风扇/增压级设计与非设计性能数值模拟

为了研究双涵道风扇／增压级的设计与非设计状态性能，利用三维数值模拟软件对某型双涵道风扇／增压级80％设计转速、88％设计转速、96％设计转速、100％设计转速下的各种工作状态进行了数值模拟。重点分析了典型工况下风扇／增压级出口特性参数分布与非设计转速下内涵特性。同时通过和实验结果的比较表明，对风扇／增压级设计状态性能的模拟较非设计状态性能的模拟更为准确。     

变外涵工况下风扇增压级双涵匹配机理

针对某型民机大涵道比风扇增压级,在不同外涵工况下开展数值计算,旨在研究风扇增压级双涵性能匹配规律和相应机理。通过分析计算结果,掌握了外涵工况对内涵特性的影响规律:当外涵工况从近堵点移向近喘点的过程中,内涵的流量、总压比、效率逐渐增大,且内涵稳定裕度呈持续增大的变化规律。同时也在获取内涵特性时,掌握了外涵气动性能的变化规律,在不同外涵工况下阐明了内涵逼喘过程中双涵气动性能的相互匹配机理取决于风扇的总压比?流量特性和内外涵流量再分配机制的共同作用。      

某型加力涡扇发动机变几何扩稳优化模拟

本文基于级特性和级叠积模型,发展了涡扇发动机风扇压气机导叶、静叶调节扩大发动机稳定裕度的计算模型,并将其与某型加力涡扇发动机共同工作计算模型相结合,建立了低函道比加力涡扇发动机风扇和压气机变几何调节扩稳的模拟方法及相应的计算模拟程序,并对发动机变几何的调节方案进行了初步的优化分析,结果表明合理的发动机变几何调节可使发动机性能和稳定裕度获得最佳匹配。      

高空低雷诺数风扇/增压级气动设计

为发展一型适用于高空低雷诺数流动的风扇/增压级部件,解决高空长航时无人机动力对部件的技术需求,针对高空低雷诺数下的风扇/增压级进行了气动设计,设计过程包含了一维热力计算、S2通流设计、叶片造型设计和三维数值计算分析。经过多轮设计迭代后,得到了适用于高空低雷诺数条件下的最优叶型。三维数值计算结果表明:风扇/增压级的内、外涵性能都达到了设计指标的要求,且在高空低雷诺数下有较高的稳定裕度。与现有发动机风扇部件性能进行对比得出:新设计的风扇/增压级具有较好的高空工作能力,可以满足总体对风扇/增压级的性能需求。     

风扇/增压级内外涵联算的特性数值模拟

提出了一种风扇/增压级内外涵联算的多转速全工况快速特性预测的计算方法.该方法将模化的叶片法向力和摩擦力引入周向平均形式的Euler方程组源项,结合NASA SP-36提供的攻角和落后角确定方法以及Koch稳定边界模型,对高负荷跨声风扇级以及某双涵道大涵道比的风扇/增压级进行了特性数值模拟,并与实验和三维数值模拟结果进行了比较.结果显示周向平均方法基本满足风扇/增压级初期气动设计快速特性预估的工程精度要求.      

风扇/增压级转子平衡转速计算模型的构建与应用

针对航空发动机风扇/增压级转子平衡工艺规划过程中平衡转速设定的问题,通过考虑叶片榫槽间隙、平衡设备性能和 转子气动扭矩等因素,构建风扇/增压级转子平衡转速计算模型。将某型发动机风扇/增压级转子的结构及性能参数带入模型,计 算得到转子的平衡转速,并与国外相似型号转子的平衡转速进行了比较。结果表明：通过模型计算得到的转子平衡转速为685 r/ min,与国外相似型号转子的平衡转速基本一致,并且满足该型风扇/增压级转子的实际平衡需求。该平衡转速计算模型已经成功 应用到风扇/增压级转子平衡的设计和工艺文件中,提升了风扇/增压级转子平衡工艺的正向设计能力。     

低压转子分出功率对高空长航时无人机发动机的影响

建立了高空长航时无人机发动机性能计算模型,引入雷诺数对发动机部件性能影响的修正,编制了相应的计算程序.计算分析了不同类型的中小推力涡扇发动机在高空条件下低压转子分出功率对发动机和核心机状态的影响,以及高/低压转子同时分出功率对发动机的影响,并对分出功率在高、低压转子的分配比例进行了分析.结果表明:在高空条件下,与高压转子分出功率相比,低压转子分出功率能明显改善无增压级涡扇发动机的风扇/压气机喘振裕度和带增压级涡扇发动机的增压级喘振裕度,能在保证发动机稳定工作的前提下,大幅度提高无增压级涡扇发动机的高空分出功率能力,有效提高带增压级涡扇发动机的高空分出功率能力,此外,低压转子分出功率可使核心机的转速、换算流量、增压比提高9%~14.8%,能有效地挖掘核心机的潜力.      

叶尖间隙对风扇/增压级气动特性影响研究

以某风扇/增压级为研究对象,利用NUMECA(Numerical Mechanics Application)软件,计算了设计点和非设计点的三维流场和性能,并给出了风扇/增压级的特性。研究了叶尖间隙对风扇/增压级流场和气动特性的影响,对比分析了叶尖间隙分别为设计间隙的0、0.25、0.5、1和1.5倍时的风扇/增压级的气动性能。研究表明,随着叶尖间隙的增加,风扇/增压级总效率、风扇增压比和风扇/增压级增压比都有所下降。综合考虑,风扇/增压级的最佳间隙应为0.5～1倍设计间隙。     

30kW级航空电驱动涵道风扇设计与试验

为适应未来航空电气化的发展需求,研究了30kW级航空电驱动涵道风扇设计方法。涵道风扇性能设计基于航空发动机压缩部件设计流程。以推进系统总体性能为设计目标,完成了转子、流道以及短舱的气动外形设计。对各组成部件建立性能分析模型,评估全工况范围特性。涵道风扇结构设计采用风扇-电机一体化设计思想,简化连接方式的同时减少零件数。采用航空发动机结构强度分析方法,对涵道风扇各部件的应力、振动等特性进行评估分析。完成了30kW涵道风扇试制并开展地面和飞行试验研究。按照航空发动机整机试验方法,在整机试验台架完成涵道风扇地面性能试验。通过对比分析,试验结果与设计值误差在5%以内,验证了设计方法的有效性与正确性。涵道风扇配装轻型通航飞机完成了飞行试验,全系统工作正常,进一步验证了实际使用环境下涵道风扇的工作可靠性。     

大涵道比涡扇发动机总压进气畸变数值模拟

基于数值缩放理念,以一台大涵道比涡扇发动机为研究载体,将三维彻体力模型与二维多子平行发动机模型进行有机结合,初步搭建了适用于分析复杂进气畸变对航空发动机整机流场特性影响的多维耦合计算模型。利用该多维耦合模型定量分析了稳态周向总压畸变及插板式总压畸变进气下发动机内部的流场特性。计算结果表明即便是进口单纯的方波周向总压畸变进气,在经过大涵道比风扇转子作用后在下游内外涵进口的畸变流场特征也将具有显著差异;在内涵进口形成的总压/总温复合畸变在四级增压级中均得到不同程度的衰减;插板式总压畸变进气下风扇转子进口近轮毂处受周向静压梯度驱动将产生一定程度旋流,并导致风扇转子出口轮毂处形成低压区。     

涡扇发动机部件效率变化对共同工作的影响分析

以大涵道比涡扇发动机为研究对象,分析了风扇增压级、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮和燃烧室部件效率对涡扇发动机共同工作的影响。不同部件效率变化,不同的控制规律对部件的共同工作影响不同,有些参数变化方向相反。     

涡扇发动机部件效率变化对共同工作的影响分析

以大涵道比涡扇发动机为研究对象,分析了风扇增压级、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮和燃烧室部件效率对涡扇发动机共同工作的影响。不同部件效率变化,不同的控制规律对部件的共同工作影响不同,有些参数变化方向相反。     

进气畸变对大涵道比涡扇发动机稳定性的影响

基于平行压气机原理,建立了进气畸变对大涵道比涡扇发动机稳定性影响的理论模型和计算分析方法,评估了总压畸变和总温畸变对某型大涵道比涡扇发动机稳定性的影响,获取了发动机的临界畸变指数和首发失稳级组.结果表明：总压畸变在风扇中衰减幅度最大,发动机在高转速下运行达到临界总压畸变值时,风扇率先失稳,在低转速下运行时为增压级率先失稳;总温畸变在高压压气机中衰减幅度最大,发动机在高转速运行达到临界总温畸变值时,高压压气机率先失稳,在低转速运行时为增压级率先失稳.     

风扇/增压级气动声学试验器设计及试验验证

风扇/增压级气动声学试验器是大涵道比涡扇风扇部件进行前传远场噪声特性评估、后传噪声特性评估、管道声模态特性评估、主/被动降噪措施验证等声学性能以及均匀流场气动性能测试的重要试验平台,在大涵道比发动机研制过程中发挥重要的作用。针对中国首个以适航噪声评估为主要目标的风扇/增压级气动声学试验器,介绍了其关键组成部分湍流控制屏和进气消声室的结构,进行了试验器功能验证和消声室声学性能鉴定。结果表明：消声室尖劈截止频率为125 Hz,在40 kHz的高频条件下,消声室满足自由场传播条件的区域达到22 m,消声室内设备空载运行时噪声低于45 dBA,在全转速范围内试验件及设备运行状态良好,其振动幅值均低于报警限制值,该试验器的各项性能指标均满足设计要求。该试验器已经完成了多项风扇/增压级部件声学及气动性能试验工作,具备相对成熟的风扇/增压级气动与声学性能试验测试技术能力。     

涡轮电推进系统建模及控制规律设计

为了研究涡轮电推进系统的工作特性及控制规律设计方法，建立了涡轮电推进系统总体性能仿真模型。基于部件法建立了涵道风扇性能计算模型；基于电机效率图建立了发电机及电动机性能计算模型；基于面向对象的建模方法建立了电推进模块计算模型。将建立的电推进模块计算模型加入涡扇发动机部件级仿真模型中，构建了涡轮电推进系统的共同工作方程组，即其性能仿真模型。采用逆算法研究了不同几何参数控制规律下，涵道风扇推力调节时推进系统的工作特性。通过在性能仿真模型中添加推力平衡方程，并结合差分进化算法构建涡轮电推进系统优化模型，形成了涡轮电推进系统控制规律优化设计方法，应用此方法计算了推进系统节流过程控制规律和性能参数。计算结果表明：本模型设计点性能计算结果与国外发动机性能计算软件计算结果最大偏差仅为0.22%，验证了建模方法的有效性；当涵道风扇推力改变时，可能导致涡扇发动机出现超温、超转和喘振等问题，通过联合调节尾喷管喉部面积和涵道引射器面积，可以有效改善这些问题；设计出的节流过程控制规律可以保证不超温、不超转，具有足够的喘振裕度，且在节流过程中还能进一步降低耗油率；该控制规律还具有连续、单调的特点，利于工程实现。     

大涵道比涡扇发动机风扇/ 增压级试验件结构 设计及验证

某大涵道比风扇/增压级试验件为1级风扇加3级增压级结构,为实现风扇/增压级部件特性录取,结构设计在满足气动设计要求的基础上,重点考虑了合理性和可靠性问题,采用理论结合工程经验的方法完成了转子支撑、静子连接和轴承润滑及密封等难点设计,兼顾大涵道比风扇/增压级结构及气动特点,采用宽弦风扇叶片设计、榫头/榫槽圆弧榫连及装配式风扇转子流路板结构。顺利完成试验件研制工作,经试验验证,压比、效率等性能参数达到或超过设计指标。     

外涵静子后掠对某风扇/增压级气动特性的影响

针对某大涵道比风扇/增压级外涵静子后掠降噪的优化设计目标,采用1种周向平均快速特性预测计算方法和3维数值模拟软件NUMECA,对其100％设计转速下外涵静子无后掠及轴向后掠22.5°和30°算例的特性曲线及流场进行了对比分析,以研究外涵静子轴向后掠对风扇/增压级特性及气动性能的影响规律.结果表明:一定程度的轴向后掠角度会使静子表面静压在叶尖处增强,而根部的叶片表面静压分布更趋均匀,风扇/增压级的外涵气动特性在裕度上无明显恶化;但严重的后掠角度则会导致叶尖叶片表面载荷显著增加,从而造成外涵的喘振裕度减小,进而影响整个风扇/增压级的气动性能.     

变循环发动机前可调面积涵道引射器的通流计算方法

为了实现变循环涡扇发动机压缩系统的快速一体化气动设计,研究了变循环特征部件在一体化通流计算中的实现途径,针对其中的关键部件前可调面积涵道引射器(前VABI),结合其工作机理和流线曲率法通流计算方法的特点,提出了一种通流模拟的思路,发展了不同应用条件下的计算方法,并基于汇流环管流动模型对计算方法的合理性和准确性进行了校验。计算结果显示,在不发生流动堵塞的情况下,前VABI的轴向调节和俯仰调节方式对变循环压缩系统中第一、二外涵道匹配工作特性的影响较小,匹配流量的最大误差小于0.2%,在计算中采用俯仰调节可以准确地模拟轴向调节时的真实特性。在通流计算中,当第一外涵道气流总压高于第二外涵道较多(核心机驱动风扇级增压比大)时,前VABI尾缘的通流计算站应该合理设置,以避免计算模型对流通能力的附加限制。前VABI的通流计算方法对第一、二外涵道流量匹配特性的计算误差小于1%(与CFD结果相比),能够满足变循环压缩系统初始方案设计的需求。     

变循环发动机建模技术研究

在对变循环发动机总体结构进行分析的基础上,参考双轴涡扇发动机部件模型的建立方法,建立了变循环发动机部件级数学模型.建立了区分叶根特性和叶尖特性的风扇部件模型,单外涵和双外涵模式的核心驱动风扇级数学模型.根据变循环发动机的特点,建立了反映变几何部件变化的稳态和动态共同工作方程.数字仿真结果表明:所建的变循环发动机模型能够实现工作模式之间的相互转换,并且在低空低马赫数双外涵模式下表现出了涡扇发动机特性,即高推力与低耗油率,而在高空高马赫数单外涵模式下相比涡扇模式提供的推力更大、耗油率更低,符合变循环发动机特点,验证了建模方法的可行性.      

大涵道比风扇/增压级叶尖间隙影响研究

以某大涵道比风扇/增压级为例,分析风扇转子叶尖间隙对风扇/增压级性能的影响。通过风扇外涵计算及试验结果对比,表明在各转速流量、压比下吻合良好,其中高转速试验效率略高于计算结果,失速裕度基本相当;当转速降低时试验效率偏高更为明显,失速裕度略高于计算结果。分别分析1.0转速、0.85转速以及0.6转速风扇叶尖间隙对风扇/增压级性能的影响,结果表明当转速较高时,随着间隙的增加,激波-边界层干涉与间隙泄漏流掺混导致了大间隙状态二次流损失增加,外涵设计点压比、流量、效率均有所降低,当间隙增加到一定程度时,失速裕度迅速降低;对低转速状态的分析结果表明,随着间隙的增加,设计点效率下降幅度相比高转速状态有所降低,失速裕度随着间隙的增加而增大,风扇外涵特性对间隙的敏感性降低。在各转速下风扇转子叶尖间隙的大小对内涵性能影响不大。