高负荷风扇气动设计与数值验证

在叶尖切线速度U=480 m/s的条件下,对级压比为2.4、负荷系数为0.42的风扇进口级进行了初步的气动设计,并进行了数值验证.分析了转子尖部和静子根部的设计难点,重点考察了进口预旋分布、设计压比分布、转子叶尖激波前马赫数、静子根部进口马赫数以及静子出口气流角等参数,以及静子附面层抽气对性能的影响及其内部机制.结果表明:采用常规设计的转子能够达到0.42的负荷系数;在该负荷条件下,静子根部会出现进口超声的情况,并在根部通道中产生强烈的正激波;如果静子根部存在贯穿通道的正激波,即D因子较小,仍会发生严重的分离失速.     

对转风扇设计技术研究

为了考察对转风扇的工程应用性,通过气动方案论证、气动设计技术研究、强度颤振分析研究、声学分析研究、非设计点匹配和调节研究以及进口畸变流场模拟研究,初步探讨民用大涵道比发动机对转风扇的设计技术,总结未来工程应用可能面临的问题以及解决方案。与常规风扇设计相比,对转风扇后排叶片在非设计点下的工作状态变化幅度较大,因此后排叶片的设计攻角选取不能过大。虽然较低的设计转速下转子叶片的振动频率不高,但也不必太过担心颤振问题,本文风扇在设计点并不会出现颤振问题。采用对转技术降低风扇转速是降低噪声的有效手段,本文设计的风扇远场最大声压级只有90 dB左右。对转风扇在非设计转速具有较好的性能水平,在工程应用时可以不必调节后排叶片的安装角。对转风扇对进气畸变的衰减作用十分有限,两排转子对转也使得畸变区域的周向相位移动并不明显。     

对转涵道风扇桨叶高效设计方法

基于叶素动量理论的对转涵道风扇桨叶设计方法虽然设计速度快,但设计精度不高。为提高设计方法的设计精度,同时保留设计的快速性,通过CFD计算对基于叶素动量理论的桨叶快速设计方法进行修正,提出一种耦合CFD修正的对转涵道风扇桨叶高效设计方法。通过CFD计算与修正设计的不断迭代,可使设计结果收敛至CFD计算结果,得到满足设计要求的桨叶。结果表明：MRF方法对对转涵风扇性能的求解精度不足,需采用非定常CFD方法。而通过CFD计算结果修正桨叶的拉力占比、入流角及叶素气动力后,对转涵道风扇总拉力设计精度提高10.4%,扭矩设计精度提高18.2%。文中提出的高效设计方法只需进行少量的CFD计算修正便能较好地满足设计要求,进行加速处理后,设计效率进一步提高25%。     

两级对转风扇非定常特性分析

为研究两级对转风扇的非定常特性,对该风扇进行了设计转速下的定常和非定常数值模拟。结果表明:非定常得到的压气机裕度(15.3%)比定常(14.5%)的更高,主要原因在于近失速时,上游尾迹和泄漏流能改善叶尖吸力面分离;非失速工况时,上游尾迹和泄漏流与下游泄漏流、激波之间复杂的非线性作用会引起熵增,从而导致叶尖流动损失的增加;此外,所有工况下,上游尾迹对叶片根部角区分离都起到了抑制作用,降低了损失。     

基于经验模型的对转风扇噪声预测分析

以CF6-80C2发动机风扇和自行设计的CRTF对转风扇为对象,对比分析了Heidmann模型、K-J-G模型和H-W模型对两种风扇噪声预测精度,模拟计算了飞机起飞过程中对转风扇和传统风扇的远场噪声水平。研究分析得出Heidmann模型和K-J-G模型预测CF6-80C2发动机风扇噪声数值和趋势接近,H-W模型与上述两种模型的结果在高频部分相差2~5 dB;对转风扇噪声级频谱与传统风扇在趋势上比较接近;结果表明,性能参数相似的传统风扇和对转风扇的噪声水平比较接近,对转风扇在降噪方面相对于传统风扇并没有明显优势。     

某高负荷跨声双级风扇气动设计与数值模拟

介绍了某变循环发动机的高负荷跨声双级风扇的设计过程和设计结果,详细讨论了设计过程中关键参数的选取,采用基于Szm流面的流线曲率方法和任意叶片造型方法进行了通流设计和叶片造型.为了提高风扇的效率和失速裕度,转子和静子的设计采用了掠形技术.三维数值模拟结果表明,双级风扇的性能参数除绝热效率外,均达到了设计指标的要求,并且在...     

一种对转压气机气动设计方法及其验证

结合附面层抽吸技术提出了一种高负荷对转压气机气动设计方法.在高负荷设计前提下,为避免在转动部件中进行附面层抽吸所带来的诸如强度等问题,利用基于动叶出口轴向速度提升的低反动度压气机气动设计原理,提升动叶出口轴向速度以确保动叶效率,附面层抽吸只在静叶中进行.利用该对转压气机气动设计方法,进行了一对转压气机气动设计验证.三维黏性数值模拟结果表明,在第一列转子与第二列转子叶尖切线速度分别为370m/s与350m/s的前提下,实现了总压比为5.85,效率为88%的两级对转压气机气动设计.     

对转涡轮研究的回顾与展望

概述了国外对转涡轮技术的发展状况,详细介绍了中国科学院工程热物理研究所近年来对对转涡轮研究的情况。研究表明:1 1/2对转涡轮所面对的挑战是前所未有的,而1 3/2对转涡轮是战胜这种挑战的有效途径;加OGV是扩展1 1/2对转涡轮应用范围的有效措施。同时,列举了对转涡轮所面临的基础问题。     

某高负荷前掠双级风扇设计与掠形机理研究

介绍了某高负荷双级前掠风扇的设计方法和设计结果.为改善风扇性能, 采用了转子叶尖和静子叶根适度前掠的设计方法.在此设计基础上对前掠和后掠两个单级的三维数值解进行对比研究, 认为前掠、后掠所得风扇效率的差别很小, 转子通道在三维相对运动中不存在旋向相反的流动形态;前掠明显提高失速裕度的主要原因是转子通道激波曲面按其自身结构的需要而展向发展, 它的展向构形和流向平衡位置不完全随叶片前缘形状改变, 因此前掠增大了激波与前缘的相对距离.      

高负荷风扇气动设计——转子叶尖参数选取分析

利用叶尖基元模型计算分析了高负荷风扇转子叶尖的关键气动设计参数,重点考察了进口轴向马赫数、激波前马赫数在不同切线速度下对基元等熵效率和总压比的影响.在Schreiber的跨声叶栅试验结果的基础上,拟合了正激波损失占基元整体损失的比例关系,用于修正模型计算得到的结果.用修正后的基元等熵效率为约束,进一步分析了转子叶尖激波前马赫数的限制值,得到了相应的叶尖基元可用总压比.完善并提供了一种简单估算高负荷跨声风扇转子叶尖性能的方法,用于指导实际工程设计.     

Aerodynamic design of three-stage vaneless counter-rotating turbine

An aerodynamic design criterion was discussed for the 1+3/2 counter-rotating turbine by analyzing the velocity triangles. There are 8 key aerodynamic parameters in the criterion, based on the consideration of aerodynamic efficiency and some strength requirements. Then, an aerodynamic design for the 1+3/2 counter-rotating turbine was made according to the criterion, and a three-dimensional simulation was conducted for it. Finally, the conclusions were obtained. The criterion containing 8 key aerodynamic parameters is verified rationally and the efficiency of the turbine reaches 91%. The aerodynamic characteristics of 1+3/2 counter-rotating turbine are mainly decided by the load coefficient, and due to an optimal power distribution coefficient of the low pressure turbine, the efficiency of the low pressure turbine can be best.     

风扇与轴流离心压气机一体化通流设计方法

在叶轮机设计的流线曲率法反问题中,统一了基于圆柱坐标系下流面角γ,λ的和流线准法线上流面角的两种叶片力分解方法,得到了适合于轴流、斜流和离心压气机的动量主控方程.提出一种双涵道叶轮机的一体化通流反问题方法,采用分流机匣变位或者涵道比变化这两种自动调整措施.将流线曲率法应用于双涵道叶轮机加以组合压气机的一体化通流设计.设计了某双涵道、双转子、轴流离心组合的压缩系统,用计算流体动力学(CFD)方法检验了可行性和适应性.讨论了轴向速度比的物理意义及在通道自动调整的轴流级通流设计中的应用,给出相应设计算例.      

大涵道比风扇叶片气动优化设计

应用自动优化方法进行大涵道比风扇叶片三维气动设计,数值最优化采用遗传算法,并利用网络通讯协议实现多CPU并行优化,大幅度缩短优化耗时.对风扇叶片型面、叶片积叠线、子午面流道、叶型安装角和叶型弦长采用基于修改量的参数化方法、结合遗传算法设计参数范围限制,以达到优化过程生成个体的可控制、合理性.采用Denton黏性体积力方法进行流场计算,较大程度减少流场计算耗时,进一步缩短优化时间.以提高设计点风扇效率、保持设计点总压比和流量不变为优化目标,并对非设计点性能进行全工况校核.通过两次不同设计参数设置的优化,最终优化风扇效率由09463提高到09560;稳定裕度由112%增加到219%.最终优化风扇叶尖处激波前马赫数略有下降,且激波向通道内倾斜,因此激波及激波造成的附面层损失下降,且稳定裕度增加.      

某高负荷子午加速风机气动设计与数值模拟

兼顾民用风机的气动性能与制造成本,采用三种方案(等厚度串列静子方案、叶型串列静子方案和等厚度单排静子方案)对某高负荷子午加速风机进行了气动设计和数值模拟研究.结果表明采用叶型叶片与等厚度叶片相比对风机气动性能的改善很小,近设计点时叶型串列静子方案的压比和效率仅比等厚度串列静子方案高0.18%和0.8%.串列静子抑制了单排静子通道内的角区分离,减小了通道内的堵塞,使等厚度串列静子方案的失速裕度比等厚度单排静子方案提高了11%.综合考虑气动性能与制造成本选定等厚度串列静子方案为风机的最终方案,其不同转速的特性表明该方案的性能完全满足设计指标的要求.      

风扇/压气机气动设计技术发展趋势——用于大型客机的大涵道比涡扇发动机

分析了大型客机使用的当代先进大涵道比涡扇发动机及其下一代的风扇/压气机气动设计技术的现状和发展趋势,探讨了我国研制高性能大涵道比涡扇发动机在风扇/压气机方面所面临的严峻挑战,以及为了满足我国研制大涵道比涡扇发动机的需求,需要在风扇/压气机气动研究方面尽快展开的一些关键研究.      

大涵道比发动机多级低压涡轮气动设计

基于大涵道比航空发动机多级低压涡轮设计研究,分析了大涵道比发动机多级低压涡轮气动设计特点和主要设计参数的设计选取原则以及发展趋势,研究了过渡流道设计参数的选取标准、过渡流道优化设计方法以及对多级低压涡轮子午流道设计与功率分配方法,综合分析了多级低压涡轮功率分配需要考虑的各项因素,并探讨了高升力涡轮叶型设计方法。研究表明:过渡流道方案设计可以采用长高比及当量扩张角作为初步选取标准;多级低压涡轮功率分配要综合考虑不同工况性能及气动设计参数;完成设计的大转折角后加载叶型能够有效地控制涡轮叶栅内的流动损失。     

基于并行多目标遗传算法大涵道分开式排气系统气动优化设计

通过引入快速非支配排序算法、拥挤距离以及拥挤距离比较算子等对基本遗传算法进行改进,并结合massage passing interface(MPI)并行编程技术,发展了主从式并行多目标遗传算法(PMGA).将PMGA与排气系统型面参数化设计方法、Navier-Stokes方程求解器相结合建立了分开式排气系统气动优化设计平台.应用该平台对某型分开式排气系统进行了多目标优化设计,得到了一组在三个目标上都优于初始设计的Pareto最优设计.将典型的Pareto最优设计和初始设计进行分析、比较,证明了该气动优化设计平台的高效性和可靠性.      

两个设计点的螺旋桨气动性能

结合某垂直起降无人机对螺旋桨的总体设计要求,分析了同时满足两个设计点的螺旋桨设计难点,完成了对所设计螺旋桨性能要求的验证,探究了两个设计点对螺旋桨设计性能的影响及影响因素,获得对设计的指导性结论.通过CFX软件进行悬停和巡航状态下的数值计算,并与其车载试验结果进行对比,结果表明:设计螺旋桨可满足设计要求,且数值模拟与车载试验结果基本吻合,误差不超过11%.将设计螺旋桨与单个设计点的旋翼或巡航螺旋桨进行对比,分析影响因素,发现两个设计点将会降低螺旋桨在每个单独设计点的工作性能,且通过减小起飞总质量和巡航速度、增加动力系统个数和功率来缩小设计点间差异可降低设计难度和性能损失.      

兼顾两种模式核心机驱动风扇级气动优化设计

提出兼顾两种模式核心机驱动风扇级气动设计方法。将S2流面通流计算与遗传算法相结合,寻找最优进口导叶（IGV）出口气流角、关闭角度、单双外涵压比沿叶高分布;实现在转子气动设计时兼顾两种模式。根据IGV基础叶型弯度、安装角对单双外涵流动损失影响研究,确定可调IGV关键参数,实现在IGV气动设计时兼顾两种模式。采用多点优化进行静子叶型优化设计,实现在静子气动设计时兼顾两种模式。对所设计的核心机驱动风扇级进行三维流场计算,结果表明:两种模式在满足总压比和质量流量前提下,单、双外涵模式等熵效率分别达到88.05%和87.17%,且稳定裕度分别达到15.65%和16.28%。