防冰引气对组合压气机性能影响的数值模拟研究

为了研究防冰引气系统对轴流-离心组合压气机性能、内部流场和级间匹配关系的变化的影响,以带有防冰引气系统的组合压气机为研究对象,在离心压气机离心叶轮约3/4相对弦长位置轮缘处开槽引气,在轴流进口导叶叶片表面开孔喷气,进行3维数值模拟计算,并与不带引气和喷气系统的原始压气机进行对比分析。结果表明：防冰引气会引起组合压气机的性能降低,喘振裕度减小;轴流前2级由于折合转速下降,近工作点效率略有提高,但喘振裕度减小;离心级特性线向小流量方向移动,效率降低,稳定工作范围减小。     

高负荷压气机径向间隙工程优化设计与验证

为减小径向间隙对高负荷压气机气动性能的负面影响,从工程实用角度出发,研究了压气机运转周期内转子叶尖间隙变化规律,对不同间隙对压气机性能的影响进行了对比分析,综合考虑气动性能和结构工程设计,对转子叶尖间隙进行了优化设计。基于可调静叶实际具体结构,研究了可调静叶圆台不同位置处间隙在不同转速下的变化规律,采用全三维数值模拟对不同静叶间隙气动性能进行了对比分析,并开展方案优化设计。将径向间隙优化设计方法应用于高负荷压气机设计中,试验验证表明:该压气机相对于第四代发动机的压气机平均级压比提高了16%,效率提高了1%,三维特性预估准确,验证了压气机转、静子叶片间隙优化设计的合理性和有效性。     

轴流压气机级内污垢沉积影响的数值研究

采用三维数值方法,对具有一定典型性的真实压气机级NASA stage 35进行研究,通过与文献中实验数据的对比,校核了商业CFD计算代码的可靠性,得到的性能曲线与实验数据有较好的一致性;通过对污垢沉积引起的叶片厚度和壁面粗糙度的增加来模拟不同的污垢沉积程度对压气机级性能的影响。结果表明,增加壁面粗糙度将显著降低压气机级等熵效率和总压比,喘点和堵点的流量均有所下降,对稳定工作范围影响不大;增加叶片厚度大幅降低堵点流量而对喘点流量影响较小,使得压气机级的稳定工作范围明显减小;动叶壁面粗糙度的增加相比静叶对级性能的影响明显要大。     

分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响数值仿真

为了研究分流叶片轮缘进口角的变化对离心压气机级性能的影响,以某小型模型级离心压气机为研究对象,利用数值仿真软件对流场进行了全3维模拟,重点分析其内部流场结构的变化。数值仿真结果表明:分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响明显,其角度的增加使离心压气机的压比和效率提高,但会缩小离心压气机的稳定工作范围。     

转子叶尖间隙对高负荷压气机性能影响的数值计算和试验验证

为了研究高负荷压气机转子叶尖间隙对压气机性能的影响，采用数值模拟软件NUMECA对某4级压气机和其中的1个 典型级进行了不同间隙的计算。计算结果表明：当间隙超过叶高的0.52%后，叶尖流场出现堵塞，喘点压比衰减速度开始加剧，直 至5.24%性能衰减速度逐渐减弱；在多级环境中，4级压气机间隙增大叶高的0.5%，喘点压比降低了约0.6%～4.3%，间隙增大的叶 排作功能力降低是压气机喘点总压比降低的主要原因，其中前2级间隙增大对总性能影响较大。同时，通过4级压气机试验验证 了间隙对性能的影响，验证结果表明：间隙增大叶高的0.78%后，4级压气机喘点压比和峰值效率分别降低了1.4%和0.4%，在 65%～88%叶高时的压比和效率的性能衰减较为明显。     

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。     

非均匀栅距对压气机叶片非定常气动力的影响

研究了轴流压气机叶片采用非均匀栅距对叶片非定常力影响的问题,利用高分辨率格式求解准三维雷诺平均N-S方程。非定常流场计算采用了双时间步法与LU-SGS隐式解法耦合的方法。研究了带进口导叶的单级三排叶栅非定常流动,其中动叶栅距不变,而导叶和静叶采用非均匀栅距。对不同结构的计算分析表明,在导叶和静叶采用一定的非均匀栅距组合型式后,在保证压气机级的性能变化不大的同时,动叶表面所受非定常气动力的状况得到改善,这将有助于提高动叶片的疲劳寿命。     

基于动叶污垢沉积的数值模拟

采用三维数值方法研究了污垢沉积对压气机动叶性能的影响.对具有一定典型性的真实压气机动叶NASA Rotor 37进行数值研究,通过与文献中实验数据的对比,校核了商业CFD(computational fluid dynamics)计算代码的可靠性,结果表明计算得到的性能曲线与实验数据有较好的一致性,应用于数值模拟手段是可行的.随后通过增加叶片和端壁的表面粗糙度和厚度来模拟不同的污垢沉积程度对压气机动叶性能的影响,结果表明:增加叶片厚度和表面粗糙度都将引起总压比和等熵效率降低;增加表面粗糙度将导致流量下降,稳定工况范围向小流量方向移动;而增加叶片厚度将使得稳定工况范围明显减小,堵点流量下降较显著,这将导致动叶工作特性恶化程度增大.      

两级轴流压气机流场内流动分离及旋涡运动

对两级扩压叶栅的内部流场开展了详细的数值模拟,同时引入拓扑分析理论,从涡动力学的角度对不同工况下扩压叶栅内的流动分离和旋涡运动进行定性分析。对两级压气机三个不同工况下流场的分析结果表明:相比分离范围的变化,分离形态的变化对压气机性能的影响更显著。当流动向失速点靠近时,对于动叶栅,主要表现为分离范围的不断增加;对于静叶栅,不仅分离范围增加,而且分离形态也发生了变化。在压气机叶栅中,通道涡强度较弱,对整个流场特性不起主要作用,而尾缘涡对压气机性能具有较大影响。     

压气机引气模拟方法及引气结构的数值研究

为研究引气对于压气机设计的影响,以某高压压气机引气级为研究对象,通过对比源项引气模型与构建真实引气结构两种数值仿真方法的差异,并用构建真实引气结构的数值仿真方法分析了不同引气结构对压气机性能和流场的影响。仿真分析结果表明：两种数值仿真方法计算得到的压气机引气级的性能和局部流场均存在较大的差异,在压气机气动设计分析中应该采用构建真实引气结构的数值仿真方法。引气结构和主流道的夹角对主流区域叶尖位置的流场和压气机引气级的性能有较大影响,并且对引气管路内的流动分离程度也有较大影响,当此夹角为45°时,主流区及引气管路内的流动损失均最小。     

双倾斜壁缝式机匣处理对离心压气机性能的影响

采用数值仿真手段研究不同倾斜方向的双倾斜壁缝式机匣处理对离心压气机性能的影响.研究结果表明:合适的机匣处理缝倾角组合有助于合理组织导叶和动叶气流角匹配关系.通过详细分析离心压气机内部流场表明:双倾斜壁缝式机匣处理方案A通过对动叶叶尖泄漏流的抽吸和重新组织,对机匣处理缝后部的低能流体抽吸并吸除,经过背腔在机匣处理缝前部重新注入相邻的叶栅流道,从而在轴向和周向控制了叶尖泄漏流的发展,改善了下游的堵塞情形,大幅度提高了压气机的稳定工作裕度.      

压气机转子叶片叶尖流场的低速模化设计

针对带进口导叶的高速压气机第1级转子叶片的叶尖流场进行了低速模化设计,为后续的低速压气机叶尖流场损失和失速测试试验做了准备.利用叶片造型和数值模拟方法,以保证高、低速压气机转子叶片表面压力系数及叶片排进、出口主要气动参数分布相似为目标,对高速原型压气机进行低速模化设计,包括调整流道形状,对叶型进行反复迭代,并在进口导叶和1级转子叶片的造型设计上突破了几何相似的限制.最后,对高低速压气机的几何、气动参数和流场结构进行了全面的计算对比分析,证明采用所提出的低速模化设计方法是成功的,实现了在流量系数相同的情况下,加工量因子和转子扩压因子分别为98.16%,94.95%的相似度.      

转子叶片加工误差对1.5级跨声速压气机气动性能的影响

压气机叶片加工误差不可避免,将在一定程度上影响压气机的气动性能.为研究叶片加工误差对跨声速压气机气动性能的影响,以燃气轮机进口1.5级跨声速压气机为对象,通过三坐标测量跨声速转子叶片叶型数据,获得了加工误差分布特征;针对实测转子叶片,采用三维CFD数值模拟方法,研究了轮廓度、位置度和扭转角综合误差对压气机转子和级特性线...     

单级低速模拟轴流压气机实验台改进设计

为了使单级低速台能够更好地模拟高压压气机后面级流动,采用导叶+静子+转子+静子+导叶的五排叶片布局,适当提高轮毂比,以及采用3D打印树脂叶片,对常规三排叶片单级低速模拟大尺寸轴流压气机实验台进行了改进设计研究,并与四级重复级低速大尺寸压气机实验台的第三级结果进行了对比。结果表明:改型设计的单级低速大尺寸压气机的设计点效率达到了89.1%,流量裕度达到了32.9%,与四级重复级实验结果基本一致,而且实现了基本相似的级间参数分布,比传统单级实验台更接近高压压气机后面级的典型流动,从而可以利用该实验台成本低和周期短的优势,开展更多更深入的关于高压压气机后面级流动机理和设计方法的实验研究。     

高负荷多级轴流压气机级间引气数值模拟

采用数值模拟的方法,以一台高负荷8级轴流压气机为研究对象,研究了级间引气对压气机总体性能、内部流场和级间匹配特性的影响.结果表明:级间引气可以显著提高压气机的总体性能,引气使得压气机进口流量增加近1%,最高效率提高约1.5%;引气会使引气位置处的压力降低,气流密度减小,从而使得引气位置上游的流量增加,转子最大载荷位置向下游移动,引气位置下游的流量减小,而转子最大负荷位置基本保持不变;引气还会使引气位置上下游各级的工作点位置发生变化,改变压气机的级间匹配特性.同时静子尾部机匣处引气还会使引气位置下游机匣处的附面层厚度减小,改变下游转子的进口条件.      

进口导叶角对叶根失稳压气机流动失稳的影响

以一台航空高速压气机为研究对象,通过加装进口导叶调整压气机进气预旋角,采集失稳过程中的动态压力信号,观察不同导叶角度、流动失稳演化过程。结果表明：在负导叶角情况下,压气机由转子叶尖突尖波引起失稳;在零导叶角及较小的正导叶角情况下,由静子叶根区域的局部喘振诱发失稳;在较大的正导叶角情况下,静子叶根在节流过程中首先出现局部失稳,进一步节流导致叶尖旋转失速团出现,压气机完全失稳。分析认为,导叶角的增加通过降低反力度,调整了转静间的负荷分配,从而引起了失速初始扰动发生上述“转子突尖波-静子局部喘振-静子局部失稳”的转变。     

多级环境下径向总压畸变影响效应的试验评价

为量化评价径向总压畸变对多级轴流压气机气动性能的综合影响效应,将标准畸变模拟网与叶型探针技术相结合,开展了径向总压畸变对压气机性能与稳定性影响的试验研究.试验结果表明:径向总压畸变会轻度恶化压气机总体性能与稳定裕度,轮毂畸变与轮缘畸变对压气机性能的影响程度较为接近,而稳定裕度受轮缘畸变的影响要大于轮毂畸变,最大偏差达2%.两种径向总压畸变在压气机流道内均会迅速径向掺混,气流在强烈掺混过程中也将产生相应的压力损失.径向总压畸变会改变压气机原有级间负荷的分配,使某级的性能得到改善,该物理现象与转子攻角的变化范围相关联.      

变循环发动机性能数值模拟

在常规双轴涡扇发动机性能模拟程序的基础上,添加了模式选择阀门、前可调面积涵道引射器、后可调面积涵道引射器、核心涵道等部件模块,并加入了低压涡轮导向器面积、高压压气机转子叶片角度、风扇转子叶片角度、核心驱动风扇级转子叶片角度等调节变量,编写了双外涵变循环发动机性能数值模拟程序,模拟了一种带核心风扇级的双外涵变循环发动机的高度、速度和节流特性.计算表明:与单外涵模式相比,双外涵模式的单位推力和耗油率低,受飞行条件影响的主要为前涵道比.随着低压转子转速的降低,双外涵模式的总涵道比呈增大的趋势,发动机的耗油率大幅降低.此外,变循环发动机在几何调节参数不变的情况下,对工作条件较敏感,必须特别注意各调节参数与发动机工作条件的匹配.      

轴流离心组合压气机性能及流场分析

以某轴流、离心组合式压气机为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同转速典型工作状态下该压气机的性能和流场细微结构,为进一步提高压气机的压比、效率,扩大压气机的稳定工作裕度,对压气机进口导流叶片和第一级静子叶片安装角进行优化调节,对改进后压气机的典型工况进行了数值模拟,并进行了相应的试验研究。研究结果表明优化后压气机稳定工作范围增大,在90%设计转速和最大压比不变的情况下,最高效率提升1.05%,典型工况下流场结构也有不同程度的改善。