弯掠动叶叶尖径向间隙对气动──声学性能的影响

采用了两种修正叶尖径向间隙的方法:一种是利用实验结果减小径向动叶叶尖径向间隙,使之与弯掠动叶相同,弯掠动叶气动效率提高3%-4%,气动噪声降低2-3dB（A）,稳定工作范围扩大20%以上;另一种是利用修正公式（增大弯掠动叶径向间隙）计算弯掠动叶气动-声学性能。      

弯掠动叶旋转失速工况下气动声学的实验分析与计算

测量了轴流式弯掠动叶和径向动叶在旋转失速工况下的气动噪声和噪声频谱，实验结果表明：弯掠动叶能够降低气动噪声。讨论了弯掠动叶对宽频噪声和离散噪声的影响，并且得到了适于计算弯掠动叶旋转失速工况的气动噪声计算方法。     

动叶周向前弯对附面层的影响

本文利用计及旋转和曲率、沿弦长压力梯度影响的三维附面层积分方法, 对前弯动叶片和直动叶片在变工况下的气动性能进行了模拟、比较和分析。得出了叶片周向前弯后, 叶顶部分的附面层减薄, 二次流损失减小的结论, 与实验结果吻合; 验证了前弯叶片相对直叶片提高效率、扩大稳定工作范围的实验结果。      

前弯动叶片变工况性能的估计方法

在低速轴流风机中, 前弯动叶和常规径向直叶片比较, 具有提高效率 4～5%,增加变工况范围 15～ 20%的优良性能。本文在发展完善“双激盘”理论模型的基础上, 采用平板圆弧叶型实验数据, 加入了攻角损失的计算, 并将其用于前弯动叶片设计工况以及变工况的性能估计。在设计工况下和实验结果比较, 沿叶高效率的最大误差为 1.5%,沿叶高总压的最大误差为 1.8%,两参数沿叶高的流量平均误差分别为 1%和 1 .5%。在稳定工况范围内按流量平均计算的效率误差和总压误差均在 2%以内。计算结果表明, 该法可用于估计变工况下弯掠动叶片的性能, 是一种简单、明了、适合工程需求的方法。      

非自模化区域内动叶叶尖间隙对气动-声学性能的影响

本文对非自模化区域内小型风机的气动－声学性能进行了实验研究,详细了在非自模化区域内动叶叶尖间隙对气动－声学性能的影响,并与自模化区域内的影响作了对比分析,得到了在非自模化区域内动叶径向间隙对气动－声学性能的修正,计算结果与实测值吻合良好。初步提示了非自模化区域内动叶叶尖间隙对气动－声学性能影响的机理。     

单级压气机气动优化设计

针对单排叶片气动优化设计难以保证级性能的问题,对一单级跨声速压气机进行了动静叶匹配的同时优化设计。以动叶中的掠、倾,静叶中的弯为设计自由度,对NASA Stage35进行了以气动设计点与峰值效率点为优化点的多工况气动优化设计,得到了动叶前掠、静叶向压力面侧弯曲的优化压气机级,其全工况性能均有不同程度的改善。     

冲角变化对弯掠压气机叶栅壁面静压分布的影响

实验研究了冲角变化对不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅壁面静压分布的影响。结果表明,变冲角时弯掠叶栅端部横向、径向及流向压力梯度分布改善,正冲角时端壁与吸力面附面层相互作用减弱,避免了低能流体在吸力面角区的积聚及分离,同时也使得中径附近损失有所增加,但其总损失没有明显增大;负冲角时弯掠叶栅中径附近的损失增加在总损失中占主导地位,气动性能下降。在较大正冲角时弯掠叶栅仍能保持角区流动的稳定,若增大中径处的设计冲角能够获得更好的气动性能。     

基于复合弯掠技术的轴流风机叶轮优化

基于叶轮机械全三维优化设计平台NUMECA/Design 3D,采用人工神经网络和遗传算法相结合的方法,通过复合弯掠技术对一低压轴流风机叶轮空间弯掠积叠线进行三维优化设计。优化目标为在设计工况点保持风机流量不变,尽可能提高气动效率和全压升。结果表明:复合弯掠优化使叶轮设计工况点的效率和全压升分别提升约1.92%和3.98%。复合弯掠优化使叶片负荷重新分布,改善了叶顶和叶根区域的流动,同时抑制了叶轮近吸力面叶根角区的流动分离和减小了叶顶泄漏涡的强度和影响范围,降低了流动损失,提高了叶轮气动性能。     

叶型厚度参数与压气机转子叶片颤振关联性研究

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了大负荷弯掠扭组合叶片非定常粘性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。在气动设计满足设计要求的基础上,小范围调整大负荷弯掠扭组合叶片的最大厚度分布和最大厚度相对位置分布,并分别进行颤振预估计算。结果表明,最大厚度分布和最大厚度相对位置分布对颤振影响明显。在最大厚度相对位置分布相同的情况下,均匀减薄叶片,会使一阶动频减小,积累功率增大,颤振发生的可能性增大。研究结果对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

跨声速风扇的弯、掠三维设计研究

以某小型跨声速单级轴流风扇为平台,采用数值模拟的方法,研究并探讨了弯、掠三维设计技术对具有较高负荷的跨声速轴流压气机性能改善所起到的作用和抑制流动损失增加的机理.分别探讨了在动叶上半叶高和静叶端区采用不同的弯、掠形式对风扇设计点以及等转速线上的小流量工况性能的影响.研究结果表明:动叶上半叶高采用反弯设计能够有效改变动叶端区压力梯度,减少泄漏流在出口压力面侧的堆积,增加动叶顶部的通流能力.静叶端区采用前缘反弯和尾缘正弯的复合弯、扭技术,同时实现了端区增容和控制二次流发展的目的,随着流量的减小,弯、扭设计静叶更好地控制住了端区二次流的恶化,端区损失增长明显较直叶片缓慢,风扇的稳定工作范围得到提高.      

航空发动机风扇叶片冰雹撞击仿真

为预估航空发动机风扇转子叶片受到冰雹撞击后的损伤情况,基于PAM-CRASH软件进行冰雹撞击风扇转子叶片仿真。采用SPH方法和带失效应变的弹塑性材料模型建立冰雹数值模型,模拟冰雹撞击铝合金平板过程,仿真结果与试验数据吻合较好。针对冰雹撞击旋转状态风扇转子叶片试验,建立3维风扇转子有限元模型,使用带失效模型的J-C本构模型定义叶片材料性能,采用该冰雹模型对试验过程进行仿真,获得的冰雹撞击过程和叶片损伤与试验结果基本相同,叶片凹陷深度误差小于10%。仿真与试验结果对比表明:风扇叶片冰雹撞击仿真方法能够预估叶片被冰雹撞击后的损伤情况,可用于叶片抗冰雹撞击设计与评估。     

基于打靶试验的风扇机匣包容能力评估方法

为保障飞行安全,航空发动机机匣需具有足够的抗冲击能力以包容高速旋转状态下丢失的叶片。针对某型涡扇发动机对开式风扇机匣包容性评估需求,提出了1种结合真实机匣打靶试验和有限元分析评估机匣包容能力的方法。通过使用真实机匣和真实叶片进行打靶试验获得风扇机匣的冲击损伤情况,并基于ANSYS/LS-DYNA进行了瞬态动力学有限元分析。结果表明:采用Johnson-Cook模型预测的机匣伤形状、尺寸以及叶片残余速度均与试验结果接近,验证了数值分析方法的准确性。采用验证过的数值分析方法开展旋转状态下机匣的包容性评估,发现由于撞击姿态差异和失效模式转变,风扇机匣可以包容以100%工作转速飞出的叶片,但机匣出现长裂纹,接近临界包容状态。所提出的方法可以在不具备部件包容试验条件的情况下,以较方便的形式对机匣包容能力可靠评估。     

大涵道比涡扇发动机风扇转子叶片优化

采用掠形设计技术对一台大涵道比涡扇发动机的风扇转子叶片进行了三维优化.通过三维定常Navier-Stokes（N-S）方程计算,分析了叶片尖部及根部掠形设计参数对风扇转子性能的影响.结果表明,叶片尖部前掠和根部后掠都能增加风扇转子的堵点流量,扩大其稳定工作范围.采用叶片尖部前掠和根部后掠的组合方案优化了叶片.单转子计算结果表明,优化后叶片的堵点流量增加约2%,设计流量点总压比和等熵效率分别增加5%和2%;风扇/增压级整机内外涵联算结果表明,优化后在起飞、巡航和爬升转速下,外涵的稳定工作范围都明显增加,巡航转速下,堵点流量增加约2.3%,失速点流量减小约5.2%,设计流量点的外涵总压比和等熵效率分别增加2%和0.8%,优化后内涵特性没有明显变化.      

Aeroelastic simulation of the first 1.5-stage aeroengine fan at rotating stall

A massive parallel aeroelastic simulation platform has been built to investigate the first 1.5-stage fan of an aeroengine at rotating stall. The Computational Fluid Dynamics (CFD) solver and Computational Structural Dynamics (CSD) solver are coupled directly by non-matching mesh interfaces. The unsteady rotor/stator interaction is solved by the Sliding Mesh Interface method. The original rotor blades are shrouded by the midspan shrouds. An unshrouded fan is also created to investigate the effects of the midspan shrouds. Both the shrouded fan and unshrouded fan have stable aeroelasticity at the designed state. At rotating stall, the stalled region rotates at 30% of the rotor speed on the absolute reference frame. The energy spectrum of the rotating stalled flow is measured quantitatively. It shows that the first two order excitations are much stronger than the higher order excitations. In the flow of rotating stall, the fifth backward travelling wave mode of shrouded fan is resonated by the fifth excitation of the rotational stalled flow because the rotational speed of the stalled region coincides with the modal rotational speed, while for the unshrouded fan, the first bending mode is resonated by the second excitation of the rotational stalled flow, forming two waves in the circumference of the annulus blades. At rotating stall, the vibration of the shrouded blades is still under control but the vibration of the unshrouded blades is diverged and out of control. A novel tool, i.e., resonance map, is proposed to predict the resonance. It provides a perspective to explain the effects of midspan shrouds at a theoretical level, and it would also be helpful in the structural design of blades.     

风扇机匣的减振优化设计

涡扇发动机风扇叶片的强大尾迹容易激起风扇机匣的高频行波共振.针对某涡扇发动机风扇机匣曾出现的振动过大的现象,分析了引起的原因,研究了减振措施,在此基础上提出了以减小振动为主要目的风扇机匣结构优化设计方法.机匣优化前后的整机试验测试结果表明,该方法是非常有效的.      

双级风扇三维粘性非定常流动的数值解

针对一台双级跨音速轴流风扇动静叶片排相互干扰的三维非定常流动,进行了N-S方程的数值求解。首先计算风扇定常流场,以定常流收敛结果为起始场计算非定常流动。计算结果表明,非定常流动对各叶片排进口气流角有较大的影响,其中静叶的变化大于动叶,与定常流结果相比,非定常的瞬态攻角增大的量大于减少的量,最多时增大近10°左右。静子叶片受到的非定常气动力变化幅度也大于转子叶片,叶片排所处的轴向位置不同,非定常流动的影响会有较大的差别。      

旋转离心应力对叶片鸟撞响应的影响

为避免航空发动机叶片在高速旋转工作状态时经常会发生外物损伤造成的严重事故,基于冲击动力学理论,建立了离心预应力作用下叶片外物撞击的非线性动力学模型,利用碰撞动力分析软件PAM-CRASH及其丰富的材料本构模型数据库,建立了旋转叶片受鸟体撞击的有限元分析模型,并在其环境下通过隐式静力求解来进行旋转状态下叶片的预应力分析,对不同离心栽荷下叶片鸟撞击进行数值模拟比较。结果表明,离心应力对叶片的瞬态响应及损伤特征有较大的影响,并获得了不同离心预载作用下外物损伤的一些规律。     

涵道比调节对核心机驱动风扇级与高压压气机匹配性能影响

根据某核心机驱动风扇级与高压压气机匹配气动布局的特点,建立了匹配状态点关联预估简化方程并发展了匹配性能预估程序。基于两个压缩部件性能试验数据,进行了典型匹配状态涵道比预估及特点分析,研究了等转速下涵道比调节对两个压缩部件工作状态点变化规律以及匹配性能影响。结果表明:(1)涵道比设置不合理将会导致压缩部件发生旋转失速或喘振现象,从而影响两者的匹配工作;(2)随着涵道比增大,核心机驱动风扇级工况点逐渐从近喘点向堵塞点方向偏移,而高压压气机的工况点变化趋势正好相反。核心机驱动风扇级的流量变化范围比高压压气机的窄,这使得匹配总压比-流量特性线更加陡峭;(3)存在最佳匹配涵道比使稳定工作裕度和近失速边界匹配总压比达到最大,并且此时的匹配峰值总效率接近最大匹配峰值总效率;(4)随着匹配转速的提高,典型匹配涵道比呈现逐渐减小趋势,外涵流量在85%换算转速时达到最大,因此在进行外涵流道设计需全面考虑压气机的工作特性。      

全三维、多叶排内外涵风扇压气机叶型优化研究

以某风扇/压气机为研究对象,采用全三维叶型优化方法对研究对象在整机条件下进行优化设计.对优化前后风扇/压气机进行全三维数值模拟并对计算结果进行对比分析研究,结果表明:优化后在不改变风扇级总压比的情况下设计点附近效率提高1.05%;在近设计点叶型改进后明显改善了风扇和外涵静子主流道的流场结构,根、尖两个截面流场显示采用新叶型后对内、外涵静子通道内流动均有不同程度的改善.