双级对转压气机的失速机理

在对实验室对转压气机进行定常数值模拟的基础上,开展了对转压气机旋转失速机理的初步研究.研究结果表明:①该对转压气机在近失速工况存在突尖波型失速初始扰动;②在近失速点转子2中间隙泄漏涡在三维空间上迅速发展,导致转子2流道严重堵塞,引起压气机内部失稳;③由于转子2叶片排存在较大的气动负荷,其叶顶间隙泄漏涡的发展情况很大程度上决定着对转压气机的稳定性.      

对转压气机三维掠动叶优化设计

为探索三维掠动叶降低对转压气机二次流损失的潜力,进一步提高对转压气机气动性能,基于近似函数与遗传算法,针对某对转压气机双排转子在整机环境下进行三维掠动叶优化设计,并对优化前后流场进行对比分析.优化成功的得到了双排“S”形掠动叶,结果表明:三维掠动叶有效改善了双排动叶吸力面径向二次流,减小了吸力面低速区,提高了对转压气机性能,优化工况点整机效率提高0.6％,全工况范围内效率均有所提高;三维掠动叶提高对转压气机效率的根本原因是其对径向负荷分配的重新调整,将叶展下方流动较差区域负荷移至叶展上方,改善流场的同时保证对转压气机负荷不变.     

级环境下跨声速对转压气机优化设计研究

为研究不同优化策略对跨声速对转压气机性能以及内部流动机理的影响规律,运用人工神经网络结合遗传算法在级环境下对下游转子轮毂型线和积叠规律分别进行了三维优化设计。结果表明:轮毂型线优化和积叠规律优化分别使下游转子效率提升了1.19%和2.87%,整机效率分别提升了0.48%和0.63%。轮毂型线优化改善了下游转子叶根区域靠近压力面的分离流动,降低了流动损失;下游转子积叠规律优化有效抑制了下游转子叶根角区分离流动,同时降低了叶顶泄漏流损失;轮毂型线优化对根部角区的调控能力优于积叠规律优化,二者的组合优化有望进一步提升对转压气机性能。     

双级对转压气机轴向间隙对性能的影响

设计了7组不同轴向间隙的对转压气机几何数据,应用数值模拟手段获取其性能和流场细微结构,研究了对转转子轴向间距对压气机性能、进气角以及流场结构的影响.结果表明:①在轴向间隙从30%C(C为转子叶片根部弦长)到70%C增加的过程中,对转压气机峰值效率降低2%左右,上、下游对转转子峰值效率也降低约4%;②设计转速下近失速点效率和流量先上升后降低,在55%C间距时达到最大值;堵塞点流量增加,效率降低约3%;③在堵塞工况下,随着轴向间隙的增加上、下游转子进口气流角减小;④当轴向间隙增大至50%C时,继续增大对上下游转子来流攻角影响不大;⑤如果掺混损失占主导地位,通过减小轴向间距可有效提高压气机性能,如果是二次流损失占主导地位通过增加轴向间距来提高压气机性能是可行的方法.      

对转压气机非轴对称端壁造型优化设计

为探索非轴对称端壁对对转压气机流场影响机理,采用端壁造型进一步提高对转压气机性能,以某对转压气机双排转子为研究对象,应用人工神经网络与遗传算法在整机环境下先后对转子1(R1)和转子2(R2)进行了非轴对称端壁造型优化,并对比分析了优化前后流场结构及性能.结果表明:在优化工况点,非轴对称端壁改变了各转子轮毂附近的静压分布,减小了周向静压梯度,降低了二次流强度;同时改变了各转子沿径向的通流能力,提高了各转子靠近尖部区域的效率;最终对转压气机整机效率上升了0.78%.      

1+1对转涡轮变工况性能分析与优化设计

为阐明1+1对转涡轮变工况性能损失的主要来源并提出改进方法,以1+1对转涡轮为例进行了部分载荷工况下的流场模拟、分析和优化。与相同设计参数的同转涡轮进行部分载荷工况流场对比,发现部分转速下同转涡轮在级间导叶吸力面前缘出现分离,而1+1对转涡轮在压力面前缘出现分离。针对此流动损失,为1+1对转涡轮级间导叶提出了一种基于分离角的压力面优化设计方法,提高了近前缘压力面的气流速度,增强了其对负攻角的适应性,基本消除了叶片14%、58%和92%叶高处压力面前缘的流动分离,在正攻角工况下亦保持了良好气动性能。数值验证了该涡轮的效率在全工况范围内明显提高,而设计点效率未受负面影响。其中,在对转涡轮70%和50%设计转速的两个工况点上,低压涡轮效率较优化前分别提升了1.5%和2.0%,涡轮总效率较优化前分别提升了0.5%和0.7%。     

基于多级环境下的双排对转压气机优化设计

以某双排对转压气机为研究对象,采用三维Navier-Stokes方程计算、叶片参数化造型、神经网络构建近似函数、遗传算法寻优相结合的优化方法,对转子2叶片进行级环境下的全三维叶型优化方案探索.优化目标是在控制流量和压比的情况下,最大化等熵效率.优化结果显示,设计点压气机效率提高1.5%左右.通过流场细微结构分析表明新叶型的气动布局得到合理改善,转子2中,尖部流场低速区域有所减少,分离现象有所减弱.      

对转压气机转差特性试验与数值研究

为了探索对转压气机流场特性,积累相关设计经验,本文进行在前后级转子等转速压比和效率特性试验基础上,着重进行了前后级转子不同转差下的特性实验。同时,借助CFD技术,辅助分析了转差对压气机特性及流场的影响。结果表明,转差变化引起压气机性能与流场结构发生显著变化,是影响压气机性能的主要因素之一。     

对转压气机转差特性试验与数值模拟

为了探索对转压气机流场特性,在前后级转子等转速压比和效率特性试验基础上,在一个两级对转轴流压气机试验台上进行了前后级转子不同转差下的特性实验,并对试验工况进行了数值模拟,辅助分析了转差对压气机特性及流场的影响,数值模拟与实验结果符合较好.结果表明,转差变化引起压气机性能与流场结构发生显著变化,是影响压气机性能的主要因素之一.      

结合吸附技术的对转压气机改型设计

应用附面层抽吸技术和叶型优化设计方法对某双排对转轴流压气机进行了改型设计数值研究,旨在指导下一步的实验研究。近喘点时,原始出口导流叶片(OGV)尖部叶型存在着严重的气流分离现象。优化设计后,气流在叶型前缘加速平缓,通道内回流区所占比例明显降低,OGV 70%叶展以上的总压损失系数平均降低了38.4%,压气机等熵效率提高了0.3%。在转子2(R2)尖部叶型66%弦长轮缘端壁处开设1mm宽抽吸槽,当近喘点的相对质量抽吸量为1%时,R2尖部的负荷水平改善明显,65%叶展以上等熵效率平均提高了10%。尖部流场的改善对于下游OGV产生了积极的效应,速度三角形的重构使轮缘端壁处的角区分离被限制在了很小的范围内,85%叶展以上的总压损失系数平均降低了25%。通过抽吸,压气机等熵效率又获得了0.5%的收益。     

一种对转压气机气动设计方法及其验证

结合附面层抽吸技术提出了一种高负荷对转压气机气动设计方法.在高负荷设计前提下,为避免在转动部件中进行附面层抽吸所带来的诸如强度等问题,利用基于动叶出口轴向速度提升的低反动度压气机气动设计原理,提升动叶出口轴向速度以确保动叶效率,附面层抽吸只在静叶中进行.利用该对转压气机气动设计方法,进行了一对转压气机气动设计验证.三维黏性数值模拟结果表明,在第一列转子与第二列转子叶尖切线速度分别为370m/s与350m/s的前提下,实现了总压比为5.85,效率为88%的两级对转压气机气动设计.     

1+1对转涡轮气动设计技术研究

分析了对转涡轮方案的影响因素,推导了带导叶对转涡轮基元级速度三角形参数与涡轮效率和出功比的关系,进行了速度三角形的分析,得到了带导叶对转涡轮速度三角形的设计规律。为验证此规律,选取了基元级基本参数,在此基础上,进行了考虑冷却的1+1对转涡轮气动方案的设计;并利用三维数值模拟手段对所设计的气动方案进行了验证。结果表明,所完成的涡轮气动方案能够满足设计要求,且选取的速度三角形基本参数与数值模拟结果较为接近。     

超声速低反力度吸附式压气机变工况特性

为探讨非设计点的气动性能,以某3级高负荷低反力度吸附式压气机首级超声速级作为研究对象,借助数值模拟的方法,分别研究了变转速、变抽吸量以及近失速点首级超声速级参数以及内部流场的变化.结果表明:变转速条件下,基于低反力度设计概念研制的吸附式压气机所采用的抽吸方案仍能适应设计要求;减少抽吸量,在降低本级气动性能的同时,增加了其与下一级流动匹配的难度;通过在端壁抽吸槽道前段添加附加抽吸槽道/孔可进一步拓宽吸附式压气机的工作范围.      

非线性谐波法在双级对转压气机中的进一步校检

以双级对转压气机为研究对象,在与试验结果及常规非定常方法对比的基础上,对新型非定常模拟方法——非线性谐波法(NHM)进行了时域和频域中的校检分析,探索其相比常规非定常方法的适用性.研究结果表明:非线性谐波法在设计工况下能够较为可靠地模拟确定应力的大小及其分布规律,具有较高的建模精度.对于近失速状态,由于流场中的固有周期性被破坏,导致非线性谐波法在该工况下不再适用,其与常规非定常模拟结果存在明显差异.      

级环境下附面层抽吸对对转压气机性能的影响

为研究级环境下附面层抽吸(BLS)对对转压气机性能影响的机理,针对某双排轴流对转压气机转子进行附面层抽吸的探索.在前排转子R1(Rotor 1)、后排转子R2(Rotor 2)吸力面沿弦向不同位置分别开设3个不同抽吸槽,研究了不同吸气位置与吸气量下R1单独吸气、R2单独吸气对对转压气机流场结构及性能的影响.结果表明:R1单独吸气时,随吸气量增加,R1效率提高,R2效率降低,对转压气机整机效率先增大后减小,最佳吸气位置靠近R1尾缘;R2单独吸气时,随吸气量增加,R1效率基本不变,R2效率先增大后减小,对转压气机整机效率先增大后减小,最佳吸气位置靠近R2尾缘;附面层抽吸后落后角明显减小,叶排间的气流参数匹配是级环境下附面层抽吸需要考虑的重要因素.      

多级涡轮多工况气动优化设计研究

采用将准三维设计和多级局部优化联合的多级涡轮多工况气动优化设计流程对某三级航空发动机涡轮进行多级气动优化设计.优化联合采用人工神经网络和遗传算法对各列叶栅进行三维局部优化,流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解.通过优化设计,改善了各列的性能,并对各列间参数进行了优化匹配,两种工况的总效率均提高1%,总流量基本不变,总体性能提高,达到设计要求.      

可调弯度进口导叶在对转压气机中的应用

利用NUMECA软件对对转压气机进口导叶不同弯度时进行流场模拟,得到了进口导叶不同弯度时的流场结构和性能参数.进口导叶正弯时,总增压比明显下降,稳定工作范围明显变小;进口导叶负弯时,随着弯度的增大,总增压比逐渐上升,堵塞点右移;进口导叶弯度为-15°时,稳定工作范围明显较大.结果表明: 采用可调弯度进口导叶能够调节和改善对转压气机性能和流场结构,可调弯度进口导叶能够调节转子进气攻角,使其更接近设计攻角,从而改善压气机的性能.