某型航空发动机高压涡轮叶尖间隙数值分析

为提高现代航空发动机的性能和可靠性，国内外许多研究机构都先后开展了叶尖间隙控制技术方面的研究，而进行叶尖间隙的数值分析是其中的重要内容之一。本文采用有限元数值分析法，结合某型发动机高压涡轮，分析了叶片、轮盘和机匣的热－结构耦合变形及涡轮叶尖间隙的变化规律，得到了较为合理的计算结果。计算分析表明：在发动机快速加、减速的情况下，叶尖间隙的变化较大；涡轮叶片的热响应最快，涡轮盘的热响应最慢；发动机在采用了控制机匣温度的方法后，叶尖间隙得到了有效的控制。     

离心压缩机内进口导叶后面流场的实验研究

在不同的进口导叶预旋角度下对一单级离心压缩机级进口导叶后面的流场进行了测量,分析了进口导叶预旋角度对流动及性能的影响.结果表明:在适当的流量工况下,选择不同方式的进口导叶预旋,可以使得压缩机级的运行得到优化.-20°预旋角是在设计扩压器进口安装角下使压缩机运行最理想的工况.由于叶轮旋转的影响,以及非对称形状的蜗壳在叶轮进口形成的不均匀的流场,使得在进口导叶零预旋时,叶轮进口的流动具有预旋,其同轴向的夹角约为10°.当体积流量减小时,由叶轮旋转和蜗壳形状引起的预旋角度也相应的减小.     

短突扩扩压器压力特性的数值研究

短突扩扩压器的性能好坏直接影响到短环燃烧室的总体性能 ,压力特性是扩压器性能最重要的衡量指标。为了进一步深入地研究 ,采用三维数值模拟的方法 ,探讨了短突扩扩压器前置扩压器进口马赫数、突扩角和突扩间隙等参数与压力损失间的变化关系 ,并与试验结果进行了比较。计算结果表明 :在本研究的参数范围内 ,总压损失随进口马赫数的增大而变大 ;存在有最佳的内外环突扩角的组合 (βi=40～ 45°,βo=40～ 5 0°)及相对突扩间隙 (δ=1 .48～ 1 .9) ,使得总压损失系数 σ*最小。数值模拟的结果与试验相比 ,其变化规律是相同的 ,最小总压损失系数所对应的各结构和流动参数的范围与试验也是一致的。     

风力机叶片表面压力的计算与外场测试分析

研究在外场工况下,对风力机叶片表面压力的测试方法,并将测试结果与CFD计算结果进行比较.为了获取叶片在外场非稳态工况下的压力信息,沿叶片展向选取7个典型段面布置带式压力传感器.在数值计算中,通过数码扫描得到试验翼型的几何形状并建立计算模型,用非压缩的N-S方程和SSTk-ω湍流模型耦合,分别对7个翼型的气动性能进行计算.通过对试验和计算结果的对比发现,因为三维旋转效应的存在,基于动量-叶素理论的二维翼型计算常常低估了实际风轮动力的产生,旋转叶轮表面压力分布和二维翼型计算结果明显不同.     

APU风车启动中压气机特性计算与分析

以某离心压气机为研究对象,数值计算离心压气机风车工作流动特点,分析了工作叶轮叶片受力情况、探讨了APU风车点火转速存在上限值的成因.研究表明,采用等转速特性线插值获得风车状态的流量、压比和温比的精度和置信度是可取的;后弯叶片是冲击气流吹转离心压气机的主要受力面,工作叶轮在5％设计转速(Nd)以下对外输出力矩,辅助涡轮部...     

用双激波模型计算风扇/压气机非设计点的性能

根据现代高速风扇/压气机内激波波系的真实结构,将适用于预测高速叶型激波损失的双激波模型引入基于基元叶片特性的流线曲率法程序,发展了一种用于预估高速风扇/压气机非设计点性能的方法。该双激波模型考虑了来流马赫数和攻角变化,较真实地反映了高马赫数风扇/压气机的实际工作状况,扩展预测风扇/压气机非设计点性能的能力。利用该模型,本文分别对一台叶尖马赫数达到1.4的大涵道比风扇和一台叶尖马赫数高达1.5的三级风扇的非设计点性能进行了计算,计算结果与试验结果保持了较高的吻合性。     

带处理机匣的跨声速风扇非定常数值模拟

对带背腔的斜缝式处理机匣的三级跨声速风扇第一级转子进行了非定常的全三维时间精确的数值模拟计算,研究了机匣处理前后转子稳定裕度和性能的变化。结果表明,这种带背腔的斜缝式机匣可以大幅度地提高转子的稳定工作裕度,同时也会造成效率的降低。通过与光壁机匣对比以及分析处理机匣与转子通道之间的非定常干涉现象,本文认为该处理机匣在跨声速条件下的扩稳机理是激波在处理机匣内沿轴向静压差形成一股吹向转子叶尖前缘的非定常气流,改变了前缘气流的攻角所致。比较机匣处理后定常计算与非定常计算的结果,说明了处理机匣对转子有非定常的作用。     

跨声速风扇转子叶尖间隙效应的数值研究

对某三级跨声速风扇第一级转子带叶尖间隙的三维流动进行了数值模拟,分析了6种不同叶尖间隙下转子的性能和失速裕度,发现转子在无间隙时总压比和等熵效率最高。随着叶尖间隙的增加,峰值等熵效率一直降低。当间隙很小时,叶尖间隙的变化对效率的影响并不是很明显。而转子的失速裕度与叶尖间隙的大小并不存在单调的关系,在0.434%叶尖间隙弦长比时达到最大值,此时的等熵效率和压比均很高,说明存在着最佳间隙。     

定常情况下二维叶栅气动性能的数值模拟

以某型航空发动机叶轮机为研究对象,采用了周期性边界条件和Spalart A1lmaras湍流计算模型,通过数值模拟,对定常情况下二维叶栅气动性能进行了数值模拟,结果表明：气流转折角的变化是与攻角相关联的,并且进口静压、叶栅负荷和损失都随着攻角的变化而变化。     

自主间隙管理所需性能研究

为了提高空域资源的利用率,增加空域流量,提出自主间隙管理。通过对自主间隙管理、间隙管理所需性能定义及原理的阐述,引出了间隙管理容差的概念和容差分配问题,对间隙管理容差的计算进行了探索。同时介绍了间隙管理容差与间隙管理所需性能的另外两个组成部分即状态数据误差和飞行速度误差之间的计算关系。对飞机之间纵向间隙建立模型,并通过从北京航管中心取得的飞行数据进行实例分析和积分等计算,求出了间隙管理容差和状态数据误差,通过状态数据误差数值进而确定状态数据等级等,最后确定了间隙管理所需性能的类型。飞机可以按照所确定的间隙管理所需性能类型选择飞行的性能级别,实现了自主间隙管理的飞行。     

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性.实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构.叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散.叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定.与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象.叶片出口近尾缘处30%以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加.     

转子叶尖间隙非定常压力场频谱分析

深入研究压缩机转子叶尖间隙非定常压力脉动,掌握其变化规律,对进一步提高压缩机效率是非常重要的.利用快速傅立叶变换技术(FFT)将转子叶尖间隙非定常压力场时域图转换成频谱图,分析了其频谱特性与转子转速、出口背压以及叶尖间隙轴向位置的关系,同时与压缩机的气动性能和气流稳定性相关联.实验表明:转子叶尖间隙非定常压力脉动主频随着转子转速的提高而增大,与出口背压无关;主频的峰值随着转速的提高而升高,随着出口背压的提高而降低;同前、后缘相比,转子叶尖中部非定常压力脉动主频的峰值在叶中较大.研究结果对研究其它旋转流场压力脉动也有参考价值.     

在轴流风扇中的流场测量和显示

介绍了利用激光多普勒测速仪(LDA)和激光片光流场显示技术在一轴流风扇转子叶尖附近流场测量得到的结果.试验结果表明,转子叶尖处的通道涡并不是叶尖间隙流卷起造成的,而是由于端壁附面层受到叶尖间隙流的横向冲击后从机匣壁面上脱落形成的.     

离心风机蜗壳流场的烟线法显示及基于变分原理的数值计算

离心风机蜗壳设计的优劣将直接影响风机的效率。本文介绍了用烟线法显示离心风机蜗壳内部流场的实验装置、实验方法和结果,并提供了两组实验照片。一组是在风机进口条件相同转速不同时拍摄的。另一组是在风机转速相同流量不同时拍摄的。对照片显示的蜗壳流场进行了分析。本文还介绍了基于变分原理的数值计算。根据泛函的极值必要条件,对离心风机蜗壳流道中的流场求解,并以变域变分的方法求解叶轮与蜗壳之间的分流流线的位置。最后将实验结果与计算结果进行了比较,两者相符。本文提供的方法可对蜗壳设计的优劣作出判断,并可对蜗壳进行优化设计。     

带分流叶片离心压气机工作轮气动优化设计

将三维Navier—Stokes方程流场计算、网格自动生成、叶轮几何参数化与数值最优化方法相结合,构成了离心压气机工作轮自动优化设计软件。在几何参数化过程中,将叶片型面和子午面流道均作为设计参数,实现了组合优化。设定目标函数时兼顾非设计点性能,实现了在设计转速下整个流量范围内的气动性能优化。采用所研制软件,对带一排分流叶片的离心压气机工作轮进行了优化设计,结果表明优化后的工作轮在压比变化很小的前提下效率有明显提高。     

离心风机进出口三维流场的实验研究

文本将适用于单倾斜热线的周期多点采样技术和适用于五孔探针的集平均采样技术结合在一起,开发了一套适用于二者的数据采集和实时处理系统。该系统主要由探针(热线和五孔探针)、坐标架机构、采样同步脉冲发生系统、数据采集和转换系统、接口电路和 IBM 计算机组成。在 IBM 计算机的控制下,探针可由坐标架上的步进电机驱动作必要的转动和移动,采样同步脉冲启动 A/D 转换用以保证采样点的准确同步。利用该系统,成功地对离心风机叶轮进出口处的三维平均流场进行了测量,获得了叶轮进口无叶区的子午面速度分布和叶轮出口处的相对速度分布,并对试验获得的详细数据进行了分析。     

采用PIV研究轴流风机叶顶泄漏流动

将粒子图像测速技术(PIV,ParticleImageVelocimeter)应用到低速轴流通风机实验台上,在设计工况下对轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了实验测量。测量得到了三个不同周向位置下的涡量图和速度矢量图,并观测到了叶顶泄漏涡的涡旋结构。重点研究了叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹,并将实验结果与原有模型进行了比较。结果表明:叶顶泄漏涡涡心的运行轨迹与现有模型得出的估算公式的计算结果接近,基本吻合。     

轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量技术研究进展

基于公开文献与课题组现有实验研究成果,总结轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量的研究现状,并对未来发展方向进行展望。实验装置方面,现有大多数实验研究基于涡轮平面叶栅,针对旋转状态下间隙泄漏流动的测量较少;测量工况方面,低速条件下的实验研究较多,针对跨声速、超声速叶尖泄漏流动的研究较少;测量方法方面,多数实验为稳态定量和定性测量,且着眼于出口流场,针对涡轮转子叶尖间隙内部流动结构的非接触、瞬态测量研究较少;结果分析方面,多数实验着眼于分析泄漏流动对涡轮性能的影响,对泄漏涡非定常流动机理、泄漏涡与二次涡系的相互作用以及涡破碎的揭示尚不完全。基于涡轮转子实验台,结合端壁动态压力测量阵列,采用内窥式PIV、LDV技术对涡轮转子叶尖间隙内部及附近非定常泄漏流动的测量是一个亟待深入研究的重要方向。     

低速离心压缩机旋转失速的试验研究

对某低速离心压缩机无叶扩压器壁面静压波动和内部流场进行了详细的试验测量,重点研究了小流量工况下的不稳定流动和旋转失速.在试验中,首先使用高频动态压力传感器获得了不同流量工况下扩压器前盖板处的静压波动,并对测量结果进行了频谱分析,以确定旋转失速起始工况点和不同小流量工况下的失速频率.然后使用PIV测速设备详细测量了在失速条件下,无叶扩压器及叶轮流道内部的流场变化.试验丰富了对低速离心压缩机旋转失速流动现象的认识,为设计高性能的离心压缩机提供了丰富的实验数据.