多级轴流压气机静子叶片转角优化计算

本文介绍了一种有于多级轴流压气机性能优化调整试验最佳静叶转角计算的方法。此方法采用一个二次泰勒级数展开式作为近似优化性能模型，利用压气机性能计算方法确定压气机静叶转角调整试验的初始静叶转角，应用数值优化计算技术确定压气机静叶转角调整的逼近方向和步长。具有收敛速度快，迭代次数少和适于处理试验数据带有测量误差的问题等优点。与目前的压气机性能调整试验技术相比，这种试验研究与计算技术相结合的方法可使压气机试验次数和测量点数减少60％左右，缩矩压气机性能调整试验周期。最后本文给出了二个优化目标不同的静叶转角优化算例，以验证本计算方法的可行性。     

高压压气机可调静子叶片角度a2摆动故障诊断与分析

针对某型航空发动机高压压气机可调静子叶片角度a2摆动故障,以a2控制系统及其原理为基础,建立覆盖整个控制系 统的故障树,并且综合考虑各零部件发生故障的概率、维护排故工作的工作量及难易程度,制定合理有效的排故方案。结果表明： 故障原因为反馈钢索预紧力过紧。本次排故过程介绍的结构原理和总结的排故经验,对a2摆动故障诊断具有指导作用,对该型发 动机在外场使用维护过程中a2相关故障具有借鉴意义,为促进发动机快速成熟提供了技术支撑。     

核心机压气机进口可调静子叶片角度控制规律

核心机试验进气范围宽,从常温常压状态到加温加压进气状态,进行进气温度和压力调节的同时给核心机带来大量的过渡态工作过程,对核心机气动稳定性提出了较高的需求,通过压气机进口可调静子叶片角度(α₂)的调节可以有效提升稳定裕度,需要设计出合理的压气机α₂规律来保证核心机的试验安全。为了研究压气机进口可调静子叶片角度控制规律,以整机大量试验数据为基础,以发动机相似原理为理论依据,分别在核心机稳态、加速和减速等不同状态下开展核心机与整机压气机进口可调静子叶片角度控制规律对比研究。结果表明：最终确定的压气机α₂稳态规律与整机的n_2R25-α₂控制规律相同,遵循在加速过程中稳态基础上偏关2°、在减速过程中稳态基础上偏关5.5°的控制规律,确保压气机在试验过程有较好的稳定裕度,保证试验安全。     

某发动机高压压气机进口可调静子叶片角度控制方法

分析了温度传感器的时间常数对2α控制的影响,由于时间常数并不确定且超前环节会放大噪声,对温度传感器的直接修正不能得到可靠的α2给定.在发动机稳态和过渡态分别采用n2r25和n2r给定的2α控制方式,用加权的方法在两种控制方式间进行选择.根据实际试车中n2r信号的变化获取加权系数,从而完成发动机在各种状态下的2α控制.通过试车验证了方法的可行性.     

某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障分析

针对某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障,分别进行了断口分析、强度计算、振动模态试验和整机动应力测试,综合分析结果表明:第6级静子叶片掉角断口均属于高周疲劳;实测第9阶振型的最大相对振动应力区与故障叶片的裂纹起始位置吻合;第9阶自振频率对叶尖附近的弦长、厚度及尾缘R的尺寸微小变化很敏感。采取了增加频率限制、对涂"W"漆前的吹砂工艺进行细化以保护叶片的措施,使得该故障得以排除。     

涡扇发动机可调静子叶片控制规律研究

航空发动机高压压气机采用可调静子叶片,可改善高压压气机的工作特性,扩大喘振边界,保证发动机稳定工作;通过优化可调叶片角度控制规律,还能提高发动机性能。基于双转子涡扇发动机的试车数据,介绍了可调叶片角度的控制方法,研究了可调叶片角度在低转速和高转速时的控制规律,分析了打开可调静子叶片角度对发动机性能的影响。研究表明,高压转子转速较高时,通过调节可调静子叶片角度,可以降低高压转子的物理转速,增加转子转速裕度,降低机械负荷,增加发动机在翼使用时间。     

压气机静子叶片扇形组件加工工艺研究

某压气机静子叶片组件采用一种特殊结构,本文根据其主要设计及加工特点,对冲压、钎焊和激光加工工艺进行研究,提出了合理实用的工艺流程及加工参数,制定了一套完整的加工工艺,保证了零组件加工质量,提高了加工效率.     

可调静子叶片机匣间隙对轴流压气机性能的影响

多级轴流压气机多采用可调静子调节压气机中低转速性能。由于转动需要,静子叶片与流道间必然存在径向间隙,使得流场中额外引入端壁间隙流。利用CFD软件,研究了可调静子径向间隙对多级轴流压气机性能的影响。相关三维粘性数值仿真结果表明:高精度的CFD分析中,间隙影响不可忽略;可调静子转轴的优化设计,可有效减小间隙对压气机性能的影响。     

静子叶片开槽处理对单级压气机特性影响的数值研究

基于利用叶片开槽出口射流控制附面层分离的思想,提出在静子叶片上从压力面向吸力面开槽的流动控制方案,设计了在静子叶片上部的两段式转折槽,并对静子叶片开槽处理后的单级压气机特性进行了数值模拟.结果表明,静子叶片开槽处理可以显著改善单级压气机性能,扩大流量工作范围,提高压气机的稳定性.进一步分析流场发现,槽道出口射流可以有效吹除叶片尾部吸力面附面层分离气流,控制附面层分离区扩散.     

弯曲及局部修型对大折转角扩压叶栅性能的影响

通过数值模拟对具有51°叶型折转角的环形扩压叶栅进行了研究.将外流飞行器上控制附面层流动的基本思想和修型措施应用于弯叶片的局部修型, 结合近壁面附面层流动和总压损失对比分析了大折转角扩压叶栅采用直叶片、弯叶片和局部修型弯叶片的气动性能.结果表明:在大折转角、高亚声速气流进口条件下, 局部修型弯叶片能更有效的控制大逆压梯度下叶栅内附面层的发展, 提高叶栅气动性能.      

某压气机静叶基元叶型优化设计及实验

为了得到更加适合压气机静叶的叶型以降低气动损失,提取了静叶中径处的叶型,通过平面叶栅实验获得了原叶型的损失特性,发现原叶型气动损失较高,需要通过合理匹配设计参数来降低损失。为此,搭建数值优化平台在约束空间内搜寻气动损失更低的叶型,目标函数的构建综合考虑了多个冲角下的总压损失系数以提升叶片的变工况性能。优化结果显示:目标函数值降低了约9%,进一步实验研究发现,在实验涉及的整个马赫数和冲角范围内优化叶型比原叶型具有更低的总压损失系数,设计工况总压损失系数较原型叶型下降了31.3%,提升了叶型在正冲角边界附近的抗失速能力,设计进口马赫数正4°冲角下气流折转角增加1°。通过对实验结果的深入分析,解释了叶型性能提升的机理,对工作在相似环境的叶型设计及多目标优化方向给出了建议。     

平面扩压叶栅最佳弯叶片生成线与叶栅折转角的关系

用优化的方法研究了扩压叶栅最佳弯叶片生成线与叶栅折转角之间的关系,在8个不同叶栅折转角下优化弯叶片生成线的弯角和弯高.积叠线是由两段贝塞尔曲线和一段直线组成,在这种积叠线形式下,相同弯角下弯叶片损失随弯高增大不断减小,弯叶片的最佳弯高为0.5.在相同的叶栅折转角下弯叶片损失随弯角增大先减小后增大,存在最佳弯角使弯叶片总损失最小.随着叶栅折转角增大,弯叶片收益增大.最佳弯角随着叶栅折转角的增加有增大的趋势.在给定计算条件下,最佳弯角与叶栅折转角之间呈类似线性变化规律.      

非轴对称安装角对压气机转子叶片性能的影响

为了给高压压气机叶片全工况的工程设计和加工制造提供借鉴,进行了多案例的单通道和8通道定常及非定常数值模拟,探究了设计点和非设计点工况下安装角非轴对称布局对压气机性能的影响。研究结果表明:非轴对称安装角方案在设计点工况下性能参数相较于均匀安装角降低,且在近堵点时流量的分散度更大。非轴对称安装角使得叶片表面压力系数波动较大,导致转子效率下降明显。在均匀安装角偏差小但标准差大的非轴对称安装角典型方案中,由于其通道中存在较原型偏离大的安装角叶片,从而使得大流量点工况下48%~82%叶高流动分离,降低了出口气流角和效率。在近失速点,该典型方案在轮毂处角区分离较原型明显增强,在10%叶高处扩散因子较原型高负荷设计高出了0.72%,导致了失速裕度减小。      

弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响

为了研究压气机弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响,在一台低速轴流压气机上,采用实验方法,对比分析了第1级静子叶片分别为弯曲叶片和直叶片时叶尖射流的扩稳效果以及压气机内部流场信息.结果表明:第1级静子叶片由直叶片改为弯曲叶片后,在压气机失速过程中,模态波主要集中在叶尖区域,而叶尖射流恰好是通过改善叶尖区域的流场来拓宽压气机的稳定工作范围的,所以第1级弯曲静子叶片使得叶尖射流的扩稳效果更加显著.      

开槽叶片对大转角扩压叶栅性能的影响

采用从压力面向吸力面开槽的局部流动控制方法,设计了一种收敛转折型的槽道结构.实验对不同冲角下开槽叶栅的进、出口流场进行了测量,利用实验结果对数值模拟结果进行了校核,通过数值计算进一步得到了详细的叶栅通道内流场情况,并进行了结构静力分析.结果表明:在4°进气攻角下,开槽后叶栅尾迹区宽度减小了16.7%,总压损失系数峰值减小了6.07%;在6°进气攻角下,总压损失系数峰值减小了14.7%.叶片开槽从压力面吸入的气流可有效加速吸力面附面层流动,抑制吸力面分离,从而降低总压损失,增大静压比,扩大稳定工作范围.槽道前壁面的转折处存在应力集中,需要进行改进.      

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.      

适应较大叶型弯角范围的轴流压气机落后角模型

通过对多种落后角模型进行研究对比,选出其中一组,并对设计状态落后角模型重新修正,在此基础上结合S1流场计算发展了一种适用于轴流压气机落后角预测的模型.另对非设计状态落后角计算采用了修正模型.结果表明:建立的计算程序在一定的攻角范围内,对S1流场的预测结果是比较准确的,通过多组平面叶栅验证,在叶型弯角较大或者较小时,设计状态落后角模型预测精度均提高,误差范围控制在1°以内;建立的轴流压气机落后角预测模型,对多组轴流压气机设计状态落后角预测,误差都不超过2°,初步验证了模型的有效性.     

采用高负荷弯曲静叶的压气机改型研究

采用适合高亚音速气流进口的大折转角弯曲静叶对某型高负荷风扇级进行改型设计,使用单列弯曲静叶代替原型级中的串列静叶。采用三维成型技术设计弯曲静叶,引入叶片局部修型措施控制和改善栅内流动,通过数值模拟三维流场得到原型级和改型级的设计转速特性线和设计点的气动性能。研究结果表明:采用三维成型的高负荷弯曲静叶在优化压气机结构的同时也提高了压气机的气动性能,将是研发高性能压气机可采取的重要措施之一。      

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。