高压离心压气机导叶流场的附面层抽吸控制研究

通过数值模拟研究了某小型涡扇发动机离心压气机的出口导叶流场特点,结合拓扑分析方法讨论了附面层抽吸对叶栅性能的影响。结果表明:原型叶栅由于展弦比较小,流动空间狭窄,各种形式的附面层分离相互掺混,恶化了整个叶栅的流动。通过附面层抽吸可以改变叶栅内的分离结构,明显减小吸力面的分离,使得流场结构趋于简单,从而减小损失、提高叶栅效率。     

高负荷扩压叶栅中附面层吸除技术实验研究

通过分析某高负荷压气机叶栅内部的流动状况,确定了端壁开槽吸气以及端壁与吸力面同时开槽吸气两种附面层吸除方案,并在低亚声速条件下进行了风洞吹风实验。结果表明,附面层吸除是一种提高高负荷压气机叶栅气动性能的有效措施,通过吸走附面层流体可以改善壁面附近流动状况,角区分离减弱,流道内高损失区范围减小。随着吸气量的增加,改善压气机叶栅性能的效果越显著。吸气方案不同,其作用机理也不一样。     

轴流压气机近失速及旋转失速全通道数值模拟

为研究轴流压气机失速起始的动态过程,对某两级低速轴流压气机的第1级进行整环全通道模拟.结果表明:在近失速点流场中存在周向大尺度的速度波动,该波动与静子叶排首先出现的周向不均匀分布的叶背附面层分离密切相关,并且随着压气机进一步节流,波动幅值逐渐增大,最终诱发转子若干通道出现严重附面层分离,堵塞流道,压气机进入旋转失速.失速团完全发展后的转动频率与试验结果吻合较好.      

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.     

雷诺数对带蜗壳的离心压气机内部流场影响研究

为了探讨离心压气机性能随雷诺数的变化规律,对带蜗壳的全周流道流场进行数值模拟,分析雷诺数对内部流场结构的影响.结果表明:压气机工作于Re=5.7×104和Re =1.3 ×104下的最高效率比Re=1.4×105分别下降了4.5％和8.5％,所有工况在10％叶高附近效率最高.受到蜗壳的影响,全周流道计算所得压气机的效率值和工作范围均小于单流道计算结果.低雷诺数时,气流抗逆压梯度能力迅速减弱,叶顶泄漏流向下游发展过程中,会绕过相邻叶片前缘或顶部间隙进入其他流道;叶片表面约化静压沿径向的梯度增加,从而造成更严重的二次流动;前缘激波强度、附面层厚度和尾迹宽度均增加,流道内出现激波,压气机性能严重恶化.     

涡流发生器在压气机中介机匣上的应用

本文介绍了涡流发生器技术在航空发动机压气机中介机匣上的应用研究。合理地选择涡流发生器叶片参数,对消除或减小中介机匣流道分离,提高总压恢复都是可行的。h/H=0.14,l/h=2.4的一组涡流发生器不仅可以消除流体分离,还可减少流阻系数44％,从而可以改善出口流场品质,提高发动机性能。     

转静干涉对跨声速吸附式压气机流场的影响分析

跨声速低反动度吸附式压气机的静叶流道中不但有附面层抽吸,还会存在由于低反动度设计而产生的激波,因而流动现象异于常规压气机,非定常效应明显,故采用非定常数值模拟方法,对跨声速低反动度吸附式压气机的内流场展开研究。通过选取两个最具代表性的时刻,探究了转静子干涉对该压气机气动性能以及内流场的影响。结果表明:非定常不同时刻的效率峰谷值之差达0.937%,流动的非定常性很强。转子尾迹对静子流道中展向抽吸缝前的区域干涉作用明显。在静叶流道中,分离主要存在于三个位置:30%弦长位置、尾缘顶部以及尾缘根部,其中静叶吸力面侧30%弦长位置的分离原因是激波与附面层干扰,且该处部分低能流体的吸除方式为"螺旋路径吸除",并详细分析了其对流场的积极和消极影响。此外还建立了激波尾迹干涉——激波与附面层干扰——非定常效率波动这三者之间的联系,找出了非定常效率波动的原因。     

附面层抽吸对低雷诺数下压气机稳定性的影响

数值模拟了低雷诺数下附面层抽吸流动控制对跨声速压气机稳定性的影响。低雷诺数下附面层径向涡及其诱发的叶顶分离阻塞触发压气机流动失稳,通过在NASA Rotor 37跨声速轴流压气机转子叶片吸力面上设计抽吸槽,探讨了抽吸流动控制对低雷诺数下压气机性能和稳定性的影响．并对比分析了抽吸前后压气机流场特性的变化和抽吸流动控制提高低雷诺数下跨声速轴流压气机稳定性的作用机理。     

吸附式压气机叶栅气动性能计算模拟研究

为考察附面层吸附技术在压气机静子势流区叶型上的应用,采用流场数值计算方法对吸气叶栅流场进行模拟.结果表明:(1)对于高亚声速压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除可提高叶栅的扩压度,但不一定能减小流动损失.(2)对于中亚声压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除不仅可提高叶栅的扩压度而且能减小流动损失.(3)如果叶片吸力面靠后缘处有流动分离,吸气位置在分离区的上游较远处可抑制分离,若在分离区附近可能不利于抑制流动分离.      

高压比离心压气机串列叶轮内部流动机理研究

为了探索串列叶轮的设计方法和实际应用,在常规离心叶轮的基础上,利用轴流压气机和离心叶片设计方法实现了串列叶轮设计,借助经过校核的数值模拟手段,对带串列叶轮的离心压气机内部流动进行了详细数值模拟,研究了诱导轮和导风轮之间相对周向位置对串列叶轮内部流场及气动性能的影响。研究表明:串列叶轮的引入能够不同程度改善离心压气机性能,且诱导轮与导风轮之间的相对周向位置对气动性能具有较大的影响,在λs=25%周向相对位置下,串列叶轮的引入使得压气机级综合裕度和峰值效率分别提高了1.3%和1.4%。与常规叶轮相比,合理布局的串列叶轮能够有效控制离心叶轮内部附面层的发展并改善离心叶轮内部流场特性以及离心叶轮出口流场品质,从而有效提高高压比离心压气机的性能和稳定工作裕度。     

高速微型离心压气机的改型设计

近年来微型涡喷发动机的研究受到国内外的高度重视。微型叶轮机作为微型涡喷发动机的核心,其内部流动状况及特性是研究的重点。本文首先采用S-A湍流模型,对某微型涡喷发动机的离心压气机(转速118 000 r/min)的地面状态和设计转速下的粘性流场进行了三维数值模拟计算,得到了压气机特性曲线。接着对该离心压气机进行了改型。通过与原型三维流场的对比分析,实施了改型流道设计,重点在于调整转子流道的形状以及转子出口与径向扩压器之间的流道匹配。改型离心压气机的三维流场计算结果表明,基本达到改型设计要求。     

基于数值优化方法的离心压气机工作轮气动设计

将三维N-S方程流场计算、网格自动生成、Hicks-Henne函数叶型和子午面流道参数化与单纯形法寻优相结合,研究构成离心压气机工作轮自动优化设计软件。采用本文方法进行气动优化设计,流场计算要求有较高精度。对Krain工作轮的计算并与实验结果比较表明,流场计算程序具有令人满意的计算精度。在目标函数设定时,兼顾非设计点性能达到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,对两个离心压气机工作轮进行优化设计,优化工作轮达到在压比近似不变的前提下效率有效提高。     

民用间冷回热涡扇发动机高压压气机方案探索

间冷回热涡扇发动机为实现间冷和回热过程,其高压压气机布局与常规高压压气机布局有着较大差异。对间冷回热涡扇发动机高压压气机布局特点进行了分析,并在此基础上提出了1级轴流+1级离心的高压压气机布局方案。其数值模拟结果表明,该高压压气机设计点气动性能达到了指标要求,流场分布较为合理。同时,综合考虑气动、结构、工艺等因素,选择整体叶盘、整体大小叶片离心转子结构作为其初步结构方案。     

探针支杆尾迹特性对压气机叶栅性能的影响

以圆柱状方向探针为研究对象开展了探针支杆尾部椭圆状修型,采用数值模拟与试验研究相结合的方法分析了探针支杆尾迹特性对压气机叶栅性能的影响。结果表明:探针支杆扰流会增大下游叶栅总压损失和对应叶片的尾迹损失;相比于其他安装位置,支杆安装在叶片通道中部时对下游叶栅气动性能的影响较小。当进口马赫数为0.50时,支杆尾部椭圆状修型可以延缓支杆表面附面层气流分离以大幅降低尾迹强度,从而减小尾迹对下游叶栅流场的干扰;当进口马赫数为0.87时,由于支杆表面出现激波与附面层干涉,使得附面层发生分离,此时进行支杆尾部椭圆状修型不能有效降低支杆尾迹强度,无法减小支杆尾迹对下游叶栅流场的干扰。     

轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验技术

为了揭示轴流压气机叶片排的非定常流动特性，同时与压气机气动性能和气动稳定性相关联，开展了轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验研究，并对该试验的试验技术和参数测试方法做了相应介绍。试验结果表明，该试验技术对进行轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验是行之有效的。     

分流机匣对风扇/压气机性能影响的计算比较

采用流线曲率法、端部势流场分析加附面层修正等数值模拟手段,就分流机匣对风扇/压气机性能的影响展开研究,主要针对分流机匣端部中弧线形状、端弧形状,以及其轴向位置所引起的风扇/压气机特性变化规律进行了分析。研究结果表明:分流机匣几何参数及其轴向位置对整个风扇/压气机的性能有相当大的影响,对其几何参数的合理选取可以使风扇/压气机在较大的涵道分流比范围内,有效控制机匣内外表面附面层流动状况,在抑制紊流附面层分离,改善堵塞裕度方面有独特作用。      

轴流压气机角区分离的研究进展

角区分离是一种常发生于轴流压气机"吸力面-端壁"角区的三维分离现象,该现象以及随之产生的流场堵塞和流场损失会对压气机的稳定工作和效率造成不良影响,严重时会发展为"角区失速"。随着现代轴流压气机单级负荷的提升,角区分离所产生的负面影响日益突出,严重阻碍了高负荷压气机的发展,各种主动、被动流动控制方法也因此被广泛应用于角区分离的流动控制。首先,从角区分离对轴流压气机性能的影响、角区分离的流场特征和角区失速的判别准则3个方面对轴流压气机角区分离的流动机理研究进行了回顾,详细讨论了角区分离的影响因素、角区分离的流动拓扑分析以及角区失速的定义与判别方法。其次,对三维叶片设计、翼刀与凹槽、旋涡发生器、非轴对称端壁造型、射流式旋涡发生器、等离子体气动激励以及附面层抽吸与附面层射流7类流动控制方法的研究进展进行了回顾,重点探讨了这些流动控制方法在抑制角区分离方面的应用,并给出了这些流动控制方法的对角区分离的作用机制。最后,对角区分离领域的研究现状进行了简要地总结,指出了现有角区分离的机理研究和流动控制研究所存在的不足,并对该领域未来的发展进行了展望。     

压气机叶栅多点气动优化设计

采用Pareto排名策略和共享小生境技术,实现遗传算法的多点优化设计。压气机叶栅的多点气动优化设计是针对某初始叶栅同时优化不同来流攻角状态点的气动性能,使其达到攻角特性最优。压气机叶栅网格由NU-MECA/Igg软件生成,流场由NUMECA/Fine软件求解。多点气动优化设计结果显示出本文发展的优化设计平台能够较好的实现多点组合气动优化设计。     

孔式抽吸对带间隙高负荷压气机性能的影响

实验研究了端壁孔式附面层抽吸对带间隙的高负荷直列叶栅流动特性和气动性能的影响,通过三种附面层抽吸方案与原型方案的对比分析,探讨了附面层抽吸抑制间隙流动、减小损失的机理。对叶片表面和下端壁进行了墨迹流动显示,并利用五孔探针对叶栅出口气动参数进行了测量,对比分析了叶栅流道内的流场特征和损失分布。结果表明,在间隙内布置抽吸孔能有效降低间隙流动动能,削弱间隙流与主流之间的相互掺混作用,减小因间隙流动引起的端壁区域流动分离,从而达到对三维流动分离的抑制,有效降低损失,且最大降幅达16.7%;间隙流动引起的流动分离和损失在流道中占主导地位,尽管在端壁沿周向合理布置抽吸孔能在一定程度上抑制近端壁的附面层或二次流发展,但这种局部效应仍不能显著改善叶栅的整体性能;端壁上不合理的抽吸控制策略反而可能影响主流的正常流动,导致损失增加,其中方案4损失增加了约3%。     

附面层抽吸对高负荷压气机叶栅流场的影响

在低速条件下,对不同吸气位置和吸气量的高负荷吸附压气机叶栅流场进行了实验研究,分析了吸气位置和吸气量对高负荷压气机叶栅流场的影响。结果表明,吸气位置和吸气量对高负荷吸气压气机叶栅流场影响显著,且在小吸气量下流场就有明显改善;附面层抽吸有效减小了积聚在吸力面角区的低能流体,流动分离被抑制,总损失下降明显,且抽吸对叶栅流场的影响随吸气量的增加而逐渐增大;在吸力面后部流动充分发展区域,采用附面层抽吸对抑制流动分离具有更好的效果。