对转叶轮机技术挑战分析

为获得关于对转叶轮机共性问题的认识,在回顾对转叶轮机发展之后,采用速度三角形方法分析了“对转”造成的气流预旋范围和变工况运行方面的技术挑战。分析表明:除带来更严峻的噪音、振动及高周疲劳问题外,对转叶轮机还将面临气流预旋范围受限、变工况运行更加复杂两个挑战。使用对转叶轮机方案前提条件是对转导致的气流预旋范围能满足总体循环提出的要求;对转叶轮机设计时尽量选取低转速比、低流量系数;对大转速比、高流量系数对转叶轮机,应尽量使前排出口相对气流角β1<40°~50°,否则,对于对转风扇/压气机就只有改变下游叶片安装角;有时需要采用可调叶片以应对对转风扇/压气机变转速变工况问题。研究结果将直接用于判断对转叶轮机适用性及确定对转叶轮机基本设计参数选取原则和范围。     

大折转角弯曲静叶在高负荷压气机改型设计中的应用

采用适合高亚声速气流进口的弯曲静叶对某型高负荷风扇级进行改型设计,使用单列大折转角弯曲静叶代替原型级中的串列静叶。采用叶片三维成型技术设计弯曲静叶,引入叶片局部修型措施控制改善栅内流动和动静叶间的匹配,通过数值模拟三维流场得到原型级和改型级的不同转速特性线上各工况点的气动性能。研究结果表明,三维成型设计的高负荷弯曲静叶能够优化压气机的结构,满足高负荷压气机不同转速工作点高性能的要求,同时具有优良的变工况性能,是研发高性能压气机部件可采取的措施之一。     

非轴对称静子对压气机气动性能的影响

为降低进气畸变对压气机气动性能的影响,设计了 1种压气机非轴对称静子,并对设计方案开展数值模拟研究。仿真结果表明:在最高效率工况下,非轴对称静子能减小畸变区静叶的流动分离,缩小叶尖低密流区域,提升通道的流通能力,压气机的最高效率约增加 0.46%,此外,畸变区叶片进口气流角得到改善,在 90%叶高处的峰值气流角降低 2.5°;在近失速工况下,非轴对称静子能降低畸变区静叶上半叶高的扩压因子,缩小分离范围,虽略微恶化了叶根区域流场,但压气机整体气动性能与流通能力有所提升,能够在更低的流量下工作,稳定裕度增加 31.5%。     

提高超声速压气机级喘振裕度方法研究

在超声速压气机气动设计时,为实现设计点高性能和宽喘振裕度,提出采用优化方法以设计点性能为目标进行叶片设计,通过转/静子叶片几何手动修改提高压气机喘振裕度。以NASA Rotor 37为原型,应用此方法进行更高性能超声速压气机转子气动设计,并匹配静子,构成压气机级。结果表明:超声速压气机转子通道激波推出和静子大攻角分离是失速发生的主要原因,因此分别进行转子叶片前掠设计、改变叶尖稠度,以控制激波位置,单转子喘振裕度可从约7%提高到18%以上;静子上采用前掠、切向弯、修改叶片数及几何进口角等措施,最终将此压气机级的喘振裕度由约18%提高到30%以上。     

交替静叶布局对轴流压气机气动稳定性的影响

为揭示交替静叶布局控制角区分离的流动机理,提升压气机性能,实现压气机的扩稳,采用了数值模拟方法对某高负荷跨声速压气机展开交替静叶设计研究。通过改变静叶叶尖进口几何角,调整叶片的布局方式,得到一种改叶型弯角交替静叶,在此基础上结合叶片弦长进一步优化,得到另一种改弦长交替静叶。数值研究表明：改叶型弯角交替静叶布局压气机的稳定裕度相对原型提升了34.7%,改弦长交替静叶使改叶型弯角交替静叶的压气机稳定性进一步提高,但会造成压比和效率的小幅下降,即以损失部分性能的代价换取了压气机稳定性的提升,改弦长交替静叶压气机在前者基础上将稳定裕度进一步提升了9.7%。新型的静叶布局使得相邻流道的流场结构产生差异,在周向上形成上、下角区分离交替分布的格局,促进了相邻流道出口流体的汇聚。叶型弯角的改变使角区低能流体区引入了更多高能流体,抑制了低能流体在角区堆积,提升了静叶的扩压能力。而弦长改变的同时增加了叶片前掠,阻隔了部分气流,实现了气流的重新分配,一定程度上平衡了两侧气流流量的不均匀性,从而改善了该压气机的气动稳定性。     

无导叶对转涡轮气动设计技术

采用先进的无导叶对转涡轮气动布局是提升航空发动机性能最为有效的措施之一。结合无导叶对转涡轮高压涡轮动叶进出口轴向速度变化较大等特点,采用理论分析等研究了对转涡轮基元速度三角形参数的优化选取方法,并给出了高压涡轮导叶、动叶出口气流角等变化对效率影响的详细变化关系。流量系数小、高压动叶出口气流角大以及高压动叶进出口轴向速度比大是设计满足出功比高效率对转涡轮的关键。而采用Bezier曲线造型的收敛-扩散叶型叶背曲率的控制、尾缘半径的选择、叶型出口面积与几何喉道面积之比等则是设计适合出口马赫数1.5～1.6高性能叶型的关键。     

带根部间隙的直、弯压气机静叶流场的实验

为了获得正弯静叶在动态压气机中的性能特点,分别对采用带根部间隙的直静叶和正弯静叶的重复级低速轴流压气机在不同流量工况下的静叶出口流场进行了实验测量,结果表明,正弯静叶对气流的扩压能力在设计工况和近喘工况下强于直静叶,在最大流量工况下弱于后者。设计工况下,流道内存在的两个主要旋涡结构,分别为上通道涡和刮削涡,且刮削涡在正弯静叶流道内的尺度要远小于直静叶流道中;最大流量工况下直静叶流道中的刮削涡明显增大而正弯静叶中则基本保持不变;近喘工况下分离严重,旋涡随之消失。考查出口气流角可以发现,正弯静叶对气流的折转能力在整个流量工况下都弱于直静叶,但沿叶高的分布更为均匀。     

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.      

间冷回热涡扇发动机大涵道比风扇技术

为支持间冷回热循环涡扇发动机技术研究,开展了一台涵道比为16.6的大涵道比风扇的气动设计,获得了较高的效率和稳定工作裕度,并对风扇根部流道弯曲形式、转静连接流道形式、转子造型技术和内涵静子周向弯曲形式进行了研究。结果表明,采用的转子根部反曲率流道、转静连接流道、宽弦-正攻角设计转子叶片、根部反弯设计内涵静子,能有效支持气动方案设计,改善大涵道比风扇气动设计中效率低、内涵裕度不足等问题。     

非轴对称安装角对压气机转子叶片性能的影响

为了给高压压气机叶片全工况的工程设计和加工制造提供借鉴,进行了多案例的单通道和8通道定常及非定常数值模拟,探究了设计点和非设计点工况下安装角非轴对称布局对压气机性能的影响。研究结果表明:非轴对称安装角方案在设计点工况下性能参数相较于均匀安装角降低,且在近堵点时流量的分散度更大。非轴对称安装角使得叶片表面压力系数波动较大,导致转子效率下降明显。在均匀安装角偏差小但标准差大的非轴对称安装角典型方案中,由于其通道中存在较原型偏离大的安装角叶片,从而使得大流量点工况下48%~82%叶高流动分离,降低了出口气流角和效率。在近失速点,该典型方案在轮毂处角区分离较原型明显增强,在10%叶高处扩散因子较原型高负荷设计高出了0.72%,导致了失速裕度减小。      

附面层吸入条件下非轴对称静子对风扇流场影响数值研究

附面层吸入导致进气道与风扇气动交界面处产生严重的总压、旋流畸变,进而使得风扇效率、稳定性降低,是制约其应用的主要问题之一。为了提高风扇的抗畸变能力,本文对风扇静子进行了非轴对称设计和数值仿真计算。结果表明：相较于原型风扇,非轴对称静子效率提高0.31个百分点,失速裕度提高50.5%,风扇内部流场有明显改善,扩压因子减小,畸变区静叶叶尖吸力面角区分离范围显著降低,叶片通道通流能力上升。非轴对称静子改型方案通过改变畸变区静叶进口几何角与弦长,使静叶冲角基本不变,稠度增加,气流在吸力面上不易发生分离,从而使得角区分离范围减小,流动损失降低,风扇性能提升。     

高切线速度低压比单级风扇设计技术及试验验证

针对单级跨声速风扇高切线速度、低压比的特点,采用先进的气动布局及特性分析方法,高切线速度低压比转子设计、低损失可调导叶设计、大攻角范围低损失静子设计技术,以及叶顶激波系控制技术等,完成了该单级风扇的设计,并在此基础上完成机械运转、总性能试验及导叶优化试验。试验结果表明,该单级风扇在满足发动机尺寸设计要求的前提下,各转速流量、效率、压比及稳定裕度均满足设计指标要求,其中效率和稳定裕度远远超过设计指标。     

低速模拟设计技术在大小叶片压气机中的应用

针对一个用于高压压气机出口级的高负荷大小叶片压气机进行了四级重复级试验台低速模拟设计研究,探讨了高负荷情况下重复级特征不明显的亚声速级压气机的低速模拟设计方法,以及考虑大叶片和小叶片气动耦合的低速模拟设计方法。研究过程中,通过调整静子叶片的稠度和弯角,采用静子叶片更大程度的几何不相似保证了模拟级转子的低速模拟设计达到高低速转换标准,并保证在不同工况下转静子的匹配关系不发生改变。此外,通过确保大叶片和小叶片叶表无量纲速度相似,并适当调整小叶片的安装角,成功模拟了高速环境下大/小叶片之间的气动耦合效应。三维数值验算结果表明,低速模拟设计得到的设计和非设计工况内部流场和压气机特性都与高速原型具有较好的相似性。     

采用高负荷弯曲静叶的压气机改型研究

采用适合高亚音速气流进口的大折转角弯曲静叶对某型高负荷风扇级进行改型设计,使用单列弯曲静叶代替原型级中的串列静叶。采用三维成型技术设计弯曲静叶,引入叶片局部修型措施控制和改善栅内流动,通过数值模拟三维流场得到原型级和改型级的设计转速特性线和设计点的气动性能。研究结果表明:采用三维成型的高负荷弯曲静叶在优化压气机结构的同时也提高了压气机的气动性能,将是研发高性能压气机可采取的重要措施之一。      

静叶轮毂间隙对压气机角区失速的控制

为了研究静叶轮毂间隙对压气机角区失速的控制作用,以某1.5级轴流压气机为研究对象,采用三维数值模拟方法研究静叶轮毂整体间隙和部分间隙对压气机低工况点和设计点气动性能的影响。结果表明:整体间隙通过产生泄漏流削弱起始于轮毂表面终止于静叶吸力面的“龙卷风”旋涡的能量源,达到了控制角区失速提高压气机低工况点性能的目的,但间隙产生的泄漏损失会降低设计点性能。而部分间隙明显优于整体间隙,部分间隙的位置越靠近尾缘,低工况点性能提高的幅度越大,同时对设计点的损害越小。TAI2方案的低工况点流量增加了0.89kg/s,效率提高了1.25%,而设计点效率不降低。另一方面,只有当部分间隙增大到一定尺寸后间隙泄漏流才足以抑制角区失速团。      

弯叶片对畸变条件下风扇性能影响研究

以跨声速风扇为研究对象,采用全周三维非定常数值模拟方法研究静叶根部20°正弯对总压畸变条件下风扇性能和流场结构的影响.通过对设计转速下风扇全工况进行求解,对比分析了静叶采用直叶片和弯叶片时设计点和近失速点的风扇性能和流场结构.通过与均匀进口条件的风扇性能对比,探讨弯叶片对风扇效率、稳定边界以及抗畸变能力的影响,重点研究弯叶片对动静叶流动损失的影响以及对级性能的影响和改善机理.研究表明,均匀进口时,根部20°正弯静叶可以改善风扇在近失速点附近的性能,而在设计点附近,弯叶片的作用不明显;进口总压畸变条件下,静叶根弯20°能有效改善风扇性能,提高稳定性;静叶根弯对流场的影响取决于具体的流场结构,流动状态越恶劣,弯叶片的作用越明显.     

高负荷小型压气机大弯角串列静子特性

针对某小型压气机高负荷轴流级大弯角静子,采用串列叶片技术进行了改型设计.串列静子三维造型引入适度正弯以获得前后叶片的最佳相对位置.通过全三维定常数值模拟得到了原型与串列改型在设计转速下不同工况点的气动性能.结果表明:串列改型静子削弱了原型静子尖部流动分离,级等熵效率提高近3.5%,串列前叶几乎承担了全工况内绝大部分攻角变化,稳定裕度提升2%;改型后的静子可以更为均匀地分配前后叶片的载荷,有利于叶片附面层流动的控制.      

转角优化程序在低压比轴流压气机上的应用

用可变容差多面体法和流线曲率法,编制了轴流压气机进口导叶可调静叶转角优化程序。将程序应用于一台三级轴流压气机,以效率尽可能高为目标,或同时加上喘振裕度不低于规定值的条件,优化不同转速进口导叶安装角和第一,二级静叶安装角,改善各转速下的级间匹配,使效率提高。应用这个程序能初步确定可调叶片的调节方案。     

畸变进气时涡扇发动机整机环境下压缩部件气动稳定性评定

将基于部件匹配技术的涡扇发动机非设计点性能计算模型和基于李亚普诺夫稳定性理论的压缩部件气动稳定性评定模型有机地耦合,实现了发动机整机环境下的压缩部件气动稳定性评定,使得该模型成为一种实用的涡扇发动机压缩部件气动稳定性分析模型。以某型涡扇发动机为例,计算比较了畸变进气时发动机整机环境和单独部件评定时风扇和压气机稳定工作边界的异同,从计算结果可以看到,对于风扇,畸变进气条件下,无论在高转速,还是低转速时,同样的进口畸变度,发动机环境下风扇的稳定裕度损失比单独部件下风扇的稳定裕度损失都小,即在发动机环境下评定风扇稳定性时,风扇对进气温度畸变不敏感,而在单独部件环境下评定时,风扇对进气畸变比较敏感。对于压气机,进口气流存在压力畸变时,采用高压涡轮导向器变化对压气机逼喘过程中,风扇的共同工作线向喘振边界靠近,而进口气流存在温度畸变时,逼喘过程中,风扇的共同工作线基本不变。     

压气机可变弯度静子叶片特性的试验研究

为省去进口导叶和复杂的防冰系统，可将风扇，压气机的静子设计成可变弯度，这样既能保持静子攻角．又能改善中低转速性能。为了获得可变弯度静子叶栅的性能，对开缝、堵缝叶栅，以及四种弯度叶栅进行了试验研究。研究结果表明：叶片弯角小于一定值时，叶栅的总压损失和出口气流落后角保持在可接受的范围．能达到调节气流出口方向的目的；弯角超过一定值时叶栅性能会恶化。