失速先兆抑制型机匣处理研究进展

随着现代高负荷航空发动机推重比的不断提高,风扇/压气机流动稳定性问题日益突出,而机匣处理是目前最有效的扩稳技术措施之一。首先回顾了机匣处理扩稳设计的研究历程和所面临的技术困难,进而阐述了失速先兆抑制型(SPS)机匣处理的研究思路和基本原理。基于所发展的SPS机匣处理理论设计模型,针对亚声速风扇和跨声速压气机进行了扩稳效果评估,结果显示,可以使亚声速风扇TA36和跨声速压气机J69Stage的流量裕度分别提高7.6%和6.8%。然后通过实验验证了SPS机匣处理的有效性,亚声速风扇TA36和跨声速压气机J69Stage流量裕度分别提高5.5%和9.3%,综合失速裕度均能够达到12%以上。同时,SPS机匣处理在小穿孔率大背腔情况下能够保持压气机原有的压升特性、峰值效率以及叶片径向负荷分布。最后,通过对失速先兆演化过程的对比分析发现,SPS机匣处理基于波涡相互作用改变了动力系统的阻抗边界条件,抑制了流场中的失速先兆的非线性放大,从而抑制旋转失速的发生。SPS机匣处理扩稳技术明显有别于传统机匣处理力图改变压气机尖区流动结构的扩稳思路,也完全不同于主动控制技术对消失速先兆波的研究策略,该技术为风扇/压气机流动稳定性控制提供了一种可供选择的技术途径。     

涡轮风扇发动机紧凑压缩系统气动性能

通过数值方法研究了由2级风扇、4级高压压气机及外涵组成的紧凑压缩系统的气动性能.探讨了双涵双轴压缩系统气动性能的评估方法及数值计算中相应的边界给定方法.通过对紧凑压缩系统的一体化数值模拟,分别获取了风扇及高压压气机的设计转速特性,并与设计值进行了对比,结果表明流量、压比、效率都达到了设计要求,而风扇失速裕度仅为7.8%...     

大涵道比风扇/增压级叶尖间隙影响研究

以某大涵道比风扇/增压级为例,分析风扇转子叶尖间隙对风扇/增压级性能的影响。通过风扇外涵计算及试验结果对比,表明在各转速流量、压比下吻合良好,其中高转速试验效率略高于计算结果,失速裕度基本相当;当转速降低时试验效率偏高更为明显,失速裕度略高于计算结果。分别分析1.0转速、0.85转速以及0.6转速风扇叶尖间隙对风扇/增压级性能的影响,结果表明当转速较高时,随着间隙的增加,激波-边界层干涉与间隙泄漏流掺混导致了大间隙状态二次流损失增加,外涵设计点压比、流量、效率均有所降低,当间隙增加到一定程度时,失速裕度迅速降低;对低转速状态的分析结果表明,随着间隙的增加,设计点效率下降幅度相比高转速状态有所降低,失速裕度随着间隙的增加而增大,风扇外涵特性对间隙的敏感性降低。在各转速下风扇转子叶尖间隙的大小对内涵性能影响不大。     

某三级低压风扇不同工况叶尖间隙的变化规律及气动影响

通过模型分析结合数值模拟,对某三级低压风扇不同工况叶尖间隙变化规律及其对风扇气动性能的影响展开研究.根据叶尖间隙预估模型计算发现,三级低压风扇叶尖间隙变化具有主要与转速相关,同一转速下从堵塞点到近失速点叶尖间隙的变化并不大的特点.针对这一特征,提出了评估叶尖间隙变化对稳定裕度影响的方案.通过对使用冷态装配间隙和模型预估运行间隙分别进行全工况特性线数值仿真,结果发现:转速越大,叶尖间隙变化导致的影响也增大.在该三级低压风扇100%设计转速,叶尖间隙变化会带来0.5%进口流量、0.5%最大绝热效率以及5%稳定裕度的差异.      

旋转畸变条件下新型机匣处理扩稳效果试验

开展了一种新型机匣处理扩大轴流风扇/压气机稳定裕度的试验研究。在低速风扇试验台上模拟旋转进气畸变,分析此种畸变进气条件对压气机工作性能造成的影响,并且考察一种新型机匣处理的扩稳效果。旋转进气畸变下,压升-流量特性曲线失速边界向右下偏移,压气机失速裕度明显降低。新型机匣处理在旋转进气畸变条件下对风扇/压气机有显著的扩稳效果,较小畸变转速(200,500r/min)情况下,新型机匣处理能提高压气机稳定裕度10%~20%,同时并没有带来明显的效率损失;畸变转速为800r/min情况下,机匣处理的扩稳效果相比并不明显,但可以提高压气机工作效率1%~2%。较大畸变转速情况下,畸变方向不同,机匣处理扩稳效果有所差别:正向畸变时机匣处理提高压气机失速裕度3%~10%,提高效率1%左右;而反向畸变时,失速裕度均提高10%以上,甚至达到20%,但压气机效率损失在1%左右。     

超声速叶型中弧线优化设计

以高负荷单级风扇为研究对象,采用全三维数值模拟流场分析和叶型中弧线离散点弯角控制相结合的气动优化方法,研究超声速叶型中弧线优化机理和设计原则,以提高高负荷风扇转子的设计技术,并用商用气动计算软件对优化结果进行评估。计算结果显示,优化后设计点效率提高1.1%,设计点流量提高1.01kg/s,设计转速喘振裕度提高1.85%,中低转速性能基本不变。研究表明:叶型面积比、叶片表面静压分布和激波结构对叶型性能影响显著,通过控制中弧线局部区域的弯角,能够实现三者的合理分布,提高风扇转子性能。     

附面层吸入条件下非轴对称静子对风扇流场影响数值研究

附面层吸入导致进气道与风扇气动交界面处产生严重的总压、旋流畸变,进而使得风扇效率、稳定性降低,是制约其应用的主要问题之一。为了提高风扇的抗畸变能力,本文对风扇静子进行了非轴对称设计和数值仿真计算。结果表明：相较于原型风扇,非轴对称静子效率提高0.31个百分点,失速裕度提高50.5%,风扇内部流场有明显改善,扩压因子减小,畸变区静叶叶尖吸力面角区分离范围显著降低,叶片通道通流能力上升。非轴对称静子改型方案通过改变畸变区静叶进口几何角与弦长,使静叶冲角基本不变,稠度增加,气流在吸力面上不易发生分离,从而使得角区分离范围减小,流动损失降低,风扇性能提升。     

GE公司试验前掠风扇技术

GE公司设计的前掠风扇的试验表明该部件在气动性能和稳定性方面具有大的收益.据GE公司称,与目前战斗机发动机上的常规径向式风扇相比,这种高速低展弦比前掠风扇允许发动机进口流量畸变增大约80%.这样该前掠风扇的失速裕度至少比现有最好的径向式风扇要高百分之几.据GE公司的技术人说,这种允许畸变的能力在几方面能得到采用.较高的失速裕度可增加     

某高负荷跨声双级风扇气动设计与数值模拟

介绍了某变循环发动机的高负荷跨声双级风扇的设计过程和设计结果,详细讨论了设计过程中关键参数的选取,采用基于Szm流面的流线曲率方法和任意叶片造型方法进行了通流设计和叶片造型.为了提高风扇的效率和失速裕度,转子和静子的设计采用了掠形技术.三维数值模拟结果表明,双级风扇的性能参数除绝热效率外,均达到了设计指标的要求,并且在...     

轴流压气机叶片准三维自动优化设计

为提高轴流压气机叶片气动设计效果,将叶片准三维设计方法与叶型自动优化技术相结合,构建轴流压气机叶片准三维自动优化设计平台。在叶片三维数值计算结果中提取总压损失系数径向分布,反馈到S_2流面计算程序,替代原有的基于试验数据的损失模型,重新进行通流设计,提高S_2流面流场计算精度;S_1流面叶型设计采用并行遗传算法与叶轮机CFD方法相结合的叶型自动优化方法,以数值寻优代替叶型气动外形的人工调整,减小对设计经验的依赖。运用设计平台,对一设计流量6.3kg/s,设计压比2.07的轴流压气机第一级转子进行气动设计,得到径向三维叶片,设计点流量、总压比均接近设计目标,等熵效率接近90%,失速裕度达15.5%,结果令人满意。采用三维优化方法进一步进行叶片积叠线弯、掠设计,在失速点到设计点的稳定工作范围内效率均得到了1%的提升。     

双级对转压气机全工况优化设计

为全面提升对转压气机气动性能,以某双级对转压气机为研究对象,基于人工神经网络与遗传算法,针对转子2叶片在整机环境下进行全工况优化设计,并对优化前后几何形状、总体性能及流场结构进行了对比分析.结果表明:优化后对转压气机全工况范围内等熵效率及压比均得到提升,同时流量范围有所增大.在设计点整机等熵效率提高0.3%,近失速点整机等熵效率提高1.5%,喘振裕度上升了6.37%,稳定工作范围得到显著扩大.优化后转子1全工况范围内等熵效率和压比特性变化不大,而转子2全工况范围内等熵效率和压比均有较大提高,其中在设计点转子2等熵效率上升1%,近失速点转子2等熵效率上升2.5%;在近失速点,优化后转子1、转子2、出口导叶(OGV)尖部流场显著改善.     

多级轴流压气机出口级转子扩张通道优化设计

为提高多级轴流压气机后面级气动性能,针对某多级轴流压气机出口级转子搭建了基于遗传算法和神经网络代理模型的扩张通道压气机优化设计平台,并对其进行扩张通道优化设计研究。根据优化得到的数据库分析了各设计参数对效率和裕度的影响规律。在优化所得解集中选择了两个扩张通道设计方案,探究了其对效率和裕度的影响规律和机制。结果表明:扩张通道设计可使出口级转子在设计流量点的负荷提高12.1%、效率提高1.28%,同时获得12.50%的裕度改善量。基于当地熵产率损失模型可得,扩张通道转子相较于原型转子,其上下端壁损失增加,叶型损失减小。扩张通道转子近失速点堵塞系数变小是其裕度提升的主要原因。      

Numerical design optimization of compressor blade based on ADOP

An aerodynamic design optimization platform(ADOP) has been developed.The numerical optimization method is based on genetic algorithm(GA),Pareto ranking and fitness sharing technique.The platform was used for design optimization of the stator of an advanced transonic stage to seek high adiabatic efficiency.The compressor stage efficiency is increased by 0.502% at optimal point and the stall margin is enlarged by nearly 1.0% at design rotating speed.The flow fields of the transonic stage were simulated with FINE/Turbo software package.The optimization result indicates that the optimization platform is effective in3Dnumerical design optimization problems.      

基于遗传算法与近似模型的全局气动优化方法

开发了基于精英保留策略与小生境技术的求解有约束优化问题的改进遗传算法,并用一多峰值有约束函数对其寻优能力进行了测试。为了降低气动优化设计时间,提出了集成实验设计、三维粘性流场求解程序、二次多项式近似模型、改进遗传算法的具有全局寻优能力的三维气动优化设计体系。采用该方法对NASA Rotor37动叶片叶型进行了以绝热效率最大为目标的优化设计,优化后叶片绝热效率提高1.1%。该结果表明了本优化设计体系省时、高效的特点。     

反叶片角向缝机匣处理影响轴流压气机性能的机理

采用试验和非定常数值模拟方法研究了反叶片角向缝机匣处理对亚声速轴流压气机性能的影响.试验与数值计算结果均指出反叶片角向缝机匣处理后,转子在降低12%左右最大等熵效率的基础上获得30.1%左右的失速裕度改进量.详细的转子叶顶流场分析表明反叶片角向缝机匣处理改善了叶顶间隙泄漏流动,消除了实体壁机匣时叶顶通道低速泄漏流形成的堵塞,因此转子稳定性得以提高.同时转子叶片与处理缝的相对位置变化会影响处理缝的扩稳能力.处理缝中回流、处理缝形成的喷射流与叶顶通道主流的相互作用都造成较大的流动损失,进而使转子等熵效率降低.反叶片角向缝机匣处理前移约55%叶顶轴向弦长的数值研究结果表明,与反叶片角向缝机匣处理比较,反叶片角向缝机匣处理前移获得的失速裕度改进量降低约10.4%,但等熵效率的恶化程度降低近64%.      

Experimental investigation on SPS casing treatment with bias flow

Generally, casing treatment（CT） is a passivity method to enhance the stall margin of fan/compressor. A novel casing treatment based on the small disturbance theory and vortex and wave interaction suggestion is a method combining passive control and active control, which has been proved effective at enhancing the stall margin of fan/compressor in experiment. In order to investigate the mechanism of this kind of casing treatment, an experimental investigation of a stall precursor-suppressed（SPS） casing treatment with air suction or blowing air is conducted in the present paper. The SPS casing treatment is designed to suppressing stall precursors to realize stall margin enhancement in turbomachinery. The experimental results show that the casing treatment with blowing air of small quantity can improve the stall margin by about 8% with about 1% efficiency loss. By contrast, the SPS casing treatment with micro-bias flow does not improve the stall margin much more than that without bias flow, even worse. Meanwhile, the present investigation has also attempted to reveal the mechanism of stall margin improvement with the casing treatment.It is found that the stall margin improvements vary with the modification of the unsteady shedding flow and the unsteady wall boundary impedance. The experimental results agree fairly well with the theoretical prediction using a flow stability model of rotating stall.     

非定常机匣处理扩大压气机稳定裕度实验

从非定常角度出发,设计了一种通过改变斜槽和气室来调节壁面阻抗边界条件的非定常处理机匣,并对其开展扩大轴流风扇/压气机旋转失速稳定性的实验研究.研究工作包括:对非定常处理机匣进行流量-压比特性实验,研究其扩稳效果;对处理机匣的结构参数(斜槽、气室)进行可调节特性实验;对机匣处理的效率特性进行实验评估.结果表明:这种非定常机匣处理在三台低速风扇/压气机实验台上,通过调节机匣参数,不仅能够实现在不同的工作转速下对压气机稳定裕度有显著效果,而且效率没有明显改变.      

非轴对称处理机匣的周向处理范围的实验

为了解决传统处理机匣对压气机"扩稳降效"的现象,打破处理机匣结构的轴对称传统,并设计了5种不同周向分布范围的非轴对称处理机匣.实验结果显示压气机的稳定裕度随非轴对称处理机匣的周向处理槽数的增多而单调增加,而效率则随处理槽数的增多先增加后减小.当非轴对称处理机匣的周向处理范围为120°时,能使压气机的稳定裕度和效率均有所增加,起到"扩稳增效"的效果.初步分析其原因是非轴对称的机匣结构改变了压气机叶尖的非定常流动.      

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,对跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。     

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究（两机专刊）

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,本文对某跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况的施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。