小流量多级高负荷轴流压气机设计

以增压比为6的国外某小流量5级轴流压气机为设计原型,在不超过其前3级的轴向长度的条件下,设计了3级轴流压气机,研究其最大增压能力.在采用了正预旋、静子端弯、第2、3级转子叶尖适度斜流等措施后,3级轴流的设计点流量为5.80kg/s,增压比为5.445,效率为0.8272,喘振裕度为11.8%,3级平均级增压比为1.759.研究结果表明:在一定的轴向长度限制下,小流量3级轴流压气机虽可以达到5.5量级的增压比,但其流量特性曲线已经变得很陡峭.      

叶尖小翼周向最宽位置对高负荷压气机级特性影响的研究

针对叶尖小翼扩稳技术,采用数值方法在改变叶尖小翼宽度的基础上,考虑了叶尖小翼几何形状的周向最宽位置对高负荷压气机级性能的影响。研究结果表明,叶尖小翼宽度越大且最宽位置靠近叶片两端时,压气机级的稳定工作裕度的提升越明显。叶尖小翼宽度为2.0倍叶顶宽度时,且周向最宽位置位于转子前缘25%轴向弦长时,叶尖小翼最多使叶顶泄漏流的质量流量减少了7.66%,提升了压气机级通道内流体的轴向速度,抑制了转子及静子叶片叶表的分离情况,从而延缓了压气机级的失速,压气机级的稳定工作裕度提升了29.18%。     

高负荷对转压气机尾迹涡级间迁移影响因素研究

为探究高负荷对转压气机上游转子尾迹脱落涡级间迁移的影响因素,截取高负荷对转压气机60%叶高叶型,保持叶型几何、总压比不变的前提下,分别取12%,20%,25%,30%,35%,45%下游转子弦长的轴向间隙进行了非定常数值模拟。研究发现,在每个轴向间隙下,尾迹脱落涡迁移至下游转子前缘平面的周向位置均不随时间发生变化;当轴向间隙改变时,尾迹脱落涡迁移路径随之发生变化。基于理论分析和数学推导,建立了高负荷对转压气机尾迹脱落涡级间迁移轨迹的无量纲准则关系式,并结合通流计算与激波模型,发展了预估上游转子尾迹脱落涡迁移轨迹的方法,为设计阶段考虑非定常效应提供指导。     

体现裕度定制思想的轴流压气机二维特性预估方法

为实施裕度定制,本文开发了能够体现裕度定制思想的轴流压气机二维特性预估方法。精细考虑了前后缘形状、最大弯度位置等,尤其是通过考虑叶片力而全面包含掠影响是本方法的重要特色。为初步验证本方法,对NASA37和NASA67转子进行了性能预估并与试验结果进行了对比。结果表明,本方法基本可靠,可以用于裕度定制目的。     

轴流压气机特性计算及激波模型研究

为快速准确预估轴流压气机特性和激波损失,基于轴流压气机S2流面流线曲率法,分别采用正激波模型和改进的双激波模型,对某型2级跨声速风扇特性进行数值模拟计算,得到了100%设计转速近设计点与99.76%设计转速近堵塞点的总体性能和气动参数,以及95%、100%和110%设计转速的特性曲线。通过将计算结果与试验数据进行对比,分析研究了各激波损失模型在激波损失预估和风扇/压气机特性计算方面的差异。分析结果表明:在跨声速风扇/压气机近设计点激波损失和特性参数的计算中,正激波模型损失径向分布计算结果接近试验值,总压比和总效率计算值分别较试验值约低1.96%和2.54%,模型能够满足工程需要。而在近堵塞点,改进的双激波模型总损失计算值更接近试验值,总压比计算值和试验值很吻合,总效率计算值比试验值约高7.28%。改进双激波模型的不同转速线效率特性曲线也明显更接近试验值,模型能够较准确地预测远离设计点激波损失和特性参数。     

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.      

一种实现轴流压气机试验特性关联的经验方法

采用系统研究思想,对10余台轴流压气机稳态性能试验数据进行了整理分析,在统计层次上探索了现有气动/结构设计体系下离散试验数据之间的内在关联规律.详细阐述了关联基准点的选取、关联基准线的构造、稳定工作边界的预估、特性线的泛化拟合和关联基准点的求解等环节,成功构建了一种实现多级轴流压气机试验特性有效关联的经验分析方法.结果表明:该经验方法对于大流量低速压气机变工况特性具有较好的预估能力,总体相对误差小于±10%.该方法可应用于同类型新设计压气机变工况特性表征关系的经验重构和先期性能评定,为压气机离散试验数据的挖掘、利用提供技术支持.      

商用发动机10级高压压气机一维特性优化设计

采用HARIKA算法对某商用发动机10级高压压气机进行了一维特性预测.引入遗传算法优化设计手段,以压气机一维设计参数为优化变量,设计转速下特性线的峰值效率、裕度为优化目标函数.与初始特性线相比,压气机在优化后设计转速时特性线的峰值效率提高了12.3%,裕度由11.7%提高到25.13%.对变几何压气机特性进行了优化分析,给出不同换算转速下进口导叶及前3级静子叶片安装角的最佳调节规律.优化后的压气机在非设计转速下的效率特性得到了大幅提升,压比特性得到了提高,流通能力也得到了加强.将压气机一维优化的特性线与采用一维优化设计参数得到的全三维计算结果在1.0,0.9倍换算转速下进行了对比,两者预测出的喘振边界在最大偏差处不超过6.25%.      

一种多级轴流压气机特性预估方法探讨

概述了压气机设计体系的发展历程．介绍了轴流压气机设计技术,并结合多级轴流压气机的设计特点,提出了三维修正S2流面分析程序的多级轴流压气机性能预估方法,通过对比,验证了该方法的精度比单纯的三维计算的精度高,为多级轴流压气机的性能预估提供了一个新的工具。     

负荷系数0.5 的高负荷单级轴流压气机设计及试验研究

为探索高负荷多级压气机的设计方法,开展了负荷系数0.5的进口级设计及试验研究。该进口级设计流量35.3 kg/s,压比2.07,叶尖切线速度388 m/s。设计中采用了反预旋、高反力度的设计思路,转子进口相对速度全叶高超音。转静子均采用小展弦比设计,其中转子展弦比0.68,静子展弦比1.1。该压气机在中国航发沈阳发动机研究所A219试验器上完成试验,录取了1.0和0.95相对换算转速特性。试验结果表明：在1.0设计转速,工作点换算流量36.37 kg/s,压比2.121,效率0.894,喘振裕度8%,验证了高反力度、高负荷多级压气机进口级设计方法。给出了流路、转静子叶型几何坐标等气动设计数据,同时也给出了试验数据,这些数据可用于仿真软件的校核,对提高仿真软件预测精度具有重要意义。     

氦气压气机高压级实验研究及性能分析

针对高温气冷堆(HTGR)一回路氦气轮机直接发电装置的氦气压气机中,工况最为恶劣的高压级进行性能研究。首先通过实验方法研究了高压级实验叶栅的气动性能,然后采用数值模拟的方法进一步分析其性能,给出了40%～130%设计转速的流量-压比和流量-效率特性曲线,并进行了叶栅内部流动分析。实验研究和数值模拟结果表明,此氦气压气机高压级性能较好,可应用到氦气压气机整机研制中。     

组合压气机性能和气动稳定性计算分析

采用全三维数值计算方法研究了某型组合压气机性能和气动稳定性,通过对比轴流压气机和离心压气机的特性和流场细节,发现两者的特性差别较大:轴流压气机效率较高,总压比较小;工作点位于峰值效率点左侧时随流量的减小,离心压气机总压比和效率略有降低,轴流压气机总压比的增加和效率的降低均非常明显;导致离心压气机效率偏低的主要原因是径向扩压器的总压恢复系数偏小;导致组合压气机失稳的主要原因是轴流第1级转子叶尖和第2-3级静子叶根的泄漏流造成的堵塞。     

给定通流部分形状时轴流压气机级性能优化

用一维理论对轴流压气机的初步设计作了进一步研究,导出了轴流压气机基元级的特性关系。建立了在给定通流部分形状时最优化设计的数学模型。得到了解析关系。并通过研究给出了数值算例。所得解析关系具有一定的普适性,并可进一步拓展用于多级轴流压气机优化中。     

高负荷风扇级环境下叶片反问题设计

在对国内外各类叶片三维反问题深入分析的基础上,针对高效、高负荷风扇的设计需求,提出了级环境下风扇叶片三维反问题设计的技术思路。以高压比单级风扇为例,利用数值模拟、流动分析等技术手段,采用从基元截面、单排到单级环境逐步深入的方式,对级环境下三维反问题设计方法的可行性进行了验证,初步探索了级环境下叶片载荷分布规律,进一步发展并完善了高效、高负荷风扇叶片的三维反问题设计技术。     

有关轴流压气机效率问题的探讨

轴流压气机试验时,温升效率与扭矩效率之间的偏差给准确评估试验结果造成了一定影响。本文基于大量试验数据的统计归纳,开展了温升效率与扭矩效率的对比校核．给出了效率偏差量与流量、温升以及功率之间的统计分布规律;对压气机级间引气试验中的效率计算进行了探讨,在此基础上给出了考虑引气影响的效率修正公式,并利用试验数据对该公式进行了验算,其结果表明在一定范围内对轴流压气机试验的效率准确计算有一定参考价值。     

多级轴流压气机级间匹配特性研究

结合一台出口级使用大小叶片转子的高负荷多级轴流压气机的设计过程,对其多种设计方案进行数值模拟,通过对各设计方案级间匹配特性的分析,总结出多级轴流压气机的级间匹配特性。通过与另一台级数相当但不含大小叶片转子的低负荷多级轴流压气机的级间匹配特性进行对比,研究了在多级轴流压气机出口级使用大小叶片转子对级间匹配特性的影响。结果表明,在多级轴流压气机出口级使用大小叶片转子,不仅可提高出口级的负荷及整机总压比,还可增大压气机的失速裕度。     

普惠E3高压涡轮级气动性能验算

利用自主开发的涡轮气动设计体系对普惠公司(P%W)E3高压涡轮叶型进行反设计.并在考虑气膜冷却的前提下对反设计得到的涡轮级进行全三维气动计算验证.计算结果与试验数据对比表明.三维计算结果与试验数据吻合较好,通过叶型反设计和计算验证掌握了该涡轮的设计特点.并证明了该涡轮气动设计体系具有较高的可信度和精度,可用于大涵道比涡扇发动机涡轮部件的设计.     

基于服务的高性能多学科优化计算在飞机设计中的应用

基于服务构架(SOA)的高性能多学科优化计算在飞机设计的应用中,能够解决超大规模设计变量和资源不足带来的一系列问题.本文介绍了先进的优化计算方法和基于高性能计算平台的解决途径及优势,并以BRIDGE项目为例介绍了该平台的具体应用.这一研究工作得到了国家"863"计划项目的支持.     

Aerodynamic Design and Analysis of a Low-reaction Axial Compressor Stage

There is introduced a new low-reaction, highly-loaded axial compressor design concept which is coupled with boundary layer suction method. The characteristic features of the concept are made clear through its comparison with the MIT boundary layer suction compressor. Also are pointed out the potential applications of this concept as well as its key technological problems. Based on this concept, a single-stage, low-reaction and low-speed axial compressor is constructed in association with analysis and computation of boundary layer suction on vanes with the aid of a three-dimensional numerical approach. The results attest to the effectiveness of this way to control separation in blade cascades by the boundary layer suction and the feasibility of this proposed design concept.     

航空发动机压气机叶片振动特征计算平台设计

为综合分析叶片振动特征,以基础类库MFC为框架构建多种有限元软件(ANSYS及PATRAN)的融合平台,并开发相应的控制模块实现完整的流程控制。由所设计平台进行并行计算,获得压气机叶片的固有特性及其在气动激励诱导下的受迫振动特性。并行方式高效可行,且计算结果特征明显,表明平台具有良好的工程应用价值。