动的非定常影响范围;在多排环境中使用影响系数法需要测量更多的叶片才能得到较为准确的气动阻尼。      

采用非均匀反弹特性壁面的粒子分离器研究

为了在不改变流道几何型面的基础上实现对较大粒径砂尘轨迹的有效组织,借助数值仿真技术,对一类典型无旋式惯性粒子分离器流道内两相流场展开了模拟研究。通过对典型工况下粒子分离器内砂尘轨迹的追踪和细致分析,首先获得了壁面反弹主导下的较大粒径砂尘的三类基本运动模式及其主要特征。而后以此为基础,充分利用2024铝合金、7020橡胶以及45钢3种典型壁面在反弹特性上的差异,同时结合原流道型面,完成了一种基于非均匀壁面的粒子分离器方案设计。计算表明:通过对鼓包迎风面等关键区域的壁面材质的特殊设计,可在不降低气动性能的前提下实现AC砂及C砂分离效率的显著提升,其增幅分别为6.0%和13.7%。      

跨声速轴流压气机的失速发展机理

为了研究跨声速轴流压气机由近失速工况发展为失速工况的动态演化机理,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 37进行了多通道全三维数值模拟,着重分析了激波及前缘溢流对失速发展的影响。结果显示:在峰值效率工况下,叶片通道内存在一道斜激波;在失速工况下,斜激波演化为脱体激波。泄漏涡通过脱体激波后发生破碎,破碎的泄漏涡在向通道下游发展的过程中,受逆压梯度的影响,在通道中部形成一个明显的涡结构。在失速工况初期,由于泄漏涡的自维持现象,前缘溢流现象随着叶顶阻塞区的周期性发展而间歇性出现;随着流量的降低,通道阻塞程度逐渐增加,会出现前缘溢流一直存在的现象,这一特性可以作为流场开始急剧恶化的标志。     

航空发动机中“W”形金属密封环的设计方法

针对密封性和强度,对“W”形金属密封环的压缩率选取范围进行研究。在压缩率确定的基础上,优化“W”形金属密封环所在处机匣的轴向间隙,探究“W”形金属密封环关键结构参数对强度的影响,基于灵敏度分析对“W”形金属密封环的结构参数进一步优化;研究“W”形金属密封环屈曲及轴向刚度间的关系,并采用刚度实验校核模拟结果,为评估屈曲临界载荷提供支持。结果表明:在该典型工况下,“W”形金属密封环的压缩率合理范围为3.2%～6.08%;壁厚对最大等效应力影响最大,最终优化结果为壁厚增大5.0%,波峰、波谷半径增大9.0%,接触半径增大7.7%,圆环外径减小5.8%,最大等效应力减小5.7%;屈曲“W”形金属密封环载荷与轴向刚度线性相关。      

基于流固热耦合的非金属迷宫密封泄漏特性与公式构造

建立了考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏特性流固热耦合数值求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了聚醚醚酮（PEEK）、填充30%碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK-CA30）和铝合金三种材料迷宫密封在不同压比、温度下的流场特性、结构力学特性与泄漏特性,并基于Vermes公式构造了考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏量理论公式。研究结果表明:建立的迷宫密封流固热耦合模型可以准确计算非金属密封齿的变形量和变形后的泄漏量。在研究的三种材料中,采用PEEK-CA30材料密封齿的变形量相对较小,占密封齿径向长度的0.35%~0.67%,其密封性能较好,相比于未考虑齿变形密封的泄漏量增加1.2%~6.8%。当温度高于500 K,压比大于3时,采用铝合金材料密封齿的最大等效应力达到材料的屈服极限而引起密封件失效。所构造的泄漏量理论公式能够准确预测考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏量,为非金属迷宫密封泄漏特性分析提供理论依据。      

叶顶间隙对人工心脏泵血液相容性影响的数值研究

采用定常和非定常数值方法系统研究了离心血泵在供压173 mmHg时,4组不同叶顶间隙下的血流动力学特性和血液相容性。所研究的间隙分别为5.0、2.0、1.0 mm和0.2 mm,对速度、湍动能等参数的分布规律以及标准溶血指数(normalized index of hemolysis,NIH)随叶顶间隙大小的变化规律进行了研究。结果表明:在流量3.0 L/min,供压173 mmHg工况下,原型血泵有较好的血液相容性;随着叶顶间隙的减小,最大切应力与标准溶血指数呈显著单峰变化趋势,在1.0 mm间隙结构取得最低标准溶血指数0.000 5 g/100 L,并降低了在叶轮侧壁与泵壳下壁面的狭缝内形成血栓的风险;定常与非定常的结果对比表明:定常结果往往会过小的预测溶血,瞬态标准溶血指数随叶轮转动呈周期性变化,其平均值与定常结果相差在5%以内。      

转子叶栅非同步振荡发声特性研究

轴流压气机转子叶片排振荡疲劳失效是常见的气动弹性失稳问题。当转子叶栅处于非同步振荡状态下时,压气机管道内部将伴随着异常噪声的产生,这类噪声的频率既不是分布在叶片通过频率及其谐波上,也不是分布在转子轴频率及其谐波上,同时也不满足简单多普勒效应。为了解释这种异常噪声现象,以三维升力面理论为基础,讨论叶片对其附近流体施加非定常载荷的发声问题,给出了转子叶栅振荡异常发声问题的物理解释,建立了声场频率及模态特性与转子声源特性的直接关系式,并给出了频率特性不同于叶片通过频率且不符合简单多普勒效应的完整解释。在此基础上,通过机理性实验研究证实了该模型的正确性。实验结果表明,理论预测声场的频率和周向模态特性与实验结果完全一致。