高速来流发动机射流预冷及压气机湿压缩特性一体化分析方法

为了研究高空高速来流条件下发动机射流预冷及压气机湿压缩特性,本文针对发动机进气道部分和压气机部分的气液两相流动过程分别建立相应的计算模型,发展了一体化分析方法。对于进气道喷水后的气液两相流动,采用基于微元段思想的气动效应-蒸发冷却修正两步法建立一维计算模型;对于压气机湿压缩过程,采用基于CFD技术的欧拉-拉格朗日方法对气液两相流动进行建模。利用所建立的一体化分析方法,考虑真实高空高速来流条件,同时保证发动机在喷水前后具有等换算转速调节规律,对发动机射流预冷及压气机湿压缩特性进行分析,结果表明：射流预冷能够显著降低高马赫数来流下的压气机进气温度,使得相同最高物理转速下压气机换算转速提高,使压气机具有更好的气动性能;若液滴在进入压气机前蒸发完全,混入工质中的过量水蒸气会降低压气机的无量纲转速,使得同换算转速下压气机压比较不喷水时降低;小粒径液滴更快的蒸发作用有助于对高温气流的快速降温,当液滴粒径3μm和喷湿量为10%时,压气机进气温度较喷水前降低247.13K,同换算转速下物理转速仅为不喷水时的76%。     

两级对置式离心压气机湿压缩研究

本文以两级对置式离心压气机为对象,采用数值模拟方法研究了湿压缩对压气机特性和内部流场的影响。数值计算借助ANSYS CFX软件,采用欧拉-拉格朗日法耦合计算连续流场和离散粒子项,基于k-ε湍流模型、变比热拟合公式计算焓熵值,利用安托万方程求解饱和蒸汽压力并加入液滴破碎CAB模型和撞壁模型。在压气机进口采用干空气和不同喷水量与粒径组合共计7个工况条件下,对比分析了压气机总体性能变化、部件性能变化及水滴的运动轨迹。结果表明,湿压缩使得整机压比和效率均有所提高,但效果越好裕度越小。低压级内湿压缩效果明显,水滴蒸发使得出口温度降低;高压级湿压缩降温增益不明显,但受上一级冷却效果影响,压比和温比都增加。水滴在叶轮中主要积聚在叶片压力面根部。扩压器和回流器中产生了较大的尾迹损失,扩压器前缘受水滴破碎和掺混作用,产生较大熵增。     

应用改进的平行压气机模型预测旋流畸变对压气机性能的影响

为预测旋流畸变对压气机性能的影响,采用改进的平行压气机模型探究了常见的整体涡和对称涡旋流畸变下压气机性能参数的变化。改进的平行压气机模型利用平均线模型获得输入进口条件下压气机各级的特性,将得到的级压比和温比等参数传递给平行压气机模型进行求解,进而得到完整的压气机特性。结果表明:同向整体涡作用下,压气机工作点压比降低,稳定裕度增大;反向整体涡使得压气机压比增加,稳定裕度减小;对称涡使得压气机压比降低,稳定裕度减小。以10°旋流为例,同向整体涡下压比的最大降幅达到15.2%,反向整体涡下压比的最大增幅为13.3%,对称涡下压比的最大降幅仅为4.6%。     

静轴式压气机结构设计与静力学性能分析

为满足小型无人机和导弹等航空器使用的航空发动机的要求,基于轴流式压气机结构,提出了一种主轴固定、内静子、外转子的新型“静轴式压气机”构型。通过对压气机基元级运动模型简化分析,建立了空气在压气机基元级压缩过程的动力学模型,确定两段压气机与中间泄气隔断结构参数,进一步计算得出各级出口温度变化曲线。结合理论计算,对静轴式压气机部件进行三维建模,运用Fluent软件验证基元级增压原理,并在Workbench软件中开展关键转子部件的静力学仿真与性能分析。结果表明：静轴式压气机整体采用前四级后五级的九级压缩方式,总压比达到12,静温变化量达到51.5℃,满足高增压比、分段燃烧的需求;压气机基元级数值模拟结果满足增压原理,应力应变满足强度要求,转子结构设计最大变形量较传统压气机减小,可以满足小型飞行器用压气机的设计要求。     

进口探针支杆对1.5级压气机气动性能的影响

为了评估进口测试探针支杆对压气机气动性能的影响,定常计算了包含不同直径、轴向位置、周向位置及形状的探针支杆的1.5级压气机特性线。结果表明,较无进口探针支杆的工况,带探针支杆的压气机特性线整体向左下方偏移。圆柱型支杆较迎风面积相同的长条型支杆而言,使压气机特性线衰减更严重;随支杆直径增加,压气机特性线偏移量增大,5mm,10mm及20mm的支杆使压气机平均效率分别降低0.8%,1.32%及2.28%;支杆周向位置、轴向位置对压气机特性线无影响。分析定常及非定常数值计算结果发现,当支杆尾迹引起的进口气流角脉动位于进口导叶不敏感角范围内时,导叶的整流作用使导叶下游压气机性能不受进口支杆的影响。     

级间引气对多级轴流压气机性能的影响

为了验证多级轴流压气机级间引气对其性能的影响,建立了在设计过程中优化改进级间引气的依据,基于数值模拟和试验的方法,研究了级间引气对某总压比20以上的10级轴流压气机总性能和匹配特性的影响。结果表明：引气对压气机各级的单级特性影响较小,但改变了压气机进口总流量和引气上下游的流量分配及级间匹配,进而影响了压气机的总性能。在多级轴流压气机设计转速状态下,前面级处于流量堵塞工况,与第7级引气相比,第4级引气可显著增大压气机的流量,改变压气机匹配特性,引气位置越远离压气机进口对总流量的影响越小。试验结果表明：第4级引气增加或者减少2%,总流量相应增加0.8%或者减少1.3%。相比第4级增加引气,第4级减少引气对压气机性能影响更为显著。试验得到的引气对压气机总性能、各级工作点匹配影响与数值模拟的一致。     

级间引气条件下轴流压气机特性预测方法

为了确定级间引气对多级轴流压气机特性的影响，便于在燃气轮机整体性能分析时简化引气模型，开展级间引气条件 下轴流压气机特性预测方法研究，通过级间匹配模型求解引气位置压力、温度和引气位置上下游的特性，根据引气后的上下游重 新匹配确定受引气影响的压气机特性线。结果表明：对5级压气机在换算转速为1.0、0.7和0.5倍设计转速情况下分别进行了预 测，得到的特性线与压气机原特性线相比有明显变化。在压比-流量特性图中，引气后的等换算转速线整体位于原特性线之上，压气 机压比提高，在小流量时提高较小，在大流量时提高较大，并且提高效果随引气流量增加逐渐明显；在效率-流量特性图中，引气后的 等换算转速线与原特性线交于一点，在该点左侧效率因引气而降低并随着引气流量增大而进一步降低，在该点右侧则刚好相反。采 用此5级压气机的抽放气特性对性能预测模型进行了验证，引气位置总温的相对误差不超过1%，总压的相对误差不超过2%。     

旋转总压畸变对压气机稳定性影响的三维非定常模型

基于三维非定常激盘模型,发展了一个可用于预测压气机动态失速特性及旋转总压畸变对压气机气动稳定性影响的三维非定常计算模型,并利用该模型计算分析了旋转总压畸变的幅值和旋转频率变化对一台双级低速轴流压气机性能和气动稳定性的影响.计算结果表明,旋转总压畸变的幅值和旋转频率对压气机的性能、动态失速过程特性和失速边界有强烈的影响;...     

高压压气机盘瞬态温度场计算研究

为了对压气机轮盘疲劳寿命评估和结构优化提供相应的温度场数据,采用有限元分析软件ANSYS,建立了某型发动机高压压气机转子的二维整体模型,讨论了高压压气机不同部位的边界条件和旋转盘腔内换热的规律,对高压压气机在发动机从慢车状态到最大状态下的瞬态温度场进行了计算,并分析了盘的径向温差随时间变化关系。计算结果表明：各级盘的径向温差产生在轮缘与盘中心孔附近的厚块之间;在温度场趋于稳定的过程中,径向温差先增大后减小;各级盘的最大径向温差随转子级数增加而增大。     

砂尘对压气机叶片的侵蚀及性能影响

为了应对飞机在起飞和降落的过程中会面临多砂环境，尘土、砂粒等异物颗粒会随空气被吸入航空发动机内的情况，明 确压气机部件的磨损和砂粒的吸入对压气机特性产生的影响，以航空发动机吞砂作为研究背景，以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 37为研究对象，采用两相流动数值模拟的方法对砂粒的运行轨迹、侵蚀分布和特性变化开展仿真研究。获得了不同的吞砂 条件和转速工况对颗粒运动轨迹、侵蚀分布和侵蚀量的影响，并分析了砂粒在不同吞砂条件和不同转速下引起的压气机性能和内 部流场分布的变化规律。结果表明：大部分颗粒进入压气机后，随气流进入叶栅通道，在叶栅通道内与叶片压力面发生碰撞；吞砂 导致压气机的增压能力减弱，对于直径为20、150、300 μm的吞砂工况，其增压范围分别缩小了3.83%、2.13%和1.01%。