一种多级轴流压气机特性预估方法探讨

概述了压气机设计体系的发展历程．介绍了轴流压气机设计技术,并结合多级轴流压气机的设计特点,提出了三维修正S2流面分析程序的多级轴流压气机性能预估方法,通过对比,验证了该方法的精度比单纯的三维计算的精度高,为多级轴流压气机的性能预估提供了一个新的工具。     

多级轴流压气机设计及其特性预估

基于大量的二元平面叶栅吹风实验数据关联结果,发展了一种适用于多级轴流压气机设计的计算程序,以具有实验数据的某跨音速两级轴流风扇为研究对象,采用在子午面上叶片排间隙中设置计算站的流线曲率法进行数值模拟,计算结果与实验数据进行对比,结果表明:模拟的结果能够满足工程应用的需要,验证了该程序在设计多级轴流压气机的有效性。     

多级轴流压气机级间匹配特性研究

结合一台出口级使用大小叶片转子的高负荷多级轴流压气机的设计过程,对其多种设计方案进行数值模拟,通过对各设计方案级间匹配特性的分析,总结出多级轴流压气机的级间匹配特性。通过与另一台级数相当但不含大小叶片转子的低负荷多级轴流压气机的级间匹配特性进行对比,研究了在多级轴流压气机出口级使用大小叶片转子对级间匹配特性的影响。结果表明,在多级轴流压气机出口级使用大小叶片转子,不仅可提高出口级的负荷及整机总压比,还可增大压气机的失速裕度。     

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.      

多级轴流压气机非设计性能预估

介绍了一个用于多级轴流压气机非设计性能预估的级叠加法和程序。此方法的特点是可以计算多级轴流压气机在低转速时部分级已处于失速状态下的全台总性能参数 ,以及静叶安装角可调的影响。并可利用此程序进行方案初步设计。为说明此计算程序的适用范围和功能 ,给出了四个不同类型的算例。     

提高超声速压气机级喘振裕度方法研究

在超声速压气机气动设计时,为实现设计点高性能和宽喘振裕度,提出采用优化方法以设计点性能为目标进行叶片设计,通过转/静子叶片几何手动修改提高压气机喘振裕度。以NASA Rotor 37为原型,应用此方法进行更高性能超声速压气机转子气动设计,并匹配静子,构成压气机级。结果表明:超声速压气机转子通道激波推出和静子大攻角分离是失速发生的主要原因,因此分别进行转子叶片前掠设计、改变叶尖稠度,以控制激波位置,单转子喘振裕度可从约7%提高到18%以上;静子上采用前掠、切向弯、修改叶片数及几何进口角等措施,最终将此压气机级的喘振裕度由约18%提高到30%以上。     

大小叶片轴流压气机转子流动特性分析

采用全三维粘性数值模拟手段,通过与按常规设计转子对比的方法,分析研究了大小叶片轴流压气机转子流动特性,分析结果表明,大小叶片转子流场在叶根亚声速区的流通能力增强,在叶尖跨声速区可以产生更加有利的激波体系,小叶片可以有效地控制叶栅槽道中气流扩散,在较高负荷和相同喘振裕度的条件下,大小叶片转子可以比按常规设计的转子在更高的压比,效率和流量下工作。     

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。     

亚声速轴流压气机失速监测方法试验

为了研究轴流压气机失速先兆信号监测的有效算法,对亚声速轴流压气机试验台的孤立转子在不同转速下,从稳定工况到失速工况叶顶不同轴向位置进行了动态压力信号测量试验,采用自相关分析和方差分析算法对试验数据进行了对比分析。结果表明,该压气机为突尖型失速,在叶顶前缘附近能明显感受到失速先兆信号,自相关分析监测到失速先兆信号的时间明显早于方差分析,可更有效的达到失速预警的作用。     

亚声速轴流压气机叶顶喷气设计规律的试验研究

为了探索叶顶喷气在亚声速轴流压气机中的设计规律,试验研究了喷气量、喷嘴喉部高度、周向覆盖比例、喷气位置、喷嘴数目、喷嘴分布形式对压气机失速裕度的影响规律,分析了叶顶喷气的扩稳机理以及对压气机失速特性的影响,总结了叶顶喷气在亚声速和跨声速压气机中作用规律的异同。研究结果表明,叶顶喷气没有改变压气机的失速特性,其扩稳机理主要在于对叶顶堵塞的有效抑制,通道堵塞对叶顶喷气的非定常响应是离散叶顶喷气有效扩稳的重要原因。当喷嘴处于堵塞状态时扩稳效果达到最大,利用0.66%的喷气量可将压气机的失速裕度提升15%。对于压气机失速裕度的影响,喷气量、喷嘴喉部高度、喷气周向覆盖比例间存在交互作用,喷气位置、喷嘴周向分布形式和进气畸变对喷气扩稳效果的影响均不大。当压气机的失速均是由叶顶泄漏涡诱发的突尖失速时,叶顶喷气在亚声速压气机中的设计方法可用于指导跨声速压气机叶顶喷气的设计。     

部分处理机匣的性能预估模型

利用进气畸变平行压气机理论划分子压气机的思想,将部分处理机匣压气机沿周向分为处理机匣子压气机和实壁机匣子压气机,再由动量守恒和能量守恒求得部分处理机匣压气机出口参数,并依据失速点流量与处理区周向角度呈线性关系的实验结论提出部分处理机匣性能预估模型假设.模型预估与实验对比结果表明:预估特性与实验特性曲线在整体趋势上一致.跨声速条件下98%设计转速峰值效率预估偏差小于0.5%,综合裕度预估偏差小于0.6%.      

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。     

周向总压畸变进气下叶片前掠对转子稳定性的影响

以跨声速压气机NASA转子11为原型进行前掠改进,对得到的前掠转子与原型转子内流场进行了定常数值模拟,结果表明:在设计转速下前掠转子的性能有所提高,尤其是近失速流量有明显的降低.在周向总压畸变进气条件下,对转子11和前掠转子进行了非定常数值模拟,两者的性能较均匀进气条件下都出现了不同程度的下降,但前掠转子的近失速流量仍明显低于转子11,这是因为转子11叶尖区域处气流较前掠转子更易堵塞.      

不同转速下自循环机匣处理对转子性能的影响

以NASA Rotor 37为研究对象,采用数值模拟的方法研究了自循环机匣处理的引气位置在不同转速下对转子性能的影响。研究结果表明:自循环机匣处理的引气位置和转子转速对转子性能的影响具有交互性,其本质原因在于转子在不同转速下处于近失速状态时,转子叶顶区域的流动状态不同,从而造成引气位置和叶顶堵塞区域的相对位置会随着转子转速的变化而变化,进而对转子的性能影响呈现出交互性。通过对三种转速下自循环机匣处理的引气位置对转子稳定性的影响分析知,引气位置位于转子叶顶堵塞区尾缘处时对转子叶顶区的流动堵塞抑制能力最强,极大地改善了转子叶顶区域的流通状况,对转子的失速裕度改进量最为有利,在100%、90%和70%设计转速下,失速裕度改进量的最大值分别为7.46%、8.52%、6.14%。此外,通过对转子叶顶的流场细节分析得知,不同转速下自循环机匣处理的引气位置位于转子近失速工况的叶顶堵塞区尾缘处时,在叶顶造成的高比熵区最少,对转子效率的降低幅度最小,于效率最为有利。      

处理机匣情形下的轴流压气机转子失速

为了解在处理机匣作用下的压气机转子失速点流动,采用非定常模拟方法对跨声轴流压气机转子在带气室斜槽处理机匣情形下的流动进行了模拟研究,获得了高、低转速下的转子特性,并针对近失速点流场进行了分析.结果表明,在处理机匣的作用下,转子失速的主要产生原因与实壁情形不同.在失速点,处理机匣有效地抑制了叶尖泄漏流的负面作用,但由于不能更多地吸纳叶尖的低能流体,使得叶片吸力面附面层中向叶尖迁移的低流向动量流体堆积于叶尖吸力面尾缘处,形成严重的流动堵塞,从而导致转子叶尖失速.      

叶顶吹气对低速轴流压气机间隙流动 影响的数值研究

为了评价叶片顶部吹气对间隙流动的影响,采用NUMECA软件对带有叶顶吹气的叶栅流场进行了计算,并将其与不带吹气的基准叶栅流场结果进行了对比、分析.结果表明:叶顶吹气的位置和角度都对间隙流动有着较大影响.按周向和径向方向吹气时对泄漏流量密度的分布有一定的影响,但对稳定工况范围的影响不大;按一定的轴向方向吹出时可抑制间隙引起的流动分离,进而增大压气机的失速裕度.      

运输类飞机平尾失速敏感性及其试飞技术研究

从平尾失速理论研究出发,探讨了可能产生平尾失速的飞行状态,总结了可用于运输类飞机平尾失速敏感性研究的飞行试验技术,研究了平尾失速和机翼失速的相互区别,帮助飞行员在遇到机翼失速或平尾失速时进行必要的清晰判断,并采取适当的改出方法,从而保证飞机飞行安全.研究结果可为未来大型运输类飞机平尾失速敏感性试飞提供很好的技术支持.     

跨声速轴流压气机失速边界预测方法

研究了跨声速、单级设计压比为1.82的Stage 35轴流压气机与单级设计压比为2.05的Stage37轴流压气机在不同转速下的特性.在HARIKA原型程序基础上,改进了其叶排效率、落后角、理论能头计算模型,采用了两种轴流压气机失速边界的预测方法,第1种为HARIKA原型程序的分离流量预测方法,第2种为Koch所提出的失速静压升系数预测方法,所得特性计算结果与实验点吻合较好,Stage 35设计点效率的误差由原型的3.9%降低到改进后的1.5%,Stage 37设计点效率的误差由3.1%降低到1.9%.两种预测方法对失速边界流量的预测误差最小分别可达1.3%与1.6%,表明两种失速边界预测方法都是可行的.     

跨声速压气机中动叶弯和掠对尾迹输运的影响

对一单级跨声速压气机设计工况下采用了3种弯、掠动叶后的非定常流场进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对动叶尾迹的非定常脉动强度以及向下游输运特性的影响.研究结果表明:与原型动叶相比,3种弯、掠动叶都减弱了动叶出口的泄漏涡和尾迹顶部脉动核心的脉动强度,使其在向下游输运过程中耗散较快;3种弯、掠动叶尾迹的中间段的脉动强度都有所加强,并且在输运过程中有向根部迁移的趋势,从而会使静叶的中部和根部受到较强的扰动.      

旋翼翼型非定常动态失速响应的计算

基于旋翼非定常翼型气动模型,给出了计算分离流和深度失速状态下的翼型非定常升力、俯仰力矩的数值计算方法。该方法采用半经验指数响应公式,利用数值离散方法来求解翼型的非定常法向力和俯仰力矩。分别计算了NACA0012和SC-1095翼型上的非定常气动载荷,并与可得到的试验结果进行了对比,验证了方法的有效性。文中还讨论了缩减频率和马赫数对动态失速响应的影响;然后,这个模型被改进以适用于后掠流下的翼型动态失速响应计算,分析了后掠角对翼型动态失速响应的影响。最后,得出了一些结论。