风扇转子叶片前缘精细维修方案及流动特性分析

以某小型大涵道比涡扇发动机风扇转子作为研究目标,在前缘侵蚀对风扇转子气动特性衰退研究的基础上,开展叶片前缘维修方案的研究。鉴于当前采用人工打磨维修手段引起的前缘气动性能的不确定性,针对侵蚀叶片前缘进行精细参数化控制,利用遗传算法寻求几何约束下的前缘最佳维修优化方案。数值计算结果显示,通过前缘优化设计能够显著地提升前缘侵蚀叶片气动特性。相比于前缘侵蚀叶片,最佳维修方案叶片的等熵效率值在设计点和近喘点附近分别提高了1.21%和3.01%,基本恢复至原始叶片水平,展现出了优秀的气动特性。叶片前缘对于风扇转子叶片吸力面附面层发展影响明显,最佳前缘维修方案能够有效地降低近前缘边界层厚度,降低附面层内部的流动损失。     

超声速串列转子三维流场数值分析

为了揭示超声速串列转子流场的流动规律,运用全三维粘性流场计算程序对超声速串列转子的流场进行了数值模拟。结果表明,超声速串列转子可以实现激波增压和气流折转增压的联合应用。串列转子前后排叶片的相互干涉导致后排叶片前缘形成脱体激波,引入了一定的激波损失;前排叶片65%～75%叶高范围内近压力面低速流体区的存在一定程度上限制了后排叶片的增压能力;转子通道内叶尖泄漏流、通道激波和机匣附面层的相互作用造成转子前后排叶片叶尖处的气流落后角增大;串列转子出口静压的升高将削弱转子内结尾激波强度,提高转子气动效率。     

超声速压气机转子叶片吸力面抽气抑制附面层分离的机理

针对压气机叶片在高负荷及非设计工况下经常出现的附面层分离状况, 采用数值方法研究了叶片吸力面不同位置、不同吸气量时附面层抽吸对压气机转子气动性能的影响.数值结果表明:抽吸位置对抽吸效果有重要的影响, 通过在分离区下游一定位置处抽吸, 能够很好的抑制附面层分离, 改善气流在大分离点处的剧烈变化, 减少流动损失, 使得级效率和压比均有显著的提高;而在分离区上游或者分离区下游的较远处开缝抽吸, 则效果不理想.吸气量对抽吸效果也有一定影响, 存在一个最佳吸气量, 吸气量过大或者过小都会对结果产生不利影响.      

风扇转子叶型侵蚀前缘再造型优化设计

针对前缘侵蚀风扇转子叶型的优化设计问题,以某小型大涵道比涡扇发动机前缘侵蚀风扇转子叶片50%叶展截面叶型 为研究对象,开展侵蚀前缘再造型的多工况、多目标优化设计。选取0°、+4°和+6°攻角作为参考工况,应用层次分析法分别建立各 工况的权重,通过商业软件NUMECA中FINE / Design3D模块开展大半径环形叶栅优化设计。结果表明：前缘优化显著改善了前 缘侵蚀叶型的气动性能,优化后叶型不仅能够恢复60%以上的由于前缘侵蚀导致的总压损失系数增大,而且在+4°攻角下总压损 失比原始叶型的减小了4.3%。此外,前缘优化对叶型吸力面前缘分离泡的产生和生长具有一定的抑制作用,使其附面层厚度保 持较为良好的发展状态,有效地减小了附面层内部的流动损失。     

总压畸变对压气机气动稳定性影响的整环数值模拟

为研究周向进口总压畸变对跨声速压气机气动稳定性影响的物理机制,采用整环三维定常数值计算方法对进口总压畸变条件下的NASA 37号转子进行求解。计算结果表明:周向进口总压畸变导致压气机稳定裕度大幅降低,设计转速时稳定裕度仅为均匀进气时的59%;畸变区与转子旋转速度相同时,位于畸变区的转子叶片进气速度、压力较小,当压气机工作点接近稳定边界时,该区域的叶片会出现叶尖泄漏流前缘溢流和尾缘倒流的现象,同时叶尖区域出现严重的吸力面附面层分离,叶尖泄漏流和吸力面附面层分离共同导致压气机失稳;周向进口总压畸变不会改变失稳的始发位置,但会影响失稳的原因。     

转静干涉对跨声速压气机叶片静气动弹性的影响

为了研究转静干涉对叶片静气动弹性的影响,采用时域双向流固耦合方法对1.5级跨声速压气机转子叶片在气动力和离心力共同作用下的变形过程进行了数值模拟,分析了设计工况下叶片的变形特征及其对气动性能的影响。结果表明:叶片变形明显改变通道激波位置和强度,最大绝热效率时均值较冷态叶型提高0.45%,堵塞流量增加了0.7%,气动特性线向流量增大方向偏移。气动力和离心力主要影响转子叶片轴向和周向的变形分量,转子叶片与导叶轴向间距缩短加剧了上下游叶片非定常气动干涉,转子前缘表面非定常压力波动幅值增加12.3%,周向变形使得转子前缘进口叶型角增大,上半叶高表面静压分布明显改变。高性能压气机工程设计中应该考虑叶片静气动弹性变形对气动性能的影响。     

跨声速风扇转子叶尖小翼设计与扩稳机理研究

为了揭示叶尖小翼对跨声速风扇转子气动性能的影响机理,采用数值模拟方法研究了跨声速风扇转子NASA Rotor 67附加不同叶尖小翼的气动特性,并在分析不同叶顶间隙时风扇转子失稳机制的基础上探究了叶尖小翼的扩稳机理。研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在小间隙、设计间隙和大间隙情况下分别使风扇转子失速裕度提高32%,33.6%和70.6%。小间隙时,转子叶尖泄漏涡和叶片吸力面附面层分离是影响风扇转子失稳的关键因素,设计间隙和大间隙时,叶尖泄漏涡导致的大面积阻塞区是影响风扇转子失稳的关键。三种不同叶顶间隙情况下,压力面小翼的扩稳机制均在于有效降低了转子叶尖泄漏涡强度,减弱了叶尖泄漏涡导致的低轴向速度区流体的阻塞程度。     

低雷诺数下涡轮转子内部流场的数值模拟研究

采用加入AGS转捩模型的Spalart-Allmaras湍流模型对低雷诺数条件下某涡轮转子内部流场特性进行了数值模拟。分析了雷诺数下降对涡轮内部流场特性的影响,探讨了雷诺数下降对涡轮气动性能的影响特点。计算结果表明,雷诺数下降使涡轮转子叶片吸力面附面层显著增厚,叶片尾缘气流局部分离,并进而严重影响涡轮的气动性能和稳定性。     

前缘侵蚀对风扇转子叶片气动特性的影响机理

以某小型大涵道比涡扇发动机风扇转子作为研究目标,数值模拟了航空发动机风扇转子叶片在航线运行过程中受到侵蚀效应后的气动特性衰变情况,为后续的精细化维修奠定理论基础。风扇转子叶片侵蚀后,叶片前缘将逐步蜕变为钝头叶型并且伴随有明显的表面粗糙度。为了简化研究,假设侵蚀后的转子叶片前缘粗糙度均匀分布,分别计算了前缘粗糙度为120 μm、250 μm两种前缘侵蚀程度下的风扇转子特性。研究结果表明,风扇转子峰值效率相比于原型叶片依次下降了1.63%和2.39%。当前缘粗糙度为250 μm时,风扇转子叶片吸力面前缘近壁面极限流线有分离迹线产生,出口平均马赫数下降2.03%。     

进口附面层对大转角弯曲扩压叶栅气动性能的影响

在低速条件下,对不同进口附面层厚度的大折转角环形弯曲扩压叶栅进行了实验和数值研究,分析了在不同厚度的进口附面层条件下叶片弯曲对扩压叶栅气动性能的影响.结果表明,相比实验进口附面层条件,当进口附面层较薄时,在多数冲角情况下采用正弯叶片对叶栅气动性能的改善程度都有所增大,而较大正冲角时,在较大折转角叶栅中采用较大弯角的正弯曲叶片仍然引起损失激增.      

分流叶片长度和周向位置对高压比离心压气机性能的影响

摘要：为揭示分流叶片长度和周向位置对高压比离心压气机性能的影响机制,采用数值方法考察了典型分流叶片长度和周向位置下压气机性能和流场结构。通过对压气机流场的详细分析,建立了分流叶片长度和周向位置参数与压气机流动结构的关联性。研究表明：分流叶片的优化设计需综合考虑长度和周向位置,采用60%长度和60%周向位置的分流叶片方案可获得最佳压气机级性能,该方案的压比和效率较设计值分别提高了3.2%和1.0%;分流叶片改善压气机性能的机制为分流叶片对主叶片泄漏涡的分流作用,以及分流叶片吸力面高速低压气流对泄漏涡的引射作用;进行分流叶片优化设计时,应合理选取叶片长度和周向安装位置,以实现分流叶片对主叶片泄漏涡的分流和引射,同时应避免分流叶片过长导致叶顶发生明显二次泄漏和分流叶片前缘形成高马赫区。     

跨声速风扇叶片的静态气动弹性问题

使用时域的流固耦合数值计算方法,研究了跨声速风扇叶片在气动力和离心力共同作用下的静态气动弹性问题,分析了叶片在不同工况下的变形规律及叶片变形对整体气动性能的影响.NASA rotor 67的静态气动弹性计算说明气动力对叶片最大变形的贡献达13.07%, 而且叶片变形明显地改变了通道激波的位置和强度.宽弦空心跨声速风扇叶片的静态气动弹性计算说明叶片变形对总体气动效率的影响为0.15%~ 0.5%,其中气动力对变形贡献在叶片尖部的前缘可达41%,考虑气动力引起的变形使得该风扇的流量增大,气动特性线整体向右偏移.计算结果说明:气动力的非线性对跨声速风扇叶片静态变形问题有显著的影响,工程实践中从设计叶型到制造叶型的反扭过程应该采用流固耦合方法以得到更准确的叶型.      

双函道叶轮机通流反问题的加质量法

在小函道比风扇级的设计中,本文将风扇转子叶片、外函、内函静子叶片的通流设计反问题与分流机匣的气动设计问题有机结合,而成为一个统一的双函道叶轮机通流反问题。在内函静子叶片流线、外函静子叶片流线、分流机匣流线和机匣位置四者实现一个统一的准径向平衡之后,造型出转子叶片、静子叶片和分流机匣,从而一次完成风扇级设计和确保准确函道比的机匣设计。实现本方法的关键是引入一个通流中的加质量流动。本方法可加入现有通流算法中。本方法的第二个重要应用是可对带减震凸台的转子叶片进行通流设计。      

基于NURBS的扩压叶栅非对称前缘设计

前缘对扩压叶栅叶型气动性能具有重要影响,圆弧形或椭圆形前缘吸力面和压力面侧为对称形状,未针对两侧流动差异进行不同设计。为进一步提升扩压叶栅气动性能,发展了一种基于三次非均匀有理B样条(non-uniform rational B-splines,NURBS)曲线的非对称前缘设计方法,在保证曲率连续的前提下,实现吸、压力面两侧非对称的前缘构造。将设计方法应用于两圆弧形前缘叶型改型设计,数值结果表明:与原始叶型相比,总压损失系数可分别降低26.3%和23.5%,提高了整体气动性能;同时与对称曲率连续前缘相比,在51.83°进口气流角下吸力峰强度降低13.4%,前缘转捩位置推后4.6%弦长,在大进口气流角下具有更好的气动性能。      

基于节流阀模型的变循环发动机风扇准稳态数值研究

为了研究变循环发动机风扇部件在模式转换过程中的气动性能及流场变化规律,在风扇三维数值仿真模型的外涵道出口采用节流阀模型给定出口特征边界,代替模式选择阀门形成了风扇高/低阶混合计算模型,计算过程中通过调节节流阀系数模拟模式选择阀门的开闭过程。在模式选择阀门单独作用时,对风扇部件、中介机匣和分流环在模式转换过程中的气动性能和流场变化进行了准稳态分析,得到了以下结论：在模式转换过程阀门关闭的前半段（阀门开度大于0.4）,第二级处于堵塞状态,此时第二级转子槽道正激波位于转子流道内部,并在阀门关闭过程中不断向前移动,第一级在此阶段流场及工作点几乎不发生变化;当第二级转子的槽道正激波被推至叶片前缘附近,第二级退出堵塞后,第一级转子流道内槽道激波开始移动,第一级气动性能才开始发生明显变化;在模式选择阀门从开到闭的过程中,分流环前缘气流攻角增大,内涵道上壁面附面层增厚造成内涵道进口流动出现径向畸变。     

超声速来流基元叶型前缘加工误差气动敏感性分析

为研究叶型前缘加工误差对叶栅气动性能敏感性,以NASA Rotor 67转子70%叶高截面基元级叶型为研究对象,选择Clamped型非均匀B样条曲线实现叶型前缘数学描述。采用单因素法建立叶型前缘加工误差模型,提炼出叶片弦长误差、前缘轮廓度误差、几何进气角误差三个误差模型;随后结合L9(34)正交实验及数值模拟方法研究超声速来流条件下三维直列叶栅不同前缘误差类型对叶栅气动性能的敏感性。正交实验极差分析及显著性分析均表明:前缘轮廓度误差FP是影响叶栅气动性能的主要影响因素(75%以上可能性),叶栅性能随前缘轮廓度增加呈现恶化趋势,即叶型前缘越厚,叶栅总压损失越大,扩压能力越小。进一步分析轮廓度误差对叶栅性能影响机制得出:激波损失是叶栅性能随轮廓度误差加大而恶化的重要原因。     

加工误差对2 维叶型损失系数影响的数值分析

叶片加工时由于公差和误差等原因其形状和尺寸往往会偏离设计状态,由此对叶片的气动性能造成严重影响。为了找到其中的规律,发展了1套简便可行的误差函数,在此基础上得到考虑了加工误差后的实际叶型。通过数值模拟得到了实际叶型的气动性能,并对其进行统计分析,验证了所采用的误差函数是可行的。计算了实际叶型的设计参数(如弦长、前尾缘半径、进出口金属角、最大厚度及其位置等),发现最大厚度和前缘半径的变化是导致实际叶型气动性能发生变化的最重要原因。在不同公差下,计算得到最小损失系数的概率密度函数,结合不同设计对叶型气动性能的不同要求,可用于评估设计和选取性价比最高的加工方式。     

高负荷涡轮叶栅气动性能试验

在环形涡轮叶栅低速风洞上,对某型高负荷涡轮静叶栅进行了吹风试验.应用五孔球头测针,详细测量了在三个冲角下由栅前至栅后7个横截面内气流参数沿叶高和节距的分布.试验结果表明,沿叶高变负荷结合叶片弯曲,在满足高负荷要求的条件下能够控制边界层的集聚、转捩与分离.在主流区采用前加载叶型,保证叶片能承担高负荷.在两个端壁区采用后部加载叶型,并通过叶片正弯进一步降低气动负荷,从而减小端壁横向压力梯度,削弱端壁横向二次流.正、负冲角仅影响叶片前缘吸力面或压力面的静压分布,引起气动负荷的增加与减小.研究的高负荷涡轮叶栅具有良好的冲角适应性.      

高压压气机出口级叶型加工偏差特征及其影响

以高压压气机出口级叶片叶中截面作为研究对象,获得了实际压气机叶片加工偏差的分布特征,并分析了实际加工偏差对叶型气动性能的影响。以此为基础,研究了加工偏差对叶型性能的影响机理。研究结果表明,实际叶型加工偏差存在一定的系统性偏差,从而导致实际叶型气动性能的平均值偏离设计值。叶型偏差对叶型气动性能的影响存在一定的非线性效应,这在前缘区域更为明显,从而导致了平均叶型的气动性能与实际叶型平均性能出现了明显偏差。前缘附近的几何偏差对吸力面和压力面的速度峰值有较大的影响,因此前缘附近的偏差是使叶型的气动性能产生系统性偏差和增大不确定度的主要因素。根据对流动机理的分析,进口几何角偏差是导致叶型性能出现系统性偏差的主要原因;可以近似用均匀偏差来估计叶身加工偏差对正负攻角范围和损失的影响。