跨声速压气机性能计算中的激波损失模型

在分析了跨声速叶型内激波与附面层相互作用及波系形状的基础上,建立了一种考虑了激波与附面层的相互作用及栅内流动状况的跨声速叶栅激波结构的数学物理模型,并提供了一种可靠评估跨声速叶栅激波损失的方法。     

跨声速涡轮叶栅两点优化目标函数研究

针对跨声速涡轮叶栅单点优化方法难以获得整体工况性能提升、多点优化方法难以确定合理目标函数形式的问题，提出了两点优化的方法。为了节约优化时间成本，优化过程采用EIF （Equivalent inviscid flow） 模型进行数值模拟，通过添加惩罚函数保证叶栅满足设计流量和负荷要求，并采用叶栅效率线性平均的目标函数形式进行评价。选择两组跨声速涡轮叶栅进行优化设计，并利用CFD方法分析叶型变化对流场马赫数、激波和损失产生的影响。结果显示，所提出的优化设计方法在保证设计工况性能的同时，能够提升叶栅整体工况性能。通过流场分析，揭示了激波结构变化对不同工况损失影响的定性规律。综合全文研究后，给出了一种适用于跨声速涡轮叶栅两点优化设计的目标函数形式。     

跨声速涡轮平面叶栅实验与激波控制研究

开展了跨声速涡轮平面叶栅吹风实验,采用纹影技术捕捉静叶尾缘的激波现象并测量了流道中总压和静压分布。基于CFX软件,采用与实验相同的边界条件对实验叶栅进行了数值模拟分析,获得了流场分布、激波损失分布、激波/尾迹和边界层干扰分布等。综合实验与数值模拟结果,分析了叶片表面静压分布特点、叶栅出口周向总压分布特点及叶栅能量损失系数与出口马赫数的关系,发现激波损失在气动损失中占有很大比重。为了削弱激波强度以降低激波损失,通过控制叶型,使压力面负荷向尾缘移动,由此使得叶栅总压恢复系数增大0.003 6,能量损失系数降低0.185 8,总体激波损失减弱。     

大膨胀比跨声速涡轮流动结构及损失的数值研究

为了揭示跨声速大膨胀比涡轮损失的主要特点和两种不同尾缘冷却方式对损失的影响,以典型大膨胀比跨声速涡轮和跨声速叶栅为研究对象开展了数值研究。研究发现大膨胀比跨声速涡轮的主要损失是叶型损失,占到总损失的65%左右,尾缘激波损失是叶型损失的主要来源。尾缘全劈缝冷气入射通过提高尾缘基压区基压来减少尾缘膨胀波对气流的加速程度,从而降低最高马赫数和激波损失,尾缘压力面劈缝冷气入射通过改变叶片尾缘压力面激波波系结构,使原来的一道激波变成两道或者两道以上的弱激波,从而减少激波损失。两种尾缘冷气方式都有利于降低大膨胀比跨声速涡轮激波损失,但压力面劈缝冷气入射方式效果更为明显。     

吸力面不同吹风比切向冷气喷射对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响

为进一步探究跨声速涡轮中吸力面切向冷气喷射对叶栅气动性能及气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮叶栅作为研究对象,采用数值模拟方法,通过在叶片吸力面不同位置开设切向冷气喷射槽,进行不同吹风比下的冷气喷射,对跨声速气冷涡轮叶栅的总体性能以及流场细节进行了详细研究。研究结果表明,吸力面切向冷气喷射有利于减小跨声速涡轮叶栅激波损失,叶栅最大马赫数可减小0.104;切向冷气喷射槽位于尾缘内伸激波反射点上游,且吹风比处于0.75～1.00内时,叶栅能量损失最小;吹风比的增大有利于减小甚至消除冷气槽内分离泡,并能够减小唇部激波强度。     

基于反方法的高负荷涡轮动叶激波控制

为控制高负荷涡轮叶栅中的激波、改善涡轮叶栅流动状况,针对E3涡轮第二级动叶中间叶高叶型,通过修改叶型吸力面压力分布进行了弱化激波S1流面反方法研究,并基于反设计叶型,对涡轮整级性能进行了三维数值计算分析。S1流面求解器选取MISES程序,应用Mixed模式反方法对叶型表面压力分布进行修改,并在反设计过程中临时"冻结"边界层来提高计算鲁棒性,加速收敛。结果表明,S1流面反设计叶型变薄,喉道位置前移,叶栅通道内激波强度明显削弱,叶型尾迹损失明显降低;涡轮整级环境下,反设计叶型使低背压工况下的等熵效率提高了约0.55%,涡轮出口激波强度显著降低,高效运行区拓宽,变工况性能较原始涡轮得到优化,验证了本文反方法的可行性。     

基压对跨声速涡轮叶栅尾迹损失影响的研究

跨声速涡轮尾迹损失是叶栅损失的主要部分,大约占总损失的三分之一。跨声速尾迹气流十分复杂,必须了解其基本的气流流动模型。目前,计算损失的方法大多根据经验公式,但该方法限制了计算损失的准确性。国外一些研究表明:基压与损失、基压与反压都存在着一定的关系。本文利用超、跨声速平面叶栅风洞在近二十年中所做的叶栅试验数据,进行分类整理,总结出基压对反压和基压对损失的简便经验公式,为叶型设计的气动计算提供叶栅损失系数和叶片表面马赫数分布的预估。     

跨声速涡轮叶栅激波损失控制方法

为了降低高负荷跨声速高压涡轮激波损失,发展了针对性的涡轮叶栅激波控制方法。针对吸力侧激波,提出可控膨胀设计概念,结合基于曲率的叶型设计方法,通过调整吸力面曲率分布以控制气流膨胀力度,减小了尾缘激波前马赫数,有效减弱了吸力侧激波强度和叶栅出口压力不均匀程度。针对压力侧激波,发展了消波设计方法,在吸力面的激波作用区域设计一鼓包型线,利用鼓包迎风面压缩波的预增压作用和外凸面膨胀波的消波作用,有效抑制了激波/边界层相互干扰,显著削弱了反射激波强度。可控膨胀设计和消波设计对叶栅尾缘两道激波的控制作用相互独立,可单独采用,当两种方法相结合时,吸力侧激波强度降低了29.66%,叶栅出口压力不均匀程度减小了29.28%,总压损失系数减小了12.11%。      

基压对跨声速涡轮叶栅尾迹损失影响的研究

跨声速涡轮尾迹损失是叶栅损失的主要部分,它大约占总损失的三分之一.跨声速尾迹气流是十分复杂的.必须要了解其基本的气流流动模型.目前计算损失的方法大多是根据经验的公式,但这个方法限制了计算损失的准确性.国外的一些研究表明:基压和损失,基压和反压都存在着一定的关系.本文就是利用超、跨声速平面叶栅风洞在近二十年中所做的叶栅试验数据,进行分类整理,寻找出基压对反压和基压对损失的简便的经验公式,为叶型设计的气动计算提供叶栅损失系数和叶片表面马赫数分布的预估.     

尾缘冷却跨声速涡轮气动特性的数值模拟

为了明确跨声速涡轮中尾缘冷却措施的引入对其气动性能的影响,针对跨声速涡轮叶栅中压力面半劈缝尾缘冷却方式和尾缘全劈缝冷却方式条件下,叶栅性能和尾缘激波系结构的变化进行了数值研究。结果显示,两种尾缘冷却措施都降低了叶栅能量损失系数,压力面半劈缝尾缘冷却方式效果更好,最佳情况损失系数下降达到48%。冷却流量对作用效果有一定影响,存在最佳值。冷却措施的引入显著改变了尾缘激波系结构,尤其对PSEJ冷却方式,将尾缘激波系压力面分支由原本一道强激波分成三道弱激波。     

高负荷跨声速涡轮激波损失机理及控制技术研究

为了指导高性能、高负荷跨声速涡轮的设计,对其叶栅内的流场结构、尾缘波系结构、减小激波损失的机理及其控制技术进行了分析研究。结果表明:跨声速涡轮尾缘流场结构复杂,存在分离膨胀波、分离激波、基底区、再附激波、尾迹、吸力面反射波甚至激波边界层相互干扰等流动现象。通过采用收缩-扩张通道,喉道后采用直线型吸力面,减小吸力面尾缘弯折角、尾缘厚度和尾缘附近局部修型等措施,从而减弱激波强度,减小激波损失。     

基于反问题设计方法的叶栅激波损失控制

为了降低跨声速叶栅通道中的激波损失,提高叶栅出口的总压恢复系数,以二维粘性反问题设计方法理论为基础,发展了二维叶栅反问题设计方法,通过调整叶片表面沿轴向的载荷分布,在保持叶片总载荷不变的同时,达到降低叶栅槽道中的激波强度,减少激波损失的目的。为验证方法的正确性,首先运用德国宇航中心L030-4叶栅实验数据与计算结果进行对比,在此基础上对叶片载荷进行分析,并提出了一种叶片表面载荷分布参数化方法,运用该方法修改叶片表面载荷分布后通过反问题设计方法得到新的叶型。结果表明,通过修改叶片表面载荷分布,运用二维反问题设计方法得到的新叶型激波强度明显降低,叶栅出口总压恢复系数以及马赫数较原型均有增加,叶栅气动性能明显提高。     

跨声速涡轮中两种叶片叶尖泄漏流的气动性能

采用数值模拟的方法,研究了跨声速涡轮叶栅中平面叶尖和双肋叶尖泄漏流的气动性能.平面叶尖比双肋叶尖的叶尖间隙内马赫数高,有反射激波结构;双肋叶尖的叶尖间隙内马赫数较低,没有形成明显的反射激波结构.平面叶尖和双肋叶尖的叶尖泄漏流质量流量分别为叶栅进口质量流量的3.87%和3.74%.平面叶尖的气动损失系数为0.079,双肋叶尖的气动损失系数为0.072.研究表明,双肋叶尖的气动性能要好于平面叶尖.      

跨声速轴流压气机流动损失分析

对跨声速多级轴流压气机的损失和落后角模型进行了改进,采用流线曲率法对非设计点进行了性能模拟。新的激波损失模型考虑了压气机工作状态从堵塞点向喘振点变化时激波系结构的变化;同时也考虑了压气机负荷对叶尖二次流动的影响。着重对跨声速轴流压气机在100%设计转速下各种损失的变化规律,以及叶片不同位置处的损失变化进行了分析,并得出了一些规律性的结论。计算得到的气动参数与实验值的比较表明:该模型能够较为准确地预测到跨声速压气机内部流动的叶型损失、激波损失、二次流损失以及展向掺混损失的变化规律。     

基于全局气动优化方法的跨声速叶栅气动优化

提出了适用于叶栅三维气动设计优化的全局自动气动优化方法.对NASA Rotor 37转子叶栅进行了气动优化设计.利用该叶栅的试验数据校核了计算流体(CFD)程序的可靠性.以等熵效率最高为目标函数,在满足流量约束和总压比约束的条件下,完成了跨声速叶栅的气动优化设计.优化叶栅的等熵效率提高了1.66%,具有优秀的气动性能和变工况性能.优化结果表明,通过优化三维跨声速叶栅的型线和径向基迭方式,可以有效的减小跨声速叶栅的激波损失.      

一种新型涡轮叶栅非轴对称端壁造型的数值研究

为探讨非轴对称端壁造型降低涡轮叶栅二次流损失的有效性,构建基于高压涡轮直列叶栅的非轴对称端壁气动优化设计方法,并用NUMECA／FineTurbo模块对优化后的结果和原涡轮叶栅分别进行流场计算。结果表明：非轴对称端壁造型使叶栅通道的总压损失系数面降低了2．84％;改变了通道内的叶片载荷分布,形成了叶型的载荷后置;改善了流场内的流动结构,使气流的流动变得更加通畅;延迟了通道涡的过早形成,减小了通道涡的强度和尺度。因此,非轴对称端壁造型可以有效地降低涡轮叶栅通道内的二次流损失。     

空气湿度对跨声速压气机叶栅气动性能的影响

为了解空气湿度变化对高负荷跨声速压气机叶栅气动性能的影响,采用吹风试验和数值模拟相结合的方法,开展了空气湿度对跨声速叶栅性能影响研究。结果表明:空气湿度对叶栅气动性能的影响程度与叶栅自身的工作状态有关,在高进口马赫数和大攻角工作条件下,空气湿度会弱化叶栅的增压能力,增大流动损失。空气湿度对跨声速叶栅气动性能的影响与湿空气中的非平衡凝结相变现象有关,湿空气凝结放热会对流场产生加热作用,从而引发额外的压力损失,且影响区域主要集中在成核率较高的叶栅通道内。     

向心涡轮跨声速导向叶片叶型设计及验证

以某先进辅助动力装置用膨胀比5.0级向心涡轮跨声速导叶为研究对象,从消除几何喉部前局部超声区及削弱尾缘激波强度两方面着手,对导向叶片进行了优化改进及叶栅试验验证,结果表明：采用大正攻角、小安装角的设计思路,减小喉部前吸力面叶型曲率,降低进口段的通道面积,提高了叶型前段负荷,消除了喉部前的过膨胀区,喉部前气流加速更为均匀;在吸力面喉部后构建局部内凹结构,可将原方案中吸力面尾缘处一道较强的激波变为两道较弱的激波,峰值马赫数降低,尾缘逆压梯度减小,尾缘激波强度得以削弱。试验结果显示：在出口马赫数0.9～1.1范围内,优化后叶型能量损失系数均有所降低,在出口马赫数为1.1时,能量损失系数可降低近20%。     

超声速串列静叶设计

高压比单级风扇静叶进口全超声,气流转折角大于50°,常规单排静叶难以达到这样高的负荷水平,采用串列静叶结构是一种有效的技术手段。针对进口超声的基元叶型,采用灵活控制中线形状的基元叶型设计方法,优化叶型前缘激波结构,降低激波、附面层干扰引起的损失。在级环境下,对分别采用新方法和定制叶型方法设计的串列静叶进行详细的性能对比,三维数值模拟结果显示:应用新方法设计的高负荷串列静叶,可降低激波损失,优化叶排通道内的激波结构,有效控制尾迹分离,改善叶片排间的流动匹配,提高串列风扇性能。     

跨、超声速吸附式压气机平面叶栅试验

对跨、超声速吸附式压气机平面叶栅进行了试验研究,试验针对若干抽气位置、抽气量和流动条件不同的叶栅工作状态进行,结果表明:一般在通道激波后、附面层分离前抽气对控制叶片附面层在逆压力梯度区的发展、抑制分离、降低叶栅损失、升叶栅气动性能有较明显的效果;在跨声速叶栅中,抽气量大于某个时抽气才能起到减小损失、改善性能的作用.