高负荷多级轴流压气机级间引气数值模拟

采用数值模拟的方法,以一台高负荷8级轴流压气机为研究对象,研究了级间引气对压气机总体性能、内部流场和级间匹配特性的影响.结果表明:级间引气可以显著提高压气机的总体性能,引气使得压气机进口流量增加近1%,最高效率提高约1.5%;引气会使引气位置处的压力降低,气流密度减小,从而使得引气位置上游的流量增加,转子最大载荷位置向下游移动,引气位置下游的流量减小,而转子最大负荷位置基本保持不变;引气还会使引气位置上下游各级的工作点位置发生变化,改变压气机的级间匹配特性.同时静子尾部机匣处引气还会使引气位置下游机匣处的附面层厚度减小,改变下游转子的进口条件.      

多级轴流压气机非设计性能的数值预估

采用LU-SGS隐式解法以及叶排间掺混面模型数值模拟压气机三维粘性流动,研究了多级轴流压气机的设计与非设计状态性能的预估问题。对一台五级高压压气机进行了详细的流场数值计算,包括了设计转速的100%,90%及80%等多个转速及各种工作状态。结果表明,本文所建立的数值方法与计算机程序对多级轴流压气机各种非设计状态的计算都具有收敛容易和快速的优点,计算得到的压气机总性能和各分级性能与设计参数进行了对比,证明该方法和程序的预估结果是比较准确的。根据设计转速下的计算结果,预估了压气机设计点的喘振裕度。此外,还对不同状态下叶片进口气流角的变化进行了分析。      

引气对多级轴流压气机性能影响的数值研究

首先以单级轴流压气机NASA-Stage 35为研究对象,采用数值模拟方法,对单级轴流压气机引气机理进行研究,并将相关结论应用于某9级轴流压气机的引气研究中.结果表明:引气对单级和多级轴流压气机内部流场的影响基本一致,多级轴流压气机受级间匹配特性影响总体性能变化与单级轴流压气机有所差别.转子端壁引气能够吸除叶尖间隙低能流体并增强转子通道内径向流动,减小叶尖损失,提升级压比和级效率.静子端壁引气能够减小静子端区损失,提升级效率.      

小流量多级高负荷轴流压气机设计

以增压比为6的国外某小流量5级轴流压气机为设计原型,在不超过其前3级的轴向长度的条件下,设计了3级轴流压气机,研究其最大增压能力.在采用了正预旋、静子端弯、第2、3级转子叶尖适度斜流等措施后,3级轴流的设计点流量为5.80kg/s,增压比为5.445,效率为0.8272,喘振裕度为11.8%,3级平均级增压比为1.759.研究结果表明:在一定的轴向长度限制下,小流量3级轴流压气机虽可以达到5.5量级的增压比,但其流量特性曲线已经变得很陡峭.      

小流量多级轴流压气机气动性能的数值分析

以某小流量8级轴流压气机的气动设计方案为研究对象,采用三维粘性数值模拟方法进行了设计转速的气动性能计算,并将数值结果与设计方案进行了深入的对比分析。数值研究表明:该压气机的堵塞流量、总压比及效率均低于设计目标,前4级的设计和匹配是压气机堵塞流量较小的主要原因,后4级的设计和匹配是压气机总压比较低的主要原因。多级轴流压气机的匹配是性能达标的关键,需进行进一步的分析和改进。     

单级轴流压气机失速起始的数值模拟

基于某亚声单级轴流压气机试验台孤立转子环境下预失速行为的研究成果,进一步数值研究了该试验台单级环境下的失速起始过程.数值探针的监测结果表明,失速起始过程中单级轴流压气机的流动失稳始于转子叶尖部位,这与前期针对该试验台流动失稳的测量结果是一致的.对数值模拟的瞬态流场进行分析表明,先兆波的型式已从孤立转子环境下的“突尖”型转变为单级环境下的“多个小失速团”型,说明静叶的存在改变了近叶尖载荷的周向分布规律.然而,“叶尖二次涡”的形成与运动依然是“多个小失速团”型先兆波浮现的流体动力学机理.      

轴流压气机孤立转子内流场数值模拟

针对跨声速轴流压气机转子叶排中的流动，利用高分辨率的三阶NND格式和LU-SGS隐式推进迭代法，建立了孤立转子内三维N-S方程的高分辨率和高效率的数值分析程序。用该程序分别计算了NASA-37跨声速转子，计算结果表明：所建立的孤立转子程序能够较好的模拟轴流压气机叶排内流动情况。数值分析结果与实验吻合较好，从而证明了该程序的有效性。     

单级低速模拟轴流压气机实验台改进设计

为了使单级低速台能够更好地模拟高压压气机后面级流动,采用导叶+静子+转子+静子+导叶的五排叶片布局,适当提高轮毂比,以及采用3D打印树脂叶片,对常规三排叶片单级低速模拟大尺寸轴流压气机实验台进行了改进设计研究,并与四级重复级低速大尺寸压气机实验台的第三级结果进行了对比。结果表明:改型设计的单级低速大尺寸压气机的设计点效率达到了89.1%,流量裕度达到了32.9%,与四级重复级实验结果基本一致,而且实现了基本相似的级间参数分布,比传统单级实验台更接近高压压气机后面级的典型流动,从而可以利用该实验台成本低和周期短的优势,开展更多更深入的关于高压压气机后面级流动机理和设计方法的实验研究。     

跨声速轴流压气机三维黏性流场的数值模拟

改进了动静叶级间的掺混面处理方法,提出了用参数分布修正方法来保证参数在掺混面上的周向不均匀性,并使用亚松弛的参数分布系数来解决程序在动静叶轴向间距较小时的计算稳定性和收敛性问题。采用经改进的NAPA软件对NASA37级压气机的设计点和在不同转速下的流场进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合较好。     

亚音轴流压气机近失速时叶尖流动的数值研究

以西北工业大学亚音轴流压气机实验台的孤立转子为研究对象,对其进行了单通道定常、非定常的全三维数值模拟,研究了轴流压气机近失速工况下转子叶尖流动特性。通过对比分析转子在最高效率工况和近失速工况下的定常模拟结果,发现在近失速工况下转子叶顶流线变得更加切向,来流攻角不断增大,最终导致失速的发生。非定常模拟指出,在失速先兆区转子叶顶出现了前缘溢流和尾缘回流的现象,这满足突尖型失速先兆出现的两个准则,所以压气机为突尖型失速。     

压气机进气畸变数值模拟技术研究

发展了一种针对进气畸变条件下的风扇/压气机进行性能预估和稳定性分析的计算方法。首先研究了将叶片作用力简化为体积力源项的建模方法,在此基础上开发出一套基于体积力的三维进气畸变数值模拟程序,使用该程序对NASA Rotor 35在均匀进气、进口存在稳态总压畸变及同时存在总压和总温畸变的流场进行了模拟分析。结果表明,该程序获得的压气机特性及参数分布与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,同时正确地模拟出了压气机转子与上游畸变来流的耦合作用及其对压气机性能和稳定工作裕度的影响。     

旋流畸变影响低速轴流压气机数值模拟研究

为研究进气旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性影响的机理,设计了一种叶片式旋流畸变发生器,分别采用定常和非定常计算方法对旋流畸变发生器和两级低速轴流压气机进行了联合数值模拟研究。定常计算结果表明:旋流畸变发生器的叶片弯角越大、对涡强度越高;对涡旋流导致压气机总压比和效率降低,稳定边界流量明显增加;对涡强度越大,对压气机性能和稳定性影响越严重;对涡的反向涡对压气机影响较大,同向涡影响较小;反向涡造成部分叶片的叶根区域吸力面附面层提前分离,是导致压气机失稳的主因;非定常解的总压比和效率均略高于定常解,两种计算方法得到的稳定边界差异明显,非定常解的稳定边界流量比定常解小19.2%,非定常计算结果更接近试验值。     

多级轴流压气机试验研究

为了充分验证在某多级轴流压气机设计中采用的先进设计技术,对其进行了总性能试验、级间参数测量试验和径向压力畸变试验等多项研究,深入分析了试验数据,详细介绍了该压气机的性能特点和各级之间的匹配情况.结果表明,该压气机在全工况下达到或超过设计要求,具有优良的非设计工况性能和较强的抗径向畸变能力.     

某离心叶轮改型气动设计

针对某航空发动机离心压气机实施改型气动设计与数值模拟,以达到其“效率提高不低于2%”的性能指标。设计、计算结果表明:改型离心叶轮达到或超过了性能指标要求,可为类似的叶轮机改型气动设计提供借鉴。      

高速微型离心压气机的改型设计

近年来微型涡喷发动机的研究受到国内外的高度重视。微型叶轮机作为微型涡喷发动机的核心,其内部流动状况及特性是研究的重点。本文首先采用S-A湍流模型,对某微型涡喷发动机的离心压气机(转速118 000 r/min)的地面状态和设计转速下的粘性流场进行了三维数值模拟计算,得到了压气机特性曲线。接着对该离心压气机进行了改型。通过与原型三维流场的对比分析,实施了改型流道设计,重点在于调整转子流道的形状以及转子出口与径向扩压器之间的流道匹配。改型离心压气机的三维流场计算结果表明,基本达到改型设计要求。     

跨声速压气机数值模拟格式效应研究

针对跨声速叶轮机械复杂内部粘性流动,开发了全三维高精度RANS数值求解器。分别采用FVS格式与AUSM+格式结合多种限制器对Rotor 67跨声速压气机转子进行数值模拟,分析和比较了各格式的计算效果并与试验结果对比。结果表明:与FVS格式相比,AUSM+格式的数值粘性更小,边界层的模拟精度更高;Hemker限制器的综合表现最优,Van Albada限制器的粘性分辨率略低于Hemker限制器,Minmod限制器对流动分离现象的捕捉能力较差,Van Leer限制器容易引入色散误差。     

大小叶片轴流级反问题设计及数值模拟

 在常规轴流级流线曲率法通流设计和任意中弧线叶型造型方法的基础上,引入了适合于大小叶片的当量扩散因子叶型损失模型,发展了用Miller-Lewis-Hartmann(M-L-H)模型分别计算大叶片和小叶片激波损失的复合激波模型,制定了大小叶片装配方法,建立了大小叶片通流反问题设计系统。用该系统对某级增压比为2.20的单级高负荷后掠风扇进行了后掠和前掠大小叶片改型设计。经计算流体力学(CFD)检验,维持后掠造型的改型,在不提高设计点增压比的条件下,级绝热效率相当,流量和失速裕度都得到了提高;而大小叶片结合前掠的改型,当考虑单排静子的最大载荷将设计级增压比提高至2.31时,级绝热效率略微降低约0.3%,流量略减,失速裕度则显著提高。算例也表明通流反问题设计系统适合于大小叶片轴流级的设计。     

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。     

轴流压气机和涡轮特性计算的解析法

基于双变量曲面拟合,本文发展了轴流压气机和涡轮特性计算的新方法。该方法避免了发动机性能模拟中冗长耗时的部件插值计算。用新方法计算了某型涡扇发动机的压气机和涡轮特性。计算结果与实验结果吻合很好,表明了新方法的有效性。