某直径11厘米微型扩压器的改型设计(英文)

为了提高某直径11厘米微型涡轮发动机性能,采用新概念微型扩压器对其性能很低的扩压器部件进行了改进设计,并且研究了通道截面积对新型扩压器性能的影响。由整体式主叶片和分流叶片组成的新型扩压器在设计中被看作一系列管道。改型设计所得扩压器替换原型扩压器用于了微型发动机,在该发动机试车中测得了新扩压器的性能。CFD计算和实验测量表明,在不改变装配尺寸的前提下新型扩压器获得了先进的性能(压力系数超过0.65,总压恢复系数超过0.9)。对扩压器进行改型后,直径11cm的微型发动机推力提高了约11%,耗油率降低了约9%。     

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。     

两型亚声速扩压器设计及性能分析

以CC3离心叶轮为研究对象,基于ANSYS叶片造型模块,设计与之匹配的楔形扩压器和单圆弧扩压器,采用数值模拟方法对匹配两种扩压器的离心压气机性能进行分析和对比。结果表明,对于进口亚声速和叶片较长的扩压器,楔形扩压器的性能要优于单圆弧扩压器;单圆弧扩压器由于流道扩张剧烈,从30%弦长的位置压力面侧气流产生分离,形成低速区,有效流通面积减小。     

扩压器对基本级性能的影响

使用数值方法和试验手段研究了带无叶扩压器和不同进口安装角的叶片扩压器对基本级的性能影响.针对带无叶扩压器的基本级,重点研究了近喘振点、设计点、近阻塞点3种工况的内部流动特性,结果表明近喘振点的叶轮叶片进口、叶轮叶片出口、回流叶片背面均存在低速涡流区,而设计点和近阻塞点的流动状态良好,对于近阻塞点,流动速度较大引起的摩擦阻力损失增大,导致了基本级多变效率下降很快;对带单圆弧叶片扩压器的基本级,细致地研究了匹配不同进口安装角的单圆弧叶片扩压器对喘振裕度、阻塞裕度和效率的影响,结果表明:在出口安装角不变的情况下,扩压器进口安装角比设计值降低3°,基本级的多变效率和多变能头系数达到最佳值.      

进气对某回流燃烧室性能影响的试验

为了解不同进口气流角对某回流燃烧室性能影响,进行了回流燃烧室性能试验.结果表明:不同的进口气流角度对回流燃烧室的出口温度分布影响不同,回流燃烧室中装配30°整流叶片的轴向扩压器时出口温度分布系数是无整流叶片的轴向扩压器时的1/2,而径向温度分布系数比无整流叶片的轴向扩压器时小得更多.不同的进口气流角对点火性能也有较大影响.      

单转子风扇的三维反问题气动设计

采用准三维流函数反问题设计方法与三维 N-S求解方法的相互迭代对单转子风扇进行气动设计。在叶片初步计算中得到叶栅进出口气流角沿径向分布 ,并将它作为本文的目标函数。采用准三维反问题求解方法 ,依次构造出各个 S1流面上的叶片几何形状和气流角分布。然后再采用 N-S方程的求解方法 ,对叶片进行全三维流场的数值计算。通过 N-S方程计算结果与目标函数的对比 ,重新修正叶片出口气流角分布 ,并作为下一次反问题设计的目标函数。经过反问题与 N-S方程求解的反复迭代 ,最终得到满足设计要求的叶型。     

斜流扩压器任意中弧线造型3维弯扭叶片设计

为了改善扩压器与叶轮之间的气动匹配,针对斜流/离心叶轮出口复杂的3维流动,以及扩压器叶片不同展向位置气动 负荷分布特征,提出基于任意中弧线造型的扩压器3维弯扭叶片设计方法。该方法在根据叶轮出口流场优化扩压器叶片攻角的 同时,通过对造型截面中弧线任意调整实现扩压器叶片载荷分布和局部流场细节的优化。以某高压比斜流压气机为平台,采用上 述方法完成了对其斜流扩压器的改进设计。3维数值模拟结果表明：与原方案相比,扩压器改进后斜流压气机设计点至近喘点范 围内效率提升约0.3个百分点,设计点流量基本不变,设计转速喘振裕度增大1.0个百分点,在设计点及近喘点状态下扩压器通道 流场均得到了改善,同时改进后扩压器的叶片数由21片减少至19片。     

改善二元亚音扩压器性能的试验研究

本文按文献[1]提出的“失速裕度”设计法计算了二元亚音扩压器的几何尺寸和性能,其结果与作者所做的试验数据相差甚大.该扩压器是具有很大初始扩压角的突扩扩压器,在初始扩压段即出现严重的气流分离.此方法不适用的原因在于所用的附面层动量积分方程没有考虑壁面曲率项的影响.作者还对双扩压角直壁扩压器的性能进行试验研究,结果表明具有较大扩压角且短的初始扩压段的直壁扩压器性能优于相同面积比和长度的单扩压角直壁扩压器.此外,试验表明在分离点前安装适当型式和结构参数的叶片式涡流发生器能够控制扩压器内气流分离,从而使压力恢复系数C_p值提高25～34%.     

微型离心叶轮流动损失分析与削弱

为了研究削弱微型离心叶轮内损失、提高其性能的方法,采用S-A湍流模型对微型涡喷发动机离心叶轮流动进行了三维数值模拟.分析表明流场中存在的三个主要涡流区是显著的损失源,它们的形成机理与通道内展向静压分布不均匀性造成的压力梯度有关.因此,从改善展向压力分布的角度对叶轮进行了改进设计以削弱流动损失.结果表明通过改进叶轮轴向长度、分流叶片前缘的位置和形式以及主叶片的叶片角分布可改善子午流道、分流叶片吸力面和通道内S2流面等处的展向静压分布,使之变化减缓、梯度降低,从而削弱了涡流的损失,使堵塞流量增加了约15％,叶轮峰值效率提高约7％,压比提高约6％.     

离心压气机级串列叶栅扩压器内流场的数值研究

对某一带串列叶栅扩压器的离心压气机级进行了数值模拟,分析了串列叶栅扩压器后排叶片不同周向位置对压气机级流动及性能的影响.结果表明:串列叶栅扩压器性能优于单列叶栅扩压器,其后排叶片在不同周向位置处效率和压比均优于单列叶栅扩压器,效率提高幅度能达到1.9%,压比的提高幅度为2.85%.串列扩压器分流叶片的周向位置对其内部流动情况有显著影响,两排叶片之间存在一个最佳位置使扩压器损失最小.串列叶栅扩压器的主要损失集中在50%叶高以上的区域.      

Redesign of an 11 cm-diameter Micro Diffuser

In order to improve the performances of an 11 cm-diameter turbine engine, this article suggests to substitute a new-style micro diffuser redesigned based on a new concept for the traditional diffuser having poor performances. The new diffuser comprises integral blades and splitters, which are taken for a series of ducts in designing. This article investigates the effects of the cross-section area distribution along the flow path on the redesigned diffuser's performances. Having furnished with the new diffuser in place of the original vaned one, the 11 cm-diameter prototype engine is tested on the rig for its performances. CFD and experiments have shown that the improved diffuser with the unchanged original size has gained excellent performance parameters of pressure coefficient over 0.65 and total pressure recovery coefficient over 0.9. Equipped with the redesigned micro diffuser, the engine increases the thrust by 11% and decreases the specific fuel consumption by 9%.     

液体火箭发动机推进剂泵诱导轮与离心轮的匹配

为获得诱导轮离心轮周向匹配的时序效应对离心泵外特性以及压力脉动的影响规律,阐释相关作用机制,采用基于分离涡仿真（DES）的离心泵三维全流道数值仿真方法,引入熵产理论以及压力脉动强度系数等先进分析方法对不同匹配角度下离心泵内能量损失机制及压力脉动特性进行了研究。结果表明：离心轮诱导轮的时序效应对泵外特性有一定的影响,随着匹配角度的增加,扬程和效率均呈现先减小后缓慢增大的趋势,扬程变化为0.8%,效率变化为1.2%,其影响机制由不同匹配角度下叶轮通道分离涡、叶轮叶片尾迹以及靠近隔舌处扩压器通道回流涡变化决定;时序效应对离心轮扩压器动静干涉效应影响显著,当诱导轮叶片尾缘位于离心轮相邻主叶片中间位置时,能够有效消除3倍频成分,显著降低泵内压力脉动水平,其中动静干涉区域以及隔舌处扩压器叶片表面压力脉动平均降幅分别达到14.5%和16.7%。     

不同约束条件下跨声速涡轮叶栅伴随气动优化设计

发展了一种简化的基于无反射边界理论的伴随方程进出口边界条件确定方法,研究了考虑不同约束的叶片气动外形优化设计。研究结果表明:采用流动强耦合的简化伴随方程进出口边界条件确定方法,能够确定精度较高的伴随灵敏度,在不同类型的伴随气动优化设计中均具有较好适用性。无约束的出口质量熵优化后,出口质量熵降低0.253%,流道面积和出口气流角变化较大。分别考虑出口气流角气动约束、流道面积几何约束和同时考虑上述两种约束的影响,优化后出口质量熵分别降低0.176%、0.227%和0.164%,优化后叶片气动性能显著提升,且满足约束条件。改变叶型曲率能有效减弱激波强度,吸力面前段曲率降低时,流动减速、出口气流角增大,吸力面前段曲率变化较小时,出口气流角约束较好。      

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。      

出口轮毂形状对大型轴流风机性能影响的数值研究

针对某大型轴流风机设计了4种出口段轮毂匹配方案,采用数值模拟方法对比分析了4种方案下的风机特性和叶尖以及叶根流场结构.结果表明:出口轮毂形状的变化对该风机叶尖流场结构影响很小;该风机出口无轮毂时,在叶根区域出现约占20%叶高区域的分离流,损失严重,降低了工作效率;在相同的叶尖间隙下,风机效率随着出口轮毂扩压角的减小而提高;在风机出口增加一个匹配的平直轮毂或收缩轮毂可使叶根分离涡后移,分离区域减小至5%叶高以下,同时可使该风机效率至少提高2个百分点.     

离心压气机确定应力场分析

采用定常和非定常数值模拟技术,研究了某跨声离心压气机内的固有非定常流动.对比分析了定常流场和非定常时均流场之间的差别,着重分析了通道内确定应力的分布规律以及交界面确定应力的分布特点.结果表明,叶轮和扩压器中的确定应力在数值上相当,通道内的确定应力沿周向分布有较大的梯度、沿流向分布的总体趋势是从交界面向两侧迅速衰减,交界面处的确定应力和其空间相关项之间在数值上存在一定的偏差.      

支撑板型线和径向倾斜设计对燃气轮机排气扩压器气动性能的影响

支撑板结构设计直接影响燃气轮机排气扩压器的流场结构和气动性能。本文在验证数值方法可靠的基础上,采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和 湍流模型的方法对带进气导叶和支撑板的排气扩压器模型进行了研究,探究在四种进气预旋下,支撑板截面型线以及本文提出的支撑板径向倾斜设计方案对排气扩压器气动性能的影响。结果表明：进气预旋和支撑板设计方式相同时,截面型线更薄的支撑板更易导致流体在支撑板附近的分离及更大范围的尾迹流,从而增大总压损失;支撑板截面形状相同时,与径向垂直设计相比,支撑板采用径向倾斜设计使得排气扩压器通道面积变化更加平缓,从而使得在四种进气预旋下,排气扩压器的总压损失系数下降7%-20%。当支撑板截面型线宽长比为0.2时,相对于径向垂直设计,支撑板采用径向倾斜设计方式的排气扩压器静压恢复系数在进气预旋 和 时分别提升了4.7%和3.8%;但在支撑板截面型线宽长比为0.12和0.175时,支撑板采用径向倾斜设计方式会降低排气扩压器在进气预旋 和 时的静压恢复性能。     

离心叶轮和扩压器相互作用

采用定常和非定常数值模拟技术,研究了某跨声离心压气机级内的复杂流动,分析了叶轮与径向扩压器之间的非定常相互作用.结果表明,扩压器的势干扰使叶轮出口静压发生周期性地变化,引起叶轮后部负荷、叶尖泄漏和损失等也产生周期性地变化,影响范围达30%流向弦长.叶轮出口流场的周向不均匀性及非定常性使扩压器进口参数发生周期性的变化,导致扩压器负荷、总压恢复系数分布呈现出较强的非定常性,影响范围贯穿整个扩压器通道.      

吸力面附面层抽吸在三维高负荷扩压叶栅中的作用机制

对某矩形高负荷扩压叶栅在不同弦向位置开设全叶高抽吸槽的5组方案进行了数值研究,分析了抽吸槽弦向位置等参数对抽吸量分布规律的影响;通过叶栅实验探究了局部展向抽吸方案的效果.数值仿真的计算域包含吸附叶片内部的真空腔,边界条件按照实验条件设置.研究发现:全叶高抽吸方案的抽吸量沿展向大致呈C型分布;叶高中部和端部的主要抽吸效果都体现在叶高中部流场,端部的抽吸量对叶栅角区的回流有一定的抑制效果.抽吸量沿展向的分布规律受叶栅流道和叶片内腔流场的共同作用,因此应根据三维高负荷扩压叶栅流场的具体特性对吸力面抽吸槽/孔进行细化设计.