耦合对风扇、压气机畸变传递特性的影响

本文从下游部件对具有畸变流动的压气机性能的影响机理出发, 着重分析了由于高压压气机的存在对具有进口压力畸变的风扇出口畸变强度的影响。采用一种新的快速收敛方法, 结合某型号发动机对耦合的影响进行了定量计算。      

下游畸变对压气机性能影响的预测

高技术航空发动机因结构紧凑、气动耦合密切而面临着下游畸变问题,影响压气机的性能,因而有必要研究下游畸变对压气机特性和喘振裕度的影响。本文提供了一种预测轴流压气机出口流场畸变对其特性和喘振裕度影响的方法,并具体分析了下游周向总压畸变对某单级轴流压气机特性和喘振裕度的影响。      

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.     

某发动机风扇进气畸变数值模拟

采用周向平均体积力的方法将叶片对气流的作用简化为体积力源项研究进气畸变对某航空发动机风扇的影响.分别对该风扇在均匀进气条件下和进口存在稳态总压畸变条件下的流场进行了模拟计算,得到了和雷诺平均Navier-Stockes(RANS)计算几乎完全一致的特性线以及流场主要结构特征,在进行进气畸变条件下流场模拟计算时成功地捕捉到了进口畸变扰动在流场中的传播情况,并能够正确反映进气畸变对压气机的影响.结果表明:压气机进气畸变流场有着大尺度、强耦合、信息传播三维性明显等特征,采用周向平均体积力研究方法可以利用非常少的计算资源加深对进气畸变流动的认识.      

进气畸变对发动机稳定性影响的分析模型

1引言目前,关于进气畸变对风扇/压气机性能和稳定性影响的模型有:平行压气机模型[1],级叠加模型[2],激盘模型[3],彻体力模型[4,5]和三维CFD计算等。但对于全台发动机来说,已有的计算模型都是采用平行压气机理论,而且认为压气机出口畸变完全衰减。基于这种理论,建立的发动机分析     

外部扰动影响下风扇和压气机稳定裕度的计算方法

为了定量评定燃气涡轮发动机的风扇和压气机的气动稳定性，分析了影响风扇和压气机稳定性的外部扰动参数，介绍了工程计算气动扰动和燃扰动对风扇和压气机的影响所采用的标准型扰动，给出了在外部气动扰动和热扰动作用下的风扇和压气机的稳定裕度变化的一种计算方法，可供工程研制中参考。     

某风扇/增压级非设计点性能计算及进气畸变影响分析

在原流线曲率法程序的基础上, 增加了适用于高速风扇/压气机的双激波损失模型.真实地反映了高速风扇/压气机的实际工作状况, 提高了预测高速风扇/压气机非设计点性能的准确性, 完善了分析进气畸变对风扇/压气机性能及稳定性影响的准三维计算模型.针对一台外涵转子叶尖马赫数大于1.4的大涵道比风扇/增压级, 计算分析了其非设计点性能以及进气畸变的影响.计算结果与试验结果吻合较好, 精度可靠, 可应用于工程实际.      

组合畸变对某型发动机稳定性的影响

压力和温度组合畸变对某涡轮风扇发动机稳定性影响的数值研究表明,该发动机的进口临界压力畸变强度和临界温度畸变强度分别为8.82%和8.60%,风扇的压力畸变敏感系数为2.608,高压压气机的温度畸变敏感系数为2.442.压力畸变和温度畸变的相对大小,决定了组合畸变对风扇或压气机稳定性影响的严重程度.压力畸变的相对最大强度峰值出现在风扇截面时,风扇首先失稳,反之则高压压气机首先失稳.组合畸变对发动机稳定性的影响,不是压力畸变和温度畸变单独影响的简单相加,而是一种非常复杂的非线性关系.     

旋转进口畸变频率对跨声速压气机稳定性影响的数值研究

为了研究旋转进口畸变对于压气机失速过程的影响,以及探讨最易诱发压气机失速的扰动频率即特征频率存在性的问题,采用非定常方法计算研究了4种不同频率的进口旋转畸变对跨声压气机Rot or37失速起始过程的影响。结果表明:在同样幅值条件下,当旋转频率与失速扰动频率相近时的畸变会引起失速,反之亦然;进口畸变的低压区引起部分叶片通道内流动结构失稳后,在叶尖泄漏涡破碎的作用下通道内形成严重堵塞,从而导致压气机失速。该方法能够较好地描述转子中失速团的发展过程,同时得出了进口畸变频率对失速过程影响的物理机制。     

风扇进气畸变三维非定常数值模拟技术研究

采用三维欧拉方程加体积力模型的方法, 发展了一套三维非定常进气畸变数值模拟程序, 以实现风扇/压气机在进气畸变条件下的全环面三维非定常数值模拟.利用该程序模拟计算了某航空发动机风扇进口稳态总压畸变条件下特性和流场结构, 并与试验结果进行了对比, 结果表明该程序用较小的计算机资源即可以实现对风扇全环面三维非定场畸变流场的模拟, 能够以较高的精度预估气流畸变对压气机/风扇特性的影响.      

静态周向总温与总压组合畸变通过轴流压气机单转子时的传递

在文献[4]的基础上,文中对静态周向总温与总压畸变的两种组合情况进行了研究:1.同相位时,总温畸变度的变化对总压畸变衰减的影响;2.总温与总压畸变之间存在不同的相位角时对总压畸变衰减的影响。数值计算结果表明,进口总温畸变度的变化以及总温与总压畸变之间相位角的变化,都将引起出口总压分布的变化;当总温畸变与总压畸变反相位时,最不利于总压畸变的衰减。本文将计算结果和文献[7]中的实验结果进行了定性比较,两者符合得较好。      

压气机周期性动态畸变的理论研究

本文建立了周期性动态畸变下压气机内的流场模型, 提出并分析了流动模型的频响问题。并对一实际的两级低压压气机进口总压周期性动态畸变在多种频率下进行了数值模拟。计算与实验表明: 两者不论是总压幅度还是相位均符合较好。      

进气总压总温畸变对压气机稳定性的影响

本文对 Melick提出的进口总压周向稳态畸变对压气机稳定性裕度损失的估算方法作了改进 ,并加以推广应用于进口总温周向稳态畸变的情况。在此基础上 ,本文提出了总温和总压组合畸变下压气机稳定性裕度损失的预测方法。以某型双轴涡喷发动机为例作了某些具体的计算。     

周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级模拟研究

基于多级轴流压气机的逐级特性,建立了进口周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级计算模型.对总压畸变条件下转子叶片攻角变化、级间周向流动和压气机出口耦合效应进行了数值分析,讨论了周向稳态总压畸变沿轴向衰减、级间周向侧流变化、失稳首发级和压气机出口耦合效应对压气机特性的影响.应用本模型方法对8级轴流压气机进行了详细的数值分析,计算结果表明,该模型方法是合理、可行的.      

压气机进口畸变流场的主动控制

一 引言 航空喷气发动机进口的气流畸变对压气机的性能和稳定性造成很大的影响,发动机的抗畸变能力已成为评价发动机性能的一个重要指标。目前发动机设计时往往留有高达20％的失速裕度,也与防止进气畸变使压气机进入不稳定工作有关。留用大量的失速裕度意味着压气机性能的浪费。如果能增强压气机的抗畸变能力,使之在进口气流品质较恶劣的情况下也能稳定工作而不进入旋转失速或喘振,则有可能将压气机的工作点移至压比与效率都更高的区域。由此得到的发动机性能提高是相当可观的。     

进气畸变下压气机过失速三维非定常模型探索

针对原压气机稳定性三维分析模型CSAC(compressor stability analysis code)加以改进,添加了轴对称左支特性。采用改进的CSAC+模型分析了NASA Rotor37在周向总压进气畸变下的稳态性能和失速起始特性,并与软件NUMECA模拟结果进行了对比,两者模拟的特性趋势一致,畸变进气下CSAC+近失速点压比与NUMECA的误差为1.05%。针对近失速点流场分析发现:随着流量的减小,在畸变区边缘的转子叶尖首先出现低速甚至逆流区,可认为该区域为失速起始位置。利用CSAC+模拟了该压气机过失速状态下的主要流动特征,分析得出进气畸变下该失速先兆为模态波,完全发展后为部分叶高失速,失速团占据约40%叶高,其传播频率约为转子转动频率的60%,并在传播过程中显示出周期性的剥离和融合过程。      

压气机内部噪声特征与转子叶片声固耦合机理分析

航空发动机压气机转子叶片故障多由机械激励和气动激励造成,而高强声波对转子叶片的激振因素不容忽视。通过开展某型涡扇发动机压气机内部噪声测试试验,研究压气机转子叶片振动机理及其与噪声信号的对应关系。阐述了压气机内部旋转不稳定性非定常压力波作用机制,提出了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法,完成了某型涡扇发动机压气机内部噪声信号测试,对噪声信号进行了频谱分析和声传播特性分析。研究结果表明,某型涡扇发动机压气机内部噪声信号频谱呈现高峰值纯音分量1 402 Hz,并且该纯音分量与转子叶片通过频率呈现特定的频率组合关系。该纯音分量的噪声源在压气机内部沿发动机顺航向方向从后向前传播。利用旋转不稳定性理论,将声源频率在不同坐标系下进行转换,当噪声源周向模态数为13时,该纯音分量可调制出与高压一级转子叶片一阶振动频率相对应的激振频率。     

双轴涡喷发动机地面台架进气畸变试验

 介绍进气总压畸变对双轴涡喷发动机性能和稳定性影响的试验及其结果。试验在地面台架进行。发动机为低压和高压各三级、中等增压比加力式双轴涡喷发动机。 稳态周向压力畸变由90°扇形纱网造成。测定了不同堵塞比的纱网或叠合纱网产生的畸变幅度随发动机空气流量的关系曲线。 在有畸变和无畸变条件下,对装有两种不同展弦比的第一级超音级压气机叶片的发动机,分别测定喘振边界线和工作线,给出低压和高压压气机喘振裕度变化规律,对比试验结果进行了初步分析。 改变发动机喷口面积比由100～142％,在三种畸变和无畸变条件下进行了充分的稳、动态试验,发动机未出现不稳定工作情况。给出无畸变时工作线随喷口面积比变化曲线。 试验采用公司自行设计调试成功的燃油阶跃装置,逼喘双轴涡喷发动机42次。分别获得高压和低压压气机喘点84个以及进喘过程的示波曲线,简要分析了喘振过程参数变化特征。     

Response and stabilization of a two-stage axial flow compressor restricted by rotating inlet distortion

This paper considers effects of Rotating Inlet Distortion (RID) on a two-stage axial compressor and the stabilization effects of a casing treatment subjected to the considered RID. In multi-spool engines, the downstream compressor suffers a RID when the upstream fan/compressor is in rotating stall. A controlled rotating sectional screen upstream of the compressor was adopted to generate the RID in different intensities, and co- or counter spinning direction compared with the rotor. The response of the compressor to inlet distortion was interpreted as the changes of stall margin. Results show that there are two peaks for the stall margin degradation where the distortion screen rotates near 20% and 70% of the rotor’s rotational frequency, respectively. Based on the measurements taken during the pre-stall process, it is suggested that the two frequencies are associated with the eigen frequencies of the compressor. Specifically, the first is associated with a stall precursor that is suspected as an initial disturbance existing in compressor and the second is related to a spike-type stall precursor. At last, a kind of Stall Precursor-Suppressed (SPS) casing treatment was applied to enhance the compressor stability in RID conditions. The result indicates that the stall margin is improved by 6% at an average level and there is nearly no efficiency loss caused by the application of such casing treatment.