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。     

离心压气机进气流场研究及控制

对某车用增压离心压气机进行了三维数值模拟,研究了离心压气机设计点和不同转速下近喘振点进气流场,基于此提出了离心压气机进气轮盖导叶流场控制措施并进行了验证实验.研究表明:离心压气机近喘振点压力面与吸力面压力差异影响到进气流场,导致进气口轮盖附近出现与叶轮转向相反的切向速度;且从低转速到高转速,该与叶轮转向相反的切向速度逐渐增大;离心压气机设计点进气在叶片压力面和吸力面前分别形成与叶轮转向相反和相同的切向速度区域,该区域不限于轮盖附近.轮盖导叶的流动控制方法可以有效抑制近喘振点切向反速度,实验结果表明,轮盖导叶使得离心压气机整体性能得到了提高,在90000r/min近喘振点压比提高了3.4%,效率提高了3.0%.      

扩压叶栅角区-吸力面造型设计及流动控制机理

通过数值模拟,分别针对扩压叶栅的设计工况与角区失速工况进行叶身/端壁融合与吸力面优化造型设计,分析其流场结构与性能的变化,并探究两种优化造型对压气机性能改善的机理。优化结果表明:在设计工况下,优化造型吸力面凹陷,使得吸力面附面层厚度变薄,最大端壁融合位置靠近尾缘,角区低能流体在压力梯度的作用下转移并减少,分离结构得到明显控制,损失降低;在角区失速工况下,优化造型吸力面凸起,最大端壁融合位置靠近前缘,使得前缘分离结构显著减弱,当流体在进入吸力面前缘时提前附着,前缘分离区减小甚至消失,损失降低。根据两种造型流场结构特点与控制机理,可构造出在多工况下具有显著作用的叶身-端壁融合造型。     

阻尼台对轴流跨声速压气机性能的数值研究

以一台高负荷、高转速的单级跨声速轴流压气机为对象,采用全三维数值方法对有无阻尼台的压气机内部流场进行模拟,着重讨论了压气机转子中带阻尼台部分区域及端壁区域的流场。数值计算结果指出阻尼台的引入降低了该压气机的性能。流场分析表明,带阻尼台后增大了动叶中部通道(阻尼台附近)及静叶靠近机匣的区域的流动损失,但对动叶顶部流场、动叶吸力面附近的分离线位置和形状影响很小。     

高进口马赫数径向扩压器三维叶片设计

以某组合压气机的高进口马赫数径向扩压器为研究对象,调整中弧线分布和展向积叠方式,实现了径向扩压器三维叶片设计,提升了组合压气机的气动性能.数值计算表明,与直叶片方案相比,三维叶片方案的堵点流量基本不变、设计点恢复系数提高1.1％,峰值恢复系数提高0.4％;轴流离心组合压气机的峰值效率提升0.2％,喘振裕度由15.8％提...     

叶根开槽叶栅对角区分离的控制

吸力面/端壁角区的分离是轴流压气机流场中固有的现象。本文采取在叶根处开槽的方法,利用压力梯度从叶片压力面向叶片吸力面引入一股射流增加分离区的能量,从而减缓分离。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下槽的位置、大小和形状对扩压叶栅性能的影响,计算结果初步表明,在非设计工况下适当位置、大小和形状的槽可以有效地减小角区分离。     

基于台架试验的涡轴发动机喘振发生位置规律

为了探究某型涡轴发动机喘振发生位置规律,采集并分析了台架喘振试验时进气道、轴流压气机叶尖、轴流压气机出口和离心压气机出口的压力信号。采用连续小波时频变换对压力信号进行特征提取,以小波系数作为喘振信号特征,阈值为小波系数最大值的10%,结果表明:某型涡轴发动机的轴流压气机总是比离心压气机先发生喘振,喘振在轴向上由进气道向离心压气机传递的同时,在周向上也沿着压气机转子叶片旋转方向传递。对某型号发动机进行实时喘振监测时,监测轴流压气机能比监测离心压气机更早发现喘振,在后续某型涡轴发动机改型设计时,可增加轴流压气机的喘振裕度来提升整机防喘能力。      

三维造型和非轴对称端壁在跨声速压气机中的应用

为了提高跨声速压气机转子的气动性能,基于全三维数值模拟优化平台,对该转子先后进行了三维造型和非轴对称端壁造型,并对造型前后转子的性能和流场结构进行了对比分析。结果表明:三维造型和非轴对称端壁造型均可以改善跨声速压气机的气动性能,三维优化造型后近设计点压气机等熵效率提高了0.75%,非轴对称端壁优化造型后等熵效率进一步提高了0.3%,同时压气机的非设计工况性能也得到提升。三维造型改变了通道内激波位置,调整了负荷沿径向的分布,最终提高了压气机等熵效率。非轴对称端壁通过改变叶根截面叶片表面静压分布,使得叶根附近激波强度减弱并向下游移动,进而有效地降低了端壁区域的横向二次流强度。     

叶片扩压器倒角对压气机性能影响的数值研究

研究了单级离心压气机中径向叶片扩压器倒角对其气动性能的影响.在倒角较小时,压气机单级性能改变不大,随着倒角的增大,堵点流量降低,效率和压比下降.在此基础上,开展了优化径向叶片扩压器倒角从而提升离心压气机气动性能的研究.结果表明:在径向扩压器吸力面采用无倒角或小倒角结构,防止流量堵塞,而在压力面采用沿弦向变半径倒角结构,抑制和消除压力面存在的分离,这种结构可明显提升所研究的离心压气机的气动性能.另外,进一步研究了在轮毂和机匣处分别采用如上倒角结构对气动性能的影响,发现轮毂处变倒角对性能优化起了主要作用.      

跨声速轴流压气机非轴对称端壁造型优化设计

为探索非轴对称端壁提高跨声速轴流压气机性能的潜力,基于三维数值模拟优化平台,针对跨声速轴流压气机转子进行了非轴对称轮毂优化造型,深入分析了非轴对称轮毂造型对跨声速压气机流场结构及性能的影响机理。结果表明:优化造型后的非轴对称轮毂同时提高了该跨声速压气机的效率和压比,最高效率点效率提高0.31%,压比提高0.31%,并改善了压气机的变工况性能。     

轴流压气机角区分离的研究进展

角区分离是一种常发生于轴流压气机"吸力面-端壁"角区的三维分离现象,该现象以及随之产生的流场堵塞和流场损失会对压气机的稳定工作和效率造成不良影响,严重时会发展为"角区失速"。随着现代轴流压气机单级负荷的提升,角区分离所产生的负面影响日益突出,严重阻碍了高负荷压气机的发展,各种主动、被动流动控制方法也因此被广泛应用于角区分离的流动控制。首先,从角区分离对轴流压气机性能的影响、角区分离的流场特征和角区失速的判别准则3个方面对轴流压气机角区分离的流动机理研究进行了回顾,详细讨论了角区分离的影响因素、角区分离的流动拓扑分析以及角区失速的定义与判别方法。其次,对三维叶片设计、翼刀与凹槽、旋涡发生器、非轴对称端壁造型、射流式旋涡发生器、等离子体气动激励以及附面层抽吸与附面层射流7类流动控制方法的研究进展进行了回顾,重点探讨了这些流动控制方法在抑制角区分离方面的应用,并给出了这些流动控制方法的对角区分离的作用机制。最后,对角区分离领域的研究现状进行了简要地总结,指出了现有角区分离的机理研究和流动控制研究所存在的不足,并对该领域未来的发展进行了展望。     

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。      

非轴对称端壁下高负荷压气机叶栅二次流动分析

探讨了高负荷压气机叶栅中应用非轴对称端壁的有效性.首先利用NUMECA/Design3D优化软件包来完成了对端壁的优化,然后推导并建立了高负荷压气机叶栅出口含全部掺混损失的二次流损失的计算方法,最后在设计攻角和非设计攻角下对轴对称端壁和非轴对称端壁结构的高负荷压气机叶栅内部及出口流场进行了详细的分析.分析结果表明:在设计攻角和非设计攻角下采用非轴对称端壁均能改变端壁附近载荷分布、降低叶片通道的二次流动损失;在设计攻角下使叶栅周向质量平均总压损失减少约为9.4%,在非设计攻角(±3°)下分别减损7.7%和11.8%;当非轴对称端壁幅值为4%叶高时,二次流动损失最小.      

对转压气机非轴对称端壁造型优化设计

为探索非轴对称端壁对对转压气机流场影响机理,采用端壁造型进一步提高对转压气机性能,以某对转压气机双排转子为研究对象,应用人工神经网络与遗传算法在整机环境下先后对转子1(R1)和转子2(R2)进行了非轴对称端壁造型优化,并对比分析了优化前后流场结构及性能.结果表明:在优化工况点,非轴对称端壁改变了各转子轮毂附近的静压分布,减小了周向静压梯度,降低了二次流强度;同时改变了各转子沿径向的通流能力,提高了各转子靠近尖部区域的效率;最终对转压气机整机效率上升了0.78%.      

端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅流场影响机理的对比研究

附面层吸/吹气是抑制流动分离、提高压气机叶片负荷的有效技术途径。针对超声速压气机叶栅内激波诱导的角区分离,分别采用多种不同的端壁吸/吹气方案对其进行流动控制,旨在探索端壁吸/吹气对激波干涉下角区分离的控制机理,并对比分析端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅角区分离的控制效果。结果表明:在激波/端壁附面层干涉下,该超声速压气机叶栅内存在大范围的激波诱导角区分离,角区分离使得该超声速叶栅存在强三维效应,二维叶栅中的单正激波变为"斜激波+正激波"结构,叶中吸力面尾缘开式分离变为闭式分离;端壁吸气可有效抑制该超声速叶栅的角区分离,吸气后近端壁区损失系数大幅降低,最优端壁吸气缝方案的起始点与亚声速压气机叶栅相同,但端壁吸气后叶中的双激波结构变为单正激波结构,叶中流动分离增大;端壁吹气也可有效抑制角区分离,其控制效果略优于端壁吸气,其原因是吹气缝处的静压高于吸气缝,对激波的增强作用弱于端壁吸气;与端壁吸气方案不同的是,最优端壁吹气缝方案的起始点位于叶片前缘。     

离心压气机转子内近端壁区三维紊流流场

用三维激光多普勒测速系统测量研究了一个离心压气机转子近端壁区三维紊流流场。结果表明,整个叶片通道内叶背角区存在角涡及其伴随涡,叶盆角区存在前缘马蹄涡的叶盆分支,它们的发展、演化较大地影响着附近区域的流动,是造成了所在区域流动阻塞和气流脉动的主要因素。前缘马蹄涡叶背分支沿下游逐渐向叶盆方向发展,与端壁附面层和主流的进一步掺混,并在约 1 /2叶片通道处的叶盆角区与前缘马蹄涡的叶盆分支发生交混,在下游造成一定强度的流动阻塞和紊流脉动带。      

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。      

Mechanism of stall and surge in a centrifugal compressor with a variable vaned diffuser

To expand the stable operating range of compressors, understanding the mechanism of flow instability at low flow rates is necessary. In this paper, the mechanism of stall and surge in a centrifugal compressor with a variable vaned diffuser is experimentally investigated, where the diffuser blade setting angle can be adjusted. Many dynamic pressure transducers are mounted on the casing surface of the compressor. From the design condition to surge, dynamic pressure data is recorded throughout the gradual process. According to the signal developing status, the typical modes of compressor instability are defined in detail, such as stall, mild surge, and deep surge. A relatively high-frequency stall wave originates in the impeller and propagates to the diffuser, and finally stimulates a deep surge in the compressor. The compressor behavior during surge differs at different diffuser vane angles. When the diffuser vane angle is adjusted, both the unstable form and the core factor affecting the overall machine stability change. A specific indicator is proposed to measure the instability of each component in a compressor, which can be used to determine the best region for stability extension technologies, such as a holed casing treatment, in different compressor applications.     

多级轴流压气机出口级转子扩张通道优化设计

为提高多级轴流压气机后面级气动性能,针对某多级轴流压气机出口级转子搭建了基于遗传算法和神经网络代理模型的扩张通道压气机优化设计平台,并对其进行扩张通道优化设计研究。根据优化得到的数据库分析了各设计参数对效率和裕度的影响规律。在优化所得解集中选择了两个扩张通道设计方案,探究了其对效率和裕度的影响规律和机制。结果表明:扩张通道设计可使出口级转子在设计流量点的负荷提高12.1%、效率提高1.28%,同时获得12.50%的裕度改善量。基于当地熵产率损失模型可得,扩张通道转子相较于原型转子,其上下端壁损失增加,叶型损失减小。扩张通道转子近失速点堵塞系数变小是其裕度提升的主要原因。