粗糙度对多级压气机性能影响的数值模拟研究

为了研究粗糙度对多级压气机气动特性的影响,采用三维数值模拟软件CFX,对3.5级压气机进行了研究。结果表明,相比于端壁粗糙度,叶片表面粗糙度对压气机性能影响更大;不同转速下,叶片表面粗糙度的增大会造成压气机压比和效率的降低,并且粗糙度增大越快,性能衰退也越快,其中设计转速下粗糙度对压气机的性能影响更大,当叶片表面粗糙度达到50μm时,峰值效率下降了5.25%,对应压比下降了1.33%。前面级叶片表面粗糙度加剧了后面级角区分离和尾迹损失,在压气机性能下降中所占比重更大;而最后一级粗糙度对分离区的影响很小,主要是增加了尾迹掺混造成的损失。单级粗糙度对压气机稳定工作区间影响很小,而全部级粗糙度增大了压气机的稳定工作区间,这是由于粗糙度造成的近失速点处的流量下降相比于堵塞流量的下降程度更大。     

表面粗糙度对离心压气机气动性能影响分析

为探究叶片表面粗糙度的变化对压气机气动特性的影响,以某小型GTF涡扇发动机离心压气机为研究对象,在假设粗 糙度均匀分布的前提下分析了离心压气机内部流动细节,数值计算了以30 μm为间隔从30~270 μm共9种不同表面等效砂粒粗糙度ks下的流动特性。结果表明：当叶片表面从光滑状态增大到ks=270 μm时,峰值效率降低4.8%,对应的总压比降低9.4%。通过对离心压气机内部流场分析可知,粗糙度逐步增大使叶片表面附面层厚度增加,诱导吸力面出现流动分离,使叶片尾迹区范围扩大,叶片流动损失增加等。在数值研究的基础上,根据计算结果拟合并校验了离心压气机的总压损失系数?、效率损失系数ζ与叶片表面粗糙度ks的关系式,预测了其性能衰退规律。     

涡轮叶片粗糙度对其性能衰退的影响研究

涡轮是航空发动机核心部件之一,对整个发动机性能的发挥产生重大影响。导致航空发动机性能衰退的形式有很多种,其中由积垢沉淀因素造成的叶片粗糙度增大是具有代表性的原因。利用叶型基本数据进行两级涡轮建模,与传统建模方法相比,提高了模型精度。将所有导致涡轮性能衰退的因素都等价为叶片表面粗糙度的变化,并基于等价雷诺数修正原理,通过仿真方法定量研究了涡轮叶片由于积垢沉淀引起粗糙度增大从而导致其性能的衰退情况。仿真结果表明,当涡轮叶片表面粗糙度增大时,两级涡轮主要的特性参数都发生不同程度的减小,使涡轮总体性能下降。     

压气机叶片多目标优化设计及稳定裕度分析

将数值最优化方法与压气机叶片流场计算相结合,以总压损失、压比、流量作为目标,应用人工神经网络来近似拟合其与设计变量的函数关系,基于罚函数利用遗传算法对其进行优化直至收敛。从压气机堵塞点开始,逐步提高背压,进行稳定性分析,得出优化前后叶片的稳定裕度。与原风扇转子相比,在设计工作点总压损失系数降低,压比和流量均增大,并且在整个工作流量范围内除在喘振点附近外总压比和效率都有一定的提高,经过验证优化后转子的峰值效率和稳定裕度都得到了显著提高。     

积垢对离心压气机性能的影响分析

以某型离心压气机为研究对象,利用流场仿真软件对不同污染程度的压气机性能进行数值计算,对比流场特性的变化,分析了积垢造成压气机性能损失的程度。结果表明：积垢对离心压气机性能的主要影响是降低压气机效率,原因是积垢改变了叶片表面粗糙度,增加了摩擦损失;扩大了叶片后缘和出口附近的低速回流区的范围,增强了回流强度,加大了流动损失。     

导叶冷却对涡轮级性能影响的数值研究

针对某高压燃气三维扭转涡轮导叶全叶身冷气射流进行了数值模拟,详细分析了在设计转速下改变冷气流量对叶片气动性能、冷却效率和叶栅通道损失的影响;对比分析了在冷气流量相同的条件下,改变转速对涡轮级性能影响.结果表明:不同冷气流量对导叶冷却孔附近区域的静压影响较为明显,而对下游转子的型面静压影响不大;导叶冷气射流对叶栅通道内主流气流角影响较小;冷气流量占主流流量由2.50%增加至6.25%,叶片绝热壁温降幅达11.19%,导叶叶栅通道总压损失和能量损失分别增加了12.95%和12.01%,而涡轮级功率和级效率分别降低了2.39%和1.51%.      

基于并行遗传算法的向心涡轮气动优化设计

为了提高向心涡轮轮周效率,保持流量、膨胀比不变,以流道、安装角、型面为设计变量,基于并行遗传算法的优化方法,对某微型发动机向心涡轮叶片气动性能进行多变量耦合的自动优化设计,利用商用软件NUMECA进行3维流场计算分析,并比较了优化前后向心涡轮转子的总体性能。结果表明:在设计工况下,向心涡轮的轮周效率提高近3%,流量也略有增加,膨胀比近似不变;在非设计工况下,优化叶片效率均高于初始叶片的,向心涡轮的整体性能得到提高。该算法不仅可自动实现多变量耦合优化,而且可高效地得到高气动性能叶片。     

压气机叶片粗糙度对其性能衰退的影响研究

利用标准叶型数据进行压气机建模,对建立的模型进行了验证,证明模型是有效的。基于等价雷诺数修正原理,通过仿真方法定量研究了压气机叶片由于积垢沉淀等因素引起粗糙度增大,从而导致其性能的衰退情况。仿真结果表明,当压气机叶片表面粗糙度增大时,压气机主要特性参数都不同程度的减小,使压气机总体性能下降。     

积垢对轴流压气机性能的影响分析

压气机叶片表面积垢黏附是压气机性能衰退的重要原因。为了提高压气机的清洗效果,合理安排清洗次数,降低发动机使用维护成本,开展积垢对压气机性能影响研究。根据轴流压气机的叶型和几何结构数据建立压气机3维模型,通过增加叶片的厚度模拟积垢黏附在叶片表面后叶型的变化,采用在叶片表面增加较小的随机尺寸的方法高度模拟轴流叶片表面粗糙度的变化。对洁净状态和不同污染状态的轴流压气机性能进行数值模拟计算,仿真结果表明:在相同转速下,随着压气机叶片污染程度的加重,压气机的压比和效率都会下降;转速越大,积垢会使压气机流量减小越明显,且入口压差是对积垢最敏感的压气机参数。     

基于动叶污垢沉积的数值模拟

采用三维数值方法研究了污垢沉积对压气机动叶性能的影响.对具有一定典型性的真实压气机动叶NASA Rotor 37进行数值研究,通过与文献中实验数据的对比,校核了商业CFD(computational fluid dynamics)计算代码的可靠性,结果表明计算得到的性能曲线与实验数据有较好的一致性,应用于数值模拟手段是可行的.随后通过增加叶片和端壁的表面粗糙度和厚度来模拟不同的污垢沉积程度对压气机动叶性能的影响,结果表明:增加叶片厚度和表面粗糙度都将引起总压比和等熵效率降低;增加表面粗糙度将导致流量下降,稳定工况范围向小流量方向移动;而增加叶片厚度将使得稳定工况范围明显减小,堵点流量下降较显著,这将导致动叶工作特性恶化程度增大.      

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。      

叶尖掉块对跨声速压气机气动性能影响

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨音速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰减;掉块叶片产生的流动堵塞和吸力面气流的膨胀加速会影响到吸力面侧的掉块叶片,进而限制泄漏流的发展,使得流动堵塞和损失维持在较低水平,但这种影响会随着掉块叶片距离的增大而减弱。     

环下润滑结构内部流动分析和收油叶片结构优化研究

为了研究环下润滑结构内部流动并优化收油叶片结构,根据环下润滑结构内部高转速、强旋流的流动特点建立了数值计算模型,分析了原始结构的油气两相流动并总结了滑油的损失机理,在此基础上提出收油叶片的优化改进结构,详细讨论了不同收油叶片结构对环下润滑内部流动和收油效率的影响规律。研究结果表明,原始结构中滑油冲击主轴产生的碰撞飞溅和在离心作用下沿收油叶片被向外甩出均是引起收油效率下降的原因;优化收油叶片结构后的气流速度在叶尖附近的最大增加幅度不超过4m/s;收油叶片叶根拐角处采用圆弧过渡且叶根延伸后的收油效率仅在低转速范围内略高于原始结构的收油效率,收油效率最大提升了1.03%;在此基础上增加阶梯结构并进一步延伸叶根后可在全部转速范围内提升收油效率,相对原始结构的收油效率最大可提升接近5.0%。     

预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流动换热

为了获得一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮叶片的流动与换热特性,采用气热耦合计算方法进行数值研究,分析了总压损失、冷却效果和涡轮效率随预旋角、冷气雷诺数和无量纲质量流量的变化规律。结果表明,涡轮叶片预旋进气冷却的总压损失随冷气雷诺数和无量纲质量流量的增大而增大,但基本不受预旋角大小的影响;涡轮叶片的冷却效果随预旋角的减小、冷气雷诺数或无量纲质量流量的增大而增强,但不会改变其表面的温度分布特征;预旋进气冷却时的涡轮效率随冷气雷诺数的增大、预旋角或无量纲质量流量的减小而提高。     

A physics-based framework for online surface roughness assessment for high-pressure turbines

Surface roughness is a critical health parameter of a turbine blade due to its implications on blade surface heat transfer and structural integrity. This paper proposes a physics-based online framework for Gas Turbine Engines (GTE), in order to assess the blade surface roughness in a high-pressure turbine without engine shutdown. The framework consolidates Gas Path Analysis (GPA) based performance monitoring models and meanline turbomachinery analysis, using a novel GPA-meanline matching process. This extracts meaningful performance deviation trends from GPA, while addressing the uncertainties associated with the measurements and modelling. To relate efficiency loss to surface roughness severity, a meanline-based system-identification process has been developed to establish the meanline representation of the turbine stage, and to incorporate the empirical surface roughness loss correlations. The roughness loss correlations have been evaluated against recent transonic test data in the literature. A modification to the compressibility correction factor has been made according to the evaluation outcome, which improved loss predictions compared to the experimental measurements. The framework was tested on the three-year operational data of a cogeneration GTE, and the results verified the framework's potential for online surface roughness monitoring. The predicted surface roughness showed agreement in both trend and the magnitude-level with the measurements reported in the literature.     

有无叶顶冷却涡轮叶栅气热性能的旋转效应研究

为揭示叶片或机匣旋转条件和叶顶冷却对涡轮动叶气热性能的影响机理,选用LISA 1.5级涡轮动叶片,构建叶顶冷却孔,开展了不同冷气流量下的数值模拟研究。计算结果表明:不同旋转条件下,当冷气与主流的流量比为0.3%时,叶栅能量损失最低,当流量比为1.0%时,间隙泄漏流量最低、叶顶传热性能最好。叶片旋转、机匣旋转和平移运动都能降低泄漏损失和泄漏流量,叶片旋转时,叶栅出口下游上半叶高截面的能量损失最大降低约26.10%。旋转效应对泄漏损失的影响不随流量比变化而改变,但对叶栅总损失和叶顶传热品质的影响随流量比增加会不同。当流量比小于0.3%时,叶片旋转情况下叶栅总损失低于静止工况但高于机匣运动工况,且叶顶传热品质最优;当流量比大于0.7%时,叶片旋转使叶栅总损失最高,机匣运动使叶顶传热品质最优。     

机匣转静刮磨后轴流压气机气动性能评估研究

为揭示机匣可磨耗涂层磨损造成的叶尖间隙和粗糙度变化对压气机气动性能的影响规律,针对不同刮磨形貌下Rotor 37转子性能进行了数值模拟研究。结果表明,压气机等熵效率和出口流量对刮磨间隙和粗糙度的变化较为敏感,降幅最高可达1.78%和0.83%,而压比变化不大;刮磨间隙深度增加,刮磨最深位置前移时,叶尖泄漏增强,泄漏流与上端壁附面层及主流相互作用演变为泄漏涡,与激波相互干涉,造成较大的叶尖损失;压气机气动性能受磨损区域粗糙度影响较小,虽然等熵效率对粗糙度变化较为敏感,但最大降幅也仅为0.38%。磨损区域粗糙度增加时,近壁区湍流波动加强且气流更易分离,引起叶尖泄漏流和叶片尾迹区域的流动结构变化,使压气机气动特性向低流量方向偏移。     

静-转叶排轴向间距对某跨声速压气能的影响

对两种轴向间距下某跨声速轴流压气机静子-转子叶排间的流场进行了定常数值模拟,结果表明:在大流量工作状态下,近轴向间距时的效率较远轴向间距时有明显降低;在高负荷工作状态下,两者的效率相差不大.对大流量工况点与高负荷工况点的流场非定常数值模拟结果表明:近轴向间距时转子前缘激波对上游静子叶片附面层的干扰要强烈的多;近轴向间距时上游静子尾迹对在高负荷工况点动叶叶尖处出现的二次泄漏有更强的抑制作用,能更有效的减弱叶尖泄漏流造成的堵塞和损失.      

叶尖单侧倒圆对扩压叶栅叶顶间隙流动的影响

提出了一种控制扩压叶栅叶顶间隙流动的方法,通过对叶尖压力面小尺度的倒圆修型,改善了扩压叶栅叶顶间隙流动状况。通过数值模拟方法研究叶尖倒圆结构对扩压叶栅性能的影响及作用机理,并探究3种不同倒圆半径(约为3%、4%、6%的叶片最大厚度)叶尖倒圆结构的流动控制效果。结果表明:叶尖倒圆能够削弱叶尖分离涡,进而影响叶尖流场不同涡系之间的相互作用,使得叶顶间隙通道附近的总压损失减少;但是叶尖倒圆半径越大,泄漏流流量越大,会加剧泄漏流与主流的掺混,使总压损失增加。因此合适的叶尖倒圆半径能够使叶栅性能得到最大程度的改善。此外,在倒圆半径为3%叶片最大厚度时,叶栅在较大的攻角范围内均获得了良好的改善损失的效果。