高负荷离心压气机管式扩压器特点及机理分析

以某高负荷离心压气机为研究对象,进行管式扩压器设计,借助于数值模拟的方法,对影响扩压器性能的重要参数--喉部面积进行参数化研究,并详细分析了管式扩压器特殊的进口结构对压气机内部流场的影响,初步探讨了管式扩压器喉部设计准则,摸清其提高效率扩大稳定工作范围的机理.     

离心压气机管式扩压器研究进展及评述

紧凑高效的扩压器设计非常具有挑战性,成为制约高压比离心压气机应用于工程实际的主要技术障碍。管式扩压器是解决高压比离心压气机扩压器设计难题的有效手段。目前管式扩压器已经在国外先进中小型航空发动机中得到了应用,有效地提升了离心压气机性能。本文从管式扩压器设计参数对压气机性能的影响以及管式扩压器内部复杂流动机理研究两个方面对管式扩压器的国内外研究进展进行了回顾,讨论了管式扩压器内部流动机理及其对离心压气机性能的影响,并指出了管式扩压器研究的发展趋势。     

离心压气机管式扩压器设计与计算分析

采用程序化建模方法,对离心压气机管式扩压器的三维几何造型进行参数化设计,并采用定常数值模拟的方法分析管式扩压器内流场特性,攻角特性,对影响管式扩压器性能的几何参数进行分析与优化,同时对照某原型叶片式扩压器,分析传统圆形进口管式扩压器的性能优劣,提出类椭圆进口管式扩压器的概念,并揭示其能够有效提高离心压气机性能的机理.      

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘开槽流动机理研究

扩压器前缘几何结构直接决定着扩压器的性能和内部流场特性,为进一步拓宽离心压气机的稳定工作范围,以高负荷离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟方法开展扩压器叶片前缘开槽流动机理研究,详细讨论了扩压器开槽对压气机性能及内部流动影响的机理。研究结果表明,扩压器叶片前缘开槽能够在保证离心压气机性能基本不变的前提下,使其失速裕度提高13.5%,与原型扩压器相比,扩压器叶片前缘开槽所诱导的间隙泄漏流能有效抑制扩压器通道内的流动分离,从而提高了离心压气机的稳定裕度。     

两型亚声速扩压器设计及性能分析

以CC3离心叶轮为研究对象,基于ANSYS叶片造型模块,设计与之匹配的楔形扩压器和单圆弧扩压器,采用数值模拟方法对匹配两种扩压器的离心压气机性能进行分析和对比。结果表明,对于进口亚声速和叶片较长的扩压器,楔形扩压器的性能要优于单圆弧扩压器;单圆弧扩压器由于流道扩张剧烈,从30%弦长的位置压力面侧气流产生分离,形成低速区,有效流通面积减小。     

叶片式径向扩压器负荷分布影响

以某典型负荷离心压气机径向扩压器为例,采用数值模拟的方法,在级环境下分析了径向扩压器前加载、后加载以及叶根前加载叶尖后加载三种负荷分布对离心压气机总体性能的影响;并通过对比分析扩压器内二次流等参数,讨论了负荷分布影响的内在机制.对比计算结果表明,叶根前加载叶尖后加载的负荷分布形式能够降低扩压器的流动损失,对离心压气机的...     

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘结构分析

为拓宽离心压气机稳定工作范围,以某高负荷离心压气机为研究对象,对径向扩压器叶片前缘进行盘侧开槽处理,借助数值模拟手段,探讨了开槽处理对离心压气机性能和稳定工作范围的影响,并对开槽结构进行了参数化研究,确定了主要开槽参数对离心压气机的影响.数值计算表明,径向扩压器前缘盘侧开槽能够在一定程度上提高离心压气机的稳定工作裕度,但同时伴随着压气机性能的降低.详细对比分析了开槽结构引人前后离心压气机内部流场结构,揭示了径向扩压器叶片前缘开槽提高离心压气机稳定工作裕度机理.     

混合型扩压器流动特点分析

采用定常CFD手段,对比分析了某混合型扩压器及其常规造型扩压器的内部流动特点,着重研究了离心叶轮出口至扩压器喉部之间的流场分布,初步揭示了混合型扩压器以及与其相似的管式扩压器入口段的特殊三维造型的一些流动特点和流动机理。     

组合压气机气动优化设计与试验验证

以轴流-离心组合压气机为研究对象,根据机械加工改铸造加工节约生产成本的改进目标,对离心叶轮和径向扩压器进行优化设计。全三维数值仿真结果表明,优化设计方案提高了该组合压气机的性能和喘振裕度,达到了优化设计目标。优化设计虽然恶化了离心叶轮与径向扩压器尖区流动,但对离心叶轮叶中及以下区域和后排通道内流动的改善较明显,且对前面的轴流级叶排内部流动基本无影响。试验验证表明,优化设计压气机的性能满足设计指标要求,优化设计技术得到充分验证,为后续类似设计积累了经验。     

斜流扩压器任意中弧线造型3维弯扭叶片设计

为了改善扩压器与叶轮之间的气动匹配,针对斜流/离心叶轮出口复杂的3维流动,以及扩压器叶片不同展向位置气动 负荷分布特征,提出基于任意中弧线造型的扩压器3维弯扭叶片设计方法。该方法在根据叶轮出口流场优化扩压器叶片攻角的 同时,通过对造型截面中弧线任意调整实现扩压器叶片载荷分布和局部流场细节的优化。以某高压比斜流压气机为平台,采用上 述方法完成了对其斜流扩压器的改进设计。3维数值模拟结果表明：与原方案相比,扩压器改进后斜流压气机设计点至近喘点范 围内效率提升约0.3个百分点,设计点流量基本不变,设计转速喘振裕度增大1.0个百分点,在设计点及近喘点状态下扩压器通道 流场均得到了改善,同时改进后扩压器的叶片数由21片减少至19片。     

扩压器真空钎焊工艺

某型号扩压器由盖板和带有若干叶片的底座组成,由于叶片与盖板连接处的钎焊面为曲面,焊缝间隙很难控制,导致产品因流道高度超差或出现焊缝缺陷而报废.因此,保证叶片处焊缝质量和流道高度尺寸成为该产品的工艺难点.对模拟试件和扩压器产品进行了焊接工艺研究,通过数控加工结合叶型精磨技术加工,保证配合间隙,有效控制装配质量,并配合合理的焊接工艺参数和配重工装,获得了合格的真空钎焊扩压器产品.     

跨声速扩压器弹性壁板流固耦合振动研究

冲压发动机进气道扩压段局部结构弹性较大时,壁板振动与跨声速非定常流动相互耦合,影响进气道整体性能。基于流固耦合方法,研究了扩压器内跨声速流动与局部弹性壁板的耦合作用,分析了结构阻尼对扩压器流固耦合振动特性的影响规律。结果表明,通过调整弹性壁板阻尼可以削弱和抑制正激波自激振荡引起的扩压器壁板流固耦合振动。无阻尼弹性壁板中点无量纲振动幅值为0.37。给定刚度等效阻尼系数1×10-5时振幅下降至0.22;增加阻尼系数至4×10-5时,扩压器壁板流固耦合振动消失,进入静平衡状态。     

Redesign of an 11 cm-diameter Micro Diffuser

In order to improve the performances of an 11 cm-diameter turbine engine, this article suggests to substitute a new-style micro diffuser redesigned based on a new concept for the traditional diffuser having poor performances. The new diffuser comprises integral blades and splitters, which are taken for a series of ducts in designing. This article investigates the effects of the cross-section area distribution along the flow path on the redesigned diffuser's performances. Having furnished with the new diffuser in place of the original vaned one, the 11 cm-diameter prototype engine is tested on the rig for its performances. CFD and experiments have shown that the improved diffuser with the unchanged original size has gained excellent performance parameters of pressure coefficient over 0.65 and total pressure recovery coefficient over 0.9. Equipped with the redesigned micro diffuser, the engine increases the thrust by 11% and decreases the specific fuel consumption by 9%.     

压气机轴向扩压器叶片断裂分析

为了确定航空发动机压气机轴向扩压器叶片断裂故障的断裂性质和产生原因，通过外观检查、断口分析、组织检查、硬 度测试等手段进行初步检验，并从材料、设计、加工以及环境方面进行详细的故障分析。结果表明：轴向扩压器叶片断裂故障为高 周疲劳断裂。在航空发动机工作状态下轴向扩压器发生共振，且在工作温度下轴向扩压器叶尖与后盖为过盈配合，此时叶尖与后盖 发生刮摩，叶尖出现毛刺及划痕，在轴向扩压器叶片从靠近叶尖的共振节线处共振应力最大点的叶盆侧开始产生裂纹，最终发生高 周疲劳断裂。建议增大轴向扩压器叶片厚度与前、后缘圆角和轴向扩压器叶片与后盖之间的配合间隙，以避免类似故障发生。     

扩压器-水泵内非稳定流动研究

水泵内部流动实质上是复杂的三维非稳定流动 ,它对水泵性能及结构振动有重要影响。本文介绍了一种求解这种复杂内流动的数值方法。三维雷诺数平均的纳维斯托克斯方程 ( 3-DReynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)以及标准 k-ε的方程用于描述水泵内非定常紊流流场。系统特性方程与水泵的 CFD模型相结合以考虑流体在管道中的加速 ;采用任意滑移网格界面模拟叶轮和静止部件之间的相互干涉 ;将整个叶轮作为分析对象 ,以考虑失速情况下流动的周向非对称。这些技术的结合包括了水泵内非稳定流动的物理实质。一台实验数据比较齐全的离心式 -扩压器水泵被用于验证所提出的数值方法     

弯曲扩张段内激波串自激振荡特性

为了研究一种典型超声速进气道弯曲扩张段内流场结构及激波串自激振荡特性,采用数值模拟方法分析了扩张段出口反压对激波串振荡的影响规律及气流分离和激波串振荡的关系。结果表明:随着反压增大,激波串的大幅振荡和小幅振荡交错出现。当激波串头激波与背景激波相交时,激波串出现高频小幅振荡,振动频率大于900Hz;当激波串前缘点的位置处在扩张段上壁面背景激波反射点时,激波串出现低频大幅振荡,振动频率为200~500Hz;而处在扩张段下壁面背景激波反射点时,不会出现低频大幅振荡。激波串振荡频率与扩张段内部分离包变化频率相近,壁面形状和背景激波的逆压力梯度是激波串大幅自激振荡的影响因素。     

斜流压气机扩压器设计和流场的数值模拟研究

以匹配某高增压比斜流叶轮为目标,设计了Z15、Z16和Z17三个扩压器方案,然后以斜流级（斜流叶轮＋扩压器）为研究对象,展开了三维粘性数值模拟研究,分析了不同方案扩压器的总体性能以及内部流场结构。研究结果表明,设计方案满足匹配斜流叶轮的目标,三种方案的整级最大绝热效率均超过82％,最大总压比超过5．6,大多数工况点的静压恢复系数大于0．6,总压恢复系数大于0．92。其中．Z16方案气动性能最优。     

环形分配器式扩压器性能数值模拟

为降低航空发动机燃烧室扩压器的总压损失,提高其静压恢复系数和流动稳定性,设计了一种分配器式扩压器.采用计算流体动力学(CFD)方法.对矩形分配器式扩压器和环形分配器式扩压器进行了数值模拟,并将前者与试验结果进行对比,两者相互吻合,然后将此计算处理方法应用到环形分配器式扩压器中.研究结果表明:CFD软件能够准确地模拟矩形分配器式扩压器的内部流动,且准确度较高,数值模拟结果与试验结果偏差不大于±5％;环形分配器式扩压器具有优良的减速增压功能.在燃烧室进口Ma数高达0.36时,设计的环形分配器式扩压器的总压损失仅为2.89％,静压恢复系数为0.647;Ma数为0.42时,总压损失和静压恢复系数分别为4.12％和0.653,小于短突扩扩压器的总压损失.并且扩压器内均无流动分离.因此分配器式扩压器具有较大潜力,能够满足未来先进燃烧室的性能要求.     

先进燃烧室分配器式扩压器实验研究

针对高性能航空发动机燃烧室进口马赫数不断提高,同时先进燃烧组织对流量分配及头部空气动力学的要求,设计出一种适用于可变几何燃烧室的新型燃烧室扩压装置一分配器式扩压器.通过试验研究,重点研究了分配器式扩压器的总压损失与马赫数以及面积比的关系,分配式扩压器挡板对流场的影响.结果表明:当马赫数为0.359时总压损失为3.57％,这说明扩压器总压损失符合要求;存在一个面积比1.6～2.1使得扩压器出口流畅分布均匀;挡板可以改变流场分布和入口压力参数.     

叶型上局部凸起对扩压器性能影响的数值研究

借助CFD数值模拟技术,对四种常规叶片扩压器（不同凸起位置）内部流场进行了数值模拟,研究了不同凸起位置对扩压器性能的影响,讨论了改变叶片凸起位置对扩压器静压恢复系数、总压损失系数等性能参数的影响,以为小型/微型发动机的叶片扩压器的优化设计提供一定的参考价值。结果表明,当叶片扩压器产生局部凸起时,在流动进入叶片扩压器凸起截面后面产生了低速流动,导致了明显的总压损失,使得叶片扩压器的效率降低。叶片中间产生凸起对于叶片扩压器的总压损失最高。在工程实际中叶片扩压器如果产生局部凸起,尽量选择在叶片前端。