基于黎曼不变量守恒的轴流压气机反问题设计方法

基于一种全新的轴流压气机叶片反问题设计边界条件,发展了一种全新的三维粘性反问题设计方法。该方法以叶片表面静压分布作为输入的气动性能参数,叶片吸、压力面型线为设计对象。全新的反问题边界条件采用壁面边界处黎曼不变量守恒建立起给定的气动参数分布与叶片几何变化量之间的关系。由于计算过程中叶片几何构型不断发生变化,采用动网格技术对计算网格进行更新。为了验证方法的有效性,采用NASA Rotor 37作为算例,进行叶片返回试验,对叶片表面静压分布进行合理修改,通过反问题设计计算,设计出新的叶片几何构型。计算结果显示,反问题设计很好地满足了给定的叶片表面静压分布,正确地反映了设计意图。改型后的叶片吸力面逆压梯度有所降低,气流分离得到抑制,压气机流量、总压比以及效率分别提高了0.7%,2.2%和1.0%,验证了方法的有效性和正确性。     

30kW级航空电驱动涵道风扇设计与试验

为适应未来航空电气化的发展需求,研究了30kW级航空电驱动涵道风扇设计方法。涵道风扇性能设计基于航空发动机压缩部件设计流程。以推进系统总体性能为设计目标,完成了转子、流道以及短舱的气动外形设计。对各组成部件建立性能分析模型,评估全工况范围特性。涵道风扇结构设计采用风扇-电机一体化设计思想,简化连接方式的同时减少零件数。采用航空发动机结构强度分析方法,对涵道风扇各部件的应力、振动等特性进行评估分析。完成了30kW涵道风扇试制并开展地面和飞行试验研究。按照航空发动机整机试验方法,在整机试验台架完成涵道风扇地面性能试验。通过对比分析,试验结果与设计值误差在5%以内,验证了设计方法的有效性与正确性。涵道风扇配装轻型通航飞机完成了飞行试验,全系统工作正常,进一步验证了实际使用环境下涵道风扇的工作可靠性。     

大涵道比涡扇发动机涡轮过渡流道一体化设计研究

为了提高大涵道比涡扇发动机气动性能,降低其燃油消耗与污染物排放,同时考虑成本与重量因素,针对其高、低压涡轮之间的过渡流道,提出了一体化概念,即新设计的支板代替原型整流支板与低压涡轮第一级导叶,使其也能够为下游转子提供合适的进气条件。对一算例开展了设计工作,并通过数值模拟进行了流场分析,结果表明带一体化支板涡轮过渡流道与原型涡轮过渡流道出口马赫数与切向速度吻合很好,验证了一体化设计的有效性。带一体化支板的过渡流道设计点工况总压损失为4.3%,较原型流道总压损失略有增大(原型流道总压损失4.1%),但带一体化支板的过渡流道更能适应非设计点工况,具有一定的优越性。     

跨声速轴流压气机转子反问题优化方法

为降低跨声速压气机叶片通道中的激波损失,提升跨声速压气机的气动性能,以三维粘性反问题设计方法理论为基础,发展了三维反问题设计方法,并对反问题所使用的边界条件进行了改进。在保持叶片总切向载荷不变的同时,通过调整叶片表面沿轴向的载荷分布,达到降低叶片通道内部的激波强度,减少激波损失的目的。为验证方法的正确性,文中运用NASA Rotor 67跨声速压气机转子实验数据与计算结果进行对比,在此基础上对叶片表面载荷进行分析,在修改叶片表面载荷分布后通过反问题设计方法得到新的叶片几何。结果表明,通过修改叶片表面载荷分布,运用反问题设计方法得到的新叶片,其激波强度明显降低,压气机转子出口流量提高了0.5%,效率提高了1.0%。     

多级环境下轴流压气机反方法改型设计

基于全三维黏性流场求解,对多级轴流压气机叶片反方法改型设计技术进行了研究。介绍了所采用的数值求解方法,之后阐述了压气机叶片反方法设计的基本原理和流程。为验证方法的有效性,对某型高压压气机后四级初始设计结果进行了数值模拟和反方法改型设计,基于对数值结果的分析提出了多级环境下叶片表面载荷分布调整的具体方法。反方法改型设计结果表明,通过合理调整多个叶片表面载荷分布,提升了四级压气机整体气动性能。设计点绝热效率基本保持不变,压比提高6.57%。      

基于反问题设计方法的叶栅激波损失控制

为了降低跨声速叶栅通道中的激波损失,提高叶栅出口的总压恢复系数,以二维粘性反问题设计方法理论为基础,发展了二维叶栅反问题设计方法,通过调整叶片表面沿轴向的载荷分布,在保持叶片总载荷不变的同时,达到降低叶栅槽道中的激波强度,减少激波损失的目的。为验证方法的正确性,首先运用德国宇航中心L030-4叶栅实验数据与计算结果进行对比,在此基础上对叶片载荷进行分析,并提出了一种叶片表面载荷分布参数化方法,运用该方法修改叶片表面载荷分布后通过反问题设计方法得到新的叶型。结果表明,通过修改叶片表面载荷分布,运用二维反问题设计方法得到的新叶型激波强度明显降低,叶栅出口总压恢复系数以及马赫数较原型均有增加,叶栅气动性能明显提高。     

高负荷压气机径向间隙工程优化设计与验证

为减小径向间隙对高负荷压气机气动性能的负面影响,从工程实用角度出发,研究了压气机运转周期内转子叶尖间隙变化规律,对不同间隙对压气机性能的影响进行了对比分析,综合考虑气动性能和结构工程设计,对转子叶尖间隙进行了优化设计。基于可调静叶实际具体结构,研究了可调静叶圆台不同位置处间隙在不同转速下的变化规律,采用全三维数值模拟对不同静叶间隙气动性能进行了对比分析,并开展方案优化设计。将径向间隙优化设计方法应用于高负荷压气机设计中,试验验证表明:该压气机相对于第四代发动机的压气机平均级压比提高了16%,效率提高了1%,三维特性预估准确,验证了压气机转、静子叶片间隙优化设计的合理性和有效性。     

多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法

为提高多级轴流压气机气动性能,采用轴流压气机叶片全三维粘性反问题求解方法,对多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法进行了研究。以压气机级出口旋流角为设计目标,叶片表面载荷分布为设计对象,通过动量矩守恒方程,建立起叶片出口旋流角与叶片表面载荷分布的关系,从而实现计算过程中载荷的自动调整,修正气流在叶片出口旋流角分布。为了让压气机每一级都工作在设计给定的进口条件下,对上游级静子叶片进行反问题改型设计,使得其出口旋流角分布满足设计给定值。为了验证方法的有效性,采用四级高压压气机作为算例,对其初始设计进行反问题匹配改型设计。通过计算,修正了三个级间位置的旋流角分布,改善了下游级进口工作条件。气流在改型后压气机内部流动更加符合设计意图,级与级之间流动匹配更好。与原型相比,总压比和绝热效率分别提高了2.8%和1.3%,验证了方法的有效性。     

可控扩散叶型全3维黏性反问题设计方法

为了快速有效地完成叶片造型,提高压气机气动性能,以全3维黏性反问题设计方法为基础,研究了全新的可控扩散叶型设计方法。基于黎曼不变量守恒建立了吸力和压力面型线与其对应静压分布之间的关系,通过给定叶片表面静压分布,求解吸力和压力面型线坐标几何参数。为了验证方法的有效性,以NASA Stage 35静子叶片为设计算例,通过全3维数值模拟得到其流场参数分布,进而采用可控扩散叶型的设计思路,对NASA Stage 35静子叶片表面的静压分布进行修改,以修改后的静压分布作为目标进行反问题设计计算,最终设计出满足设计要求的叶片几何型线。改型后的静子叶片通道内流场很好地实现了可控扩散叶型的流动结构,叶片总体气动性能得到提升,验证了可控扩散叶型全3维反问题设计方法的准确性和有效性。