多级轴流压气机变几何扩稳优化与性能约束分析

为了提高多级轴流压气机在非设计条件下的稳定裕度,基于逐排基元叶片方法,应用恰当的损失和落后角模型,建立了预测多级轴流压气机特性工程方法,并将其与复合形优化方法相结合,给出了1种多级轴流压气机多静叶排调节扩稳算法,并应用于NACA 8级轴流压气机,取得了明显扩稳效果,数值计算进一步阐明了不同性能约束对变几何扩稳效果影响规律。结果表明:应用合理的性能约束进行优化,对提高多级轴流压气机非设计条件下稳定裕度有明显效果。     

轴流压气机叶尖射流扩稳试验

采用转子叶尖射流对轴流压气机进行了扩稳试验研究.试验中对无射流的轴流压气机失速起始类型进行了测量,发现该轴流压气机以尖峰波的形式进入旋转失速;之后采用叶尖射流发现射流对压气机的失速起始过程没有明显影响.试验中对射流孔数目、射流孔周向分布和射流偏转角3个参数对压气机扩稳效果的影响进行了分析.测量结果发现:保持总射流流量不变,增加射流孔数目会降低轴流压气机扩稳效果;而在单个射流孔流量不变的情况下,增加射流孔数目会增大扩稳效果;射流孔周向分布越均匀扩稳效果越明显;射流扩稳效果与转子相对坐标系下的气动参数有直接关系,故采用相对坐标系下射流零攻角方向的动量分量与主流动量比值对扩稳效果进行了关联.      

多级轴流压气机机匣处理级的探讨

本文提出了一种确定多级轴流压气机机匣处理级的新方法。首先,预测多级轴流压气机各级的级极限负荷,依此确定旋转失速发生时率先失速的级并得到实验证实;其次,将率先失速级作为待处理的级,并在一亚音速双级轴流压气机实验台上针对四种不同型式的机匣处理,进行了较为系统的实验验证。实验结果证实在率先失速级上进行机匣处理会取得很好的扩稳效果,用级极限负荷来确定多级轴流压气机机匣处理级的方法具有广阔的应用前景。     

一种工程实用的多级轴流压气机特性二维数值计算方法

采用二维(轴对称)数学模型, 应用流线曲率法求解多级轴流压气机特性.各种不同因素对落后角和损失的影响以分量的形式表示.该方法通过了大量试验数据的校核, 具有较高的准确度.对一台多级轴流压气机的计算结果与试验数据的对比分析表明, 该方法能较好地预测多级轴流压气机的特性和非设计工况下级间参数的分布.      

周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级预测分析

基于多级轴流压气机的逐级特性,发展了1种预测周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级的方法。该方法结合平行压气机模型和级叠加计算方法,以进气畸变条件下多级轴流压气机某级的有效相对气流角达到稳定状态时该级的最大相对气流角为条件,进行多级轴流压气机失速首发级的预测分析。通过对J85—13发动机8级轴流压气机总压畸变试验数据进行模拟计算,预测出该轴流压气机畸变条件下的失速首发级。     

轴流压气机叶尖射流扩稳数值计算模型

基于体积力方法将压气机叶片对气流的作用力和做功简化为源项,对环形无叶片通道求解带源项的Navier-Stokes(N-S)方程,实现了压气机全通道流场的计算,通过在转子上游机匣施加射流建立了轴流压气机叶尖射流扩稳数值模型.模型中的源项根据叶片排进口气流参数进行变化,通过判断施加的人工扰动变化确定压气机失稳边界.采用该模型对某跨声速单级压气机在有、无射流下的性能和稳定性进行了计算分析,无射流下计算的该压气机性能和稳定边界与试验结果都能较好地一致,其中稳定边界流量仅相差0.7%;有射流下射流对压气机具有明显的扩稳效果,将计算结果与国外公开文献的结果进行了对比,验证了模型的可靠性.      

多级轴流压气机彻体力模型——理论方法及简化应用

基于时间推进技术及有限体积法,将彻体力模型与基元叶栅法的思想相结合,提出了一个适用于预测大尺度进气畸变对多级轴流压气机气动性能及稳定性影响的三维数值计算模型。在进气条件轴对称的前提下,利用相应的简化模型重点分析了一台四级轴流压气机在均匀进气及叶尖径向总压畸变进气下的内部流场特征。均匀进气下的模型计算结果与相关试验结果相吻合。叶尖径向总压畸变进气下模型的计算结果表明:径向畸变在压气机流道内会发生显著的径向掺混作用,叶尖径向总压畸变对该压气机稳定性有显著恶化影响,随着畸变强度的增加,压气机稳定边界逐步下降。计算结果支持了该模型用于预测径向进气畸变影响的可能。     

轴流压缩系统对非定常扰动响应的新模型

对进口非定常扰动条件下多级轴流压气机动态响应及气动稳定性进行了详细的数值分析。采用了目前广泛使用的逐级模型。基于逐级特性, 建立了该模型中叶片力和轴功的准定常计算方法并导出了基于特征线和MacCormack二步差分相结合的数值计算方法。应用本模型对两个多级轴流压缩系统算例进行了数值预测, 其结果与实验结果一致性较好, 表明了本文新模型是可行的。      

多级轴流压气机喘振边界预估的一种新方法

基于多级轴流压气机的逐级特性，建立了一种预估多级轴流压气机在均匀进气和周向压力畸变进气条件下的喘振边界的新方法，基于动态压缩系统模型，对8级轴流压气机喘振边界进行了数值预测。结果表明，新方法不仅能较准确地预估多级轴流压气机的喘振边界，而且还能同时给出不稳定临界级。通过数值结果与实验结果的比较，表明了新方法的有效性。     

一种多级轴流压气机特性预测的工程方法

基于多级轴流压气机部件设计点气动参数与相应几何尺寸,发展了一种计算发动机高、低压压气机部件特性近似方法,完成了相应的计算程序编制,并将其应用于三个多级轴流压气机部件特性预测.计算结果与实验数据比较表明,该方法作为一种近似方法具有可接受的工程精度,尤其适合于预测发动机压气机部件小转速特性,为涡扇/涡喷发动机起动过程分析与计算提供模型基础.      

基于灵敏度分析的可调静叶调节机构运动精度优化

为提升高负荷多级轴流压气机静叶调节机构的运动精度，针对5级联调构型，梳理了37个对调节精度可能存在影响的 参数，提出了一种基于局部灵敏度分析的参数降维预处理优化方法。通过局部灵敏度分析认识各参数对调节精度的影响规律，甄 选重要参数，依靠自主优化程序与多体运动学软件联合的技术途径并采用SQP算法对机构进行优化：仅采用相对灵敏度影响最大 的9个参数进行优化时，调节精度达到0.4020°；采用剔除13个绝对灵敏度最小参数后的参数进行优化时，调节精度优化达到 0.2000°；而采用全部37个参数进行优化后，调节精度依然为0.2000°。结果表明：所提出的降维预处理优化方法能够在保证运动 精度的同时有效减小计算规模，联合优化的方式较传统虚拟样机优化具有更高的精度。     

多级轴流压气机非设计性能的数值预估

采用LU-SGS隐式解法以及叶排间掺混面模型数值模拟压气机三维粘性流动,研究了多级轴流压气机的设计与非设计状态性能的预估问题。对一台五级高压压气机进行了详细的流场数值计算,包括了设计转速的100%,90%及80%等多个转速及各种工作状态。结果表明,本文所建立的数值方法与计算机程序对多级轴流压气机各种非设计状态的计算都具有收敛容易和快速的优点,计算得到的压气机总性能和各分级性能与设计参数进行了对比,证明该方法和程序的预估结果是比较准确的。根据设计转速下的计算结果,预估了压气机设计点的喘振裕度。此外,还对不同状态下叶片进口气流角的变化进行了分析。      

轴流风扇/压气机气动性能试验若干问题探讨

为提高航空发动机风扇/压气机试验流程控制的合理性和试验结果评定的真实性,在梳理国内航空发动机压缩部件气动性能试验研究现状的基础上,总结提炼出若干重要技术问题,并通过理论分析和部分试验验证,对所涉及的技术问题进行了深入探讨.分析结果表明:风扇气动性能试验和压气机气动性能试验对试验设备排气能力的要求不同;相比升转速录取方式,降转速录取能够优化风扇/压气机的试验流程;可采取不同措施降低测量探针对风扇/压气机试验结果的固有影响;可调导叶/静叶安装角度定位与全行程调节精度是影响变几何多级压气机气动性能试验结果重复性的主要因素.      

多级轴流压气机失速边界预估

本文提出了两种预估多级轴流压气机旋转失速边界方法。前者把关于单叶排的半经验准则推广至多级压气机。取前一级的出囗条件为后一级的进囗条件,每级进行类似运算,对比各级的失速起始流量来判别多级压气机的失速起始边界。预估结果得到了实验验证。后者以小扰动理论为基础,应用非定常二元不可压流的流动模型,导出了双级轴流压气机的旋转失速起始判别准则。利用 Newton- Raphson方法求解特性方程根据设计的程序完成了几个实例的理论估算。预估值和实验值的吻合证实了理论分析的可靠性。并对比不同情况下衰减因子的变化规律,分析了各叶排损失随进口相对气流角的变化趋势。      

压气机静子非轴对称端壁优化设计及实验

为了探索多级压气机环境下非轴对称端壁优化设计方法,通过数值仿真优化和实验测试方法对某中间级静子的机匣端壁和轮毂端壁进行了非轴对称端壁造型研究,提出了在优化时将目标函数选择为近端壁的局部叶高总压损失系数。结果表明:相较于传统的全叶高总压损失系数作为目标函数的优化方法,该优化方法可以在较少的优化步数（400步）内使得静子总压损失系数下降更多,这表明该方法可以有效降低优化耗时,为多级压气机中进行非轴对称端壁优化设计的工程应用奠定基础。      

考虑静叶封严泄漏对压气机端区影响的三维叶片优化

鉴于静叶叶根封严蓖齿间隙的泄漏对压气机端区所产生的不利影响,取某带静叶封严结构的双级轴流压气机为研究对象,采用遗传算法对其进行了气动数值优化.优化自变量为所选双级轴流压气机的后面级静叶近轮毂区叶型的安装角和前缘角,优化目标为极大化该双级轴流压气机的等熵效率.优化后,双级轴流压气机设计点的等熵效率提高了约0.2个百分点.所优化的静叶近轮毂处呈现出了明显的端弯效果.双级轴流压气机性能改善的主要原因是,通过对后面级静叶根部叶型的调整,使其端区来流的攻角值落在了该叶型的最优设计攻角的附近.     

跨声速双级轴流压气机对周向进气总压畸变的响应特性分析

基于所建立的总压畸变矩阵传递模型,对周向总压畸变下某型跨声速双级轴流压气机容畸变特性进行了详细的数值分析,揭示出了多级环境下轴流压气机对进气畸变的衰减/增益变化规律,这对理解增强多级轴流压气机抗压力畸变能力机理,提高多级轴流压气机性能和扩大其稳定工作范围意义明显。      

叶型探针对轴流压气机性能试验结果的影响

基于近年来所录取的大量压气机试验数据,详细分析了叶型探针对轴流压气机各项性能参数的影响,并对某型低负荷轴流压气机进行了稳定性试验,比较了80％设计转速下压气机在安装叶型探针前后稳定裕度的变化。结果表明：叶型探针对轴流压气机设计与非设计状态性能均会产生一定的负面影响,对于静叶高度不低于20mm的轴流压气机,其性能数据测量误差范围约在2％以内;压气机级增压能力所受到的影响程度与流道堵塞比有关,堵塞比越大,级静压比下降越多;安装叶型探针后,压气机的失速点流量增加,稳定裕度降低。     

Applications of numerical optimization techniques to design of axial compressor blades

This paper describes the shape optimization of NASA rotor 37 and rotor and stator blades in a single-stage transonic axial compressor.Shape optimization of the blades operating at the design flow condition has been performed using the response surface method and three-dimensional Navier-Stokes analysis.Thin-layer approximation is introduced to the Navier-Stokes equations,and an explicit Runge-Kutta scheme is used to solve the governing equations.The three design variables,blade sweep,lean and skew,are introduced to optimize the three-dimensional stacking line of the blades.The objective function of the shape optimization is an adiabatic efficiency.Throughout the optimization of rotor and stator blades, optimal blade shape can be obtained.It is noted the increase of adiabatic efficiency by optimization of the blade shape with the stacking line in the single-stage transonic axial compressor is more effective in a rotor blade rather than a stator blade because of the large deformation of blade shape in the stator blade.