多级轴流压气机的径向掺混

 随着压气机向着更高的级负荷和更低的展弦比方向发展,径向掺混问题在气动分析和气动设计中越来越重要,当前对决定径向掺混的主要因素众说不一。本文用严格的理论,得到了用统一形式表示含二次流和湍流在内的各个径向掺混因素的多级轴流压气机通流基本方程组,并讨论了二维通流流场湍流掺混与实际流场三维剪切结构的关系。基本方程组的数值结果与试验结果以及其它掺混理论结果比较表呀,该方程组能够满意地模拟多级轴流压气机中的径向掺混特性。     

多级轴流压气机彻体力模型——理论方法及简化应用

基于时间推进技术及有限体积法,将彻体力模型与基元叶栅法的思想相结合,提出了一个适用于预测大尺度进气畸变对多级轴流压气机气动性能及稳定性影响的三维数值计算模型。在进气条件轴对称的前提下,利用相应的简化模型重点分析了一台四级轴流压气机在均匀进气及叶尖径向总压畸变进气下的内部流场特征。均匀进气下的模型计算结果与相关试验结果相吻合。叶尖径向总压畸变进气下模型的计算结果表明:径向畸变在压气机流道内会发生显著的径向掺混作用,叶尖径向总压畸变对该压气机稳定性有显著恶化影响,随着畸变强度的增加,压气机稳定边界逐步下降。计算结果支持了该模型用于预测径向进气畸变影响的可能。     

轴流压气机考虑展向掺混的数值计算

为了更加准确地反映压气机内部流场的展向分布特性并提高计算精度,基于流线曲率法发展了1种考虑压气机内部展向掺混作用的计算方法。应用Gallimore-Cumpst y(G-C)掺混模型模拟紊流扩散的作用,在2维Cart er公式基础上引入改善的Rober t s修正模型对落后角进行预估,通过落后角反映二次流的作用,并对3级轴流压气机3S1进行了计算分析和比较。结果表明:不考虑掺混因素时所得计算数据的展向分布情况与实际流场相差较大;只有同时考虑紊流掺混和二次流2种因素,才能得到最优结果。该方法能够较好地模拟轴流压气机的展向掺混作用,得到更加贴近实际的气动参数分布,可为压气机设计和优化提供参考。     

多级轴流压气机湍流和二次流径向掺混的简单统一模型及其应用

本文构造出一套新的统一表示湍流和二次流径向掺混作用的多级轴流压气机子午通流流场的模型方程组。除了掺混系数外,新的方程组没有其它的未知关联项,使得含径向掺混的多级轴流压气机子午通流的计算简单得多,相应计算机程序的计算时间只是无粘计算机时的约1.5倍。新方程组的数值结果与试验结果以及与则Gallimore掺混理论结果比较,表明新方程组的合理性和优越性。新方程组有严格的理论基础,不仅能用于亚音压气机,还可能用于跨音和超音压气机。      

考虑端区黏性和径向掺混的流线曲率通流算法研究

高负荷多级压气机的技术难点之一在于如何快速、完整、准确地获得全工况下叶片前尾缘气动参数分布和整机特性结果,而通流计算凭借速度快、指向性明确的优点,一直是多级压气机设计的核心技术。为了提高通流代码的适用范围和预测精度,推导了统一适用于轴流、斜流、离心压气机的流线曲率方程,引入端区黏性和径向掺混模型,应用Fortran语言针对轴流压气机全新开发了其通流特性计算程序,对NASA Rotor37、Rotor67转叶和GY1-2J压气机进行了计算,计算结果表明:新模型的加入提高了程序的计算精度,初步验证了程序的有效性。并提出提高程序的通用性是今后通流计算的发展方向。     

多级轴流压气机彻体力模型——三维应用

利用基于彻体力模型建立的时间推进三维计算模型,获得了某单级跨声速压气机在周向总压进气畸变下的总体特性及流场分布,并与相关试验数据进行对比,以验证该模型的准确性及可靠性。随后利用该模型详细分析了进口分别存在周向总压进气畸变及对涡旋流畸变下某四级低速轴流压气机内部流场特征。单级跨声速压气机总体特性的计算结果与相关试验数据的相对误差不超过2%,且内部流场参数的分布特征也与试验结果相吻合。四级低速轴流压气机的计算结果反映周向总压进气畸变导致压气机气动性能及稳定性恶化,对涡旋流进气畸变则影响有限。同时揭示了不同形式的进气畸变在多级轴流压气机内部的传递过程,充分说明该模型在进气畸变这类工程问题中的广泛应用前景。      

多级轴流压气机进气畸变模型研究

为研究进气畸变对多级轴流压气机性能以及稳定性的影响,基于彻体力模型理论建立了一个模拟多级轴流压气机进气畸变的三维分析模型CSAC,并采用实验与CFD相结合的方法进行了验证。利用CSAC模型模拟了周向总压畸变对四级低速轴流压气机性能的影响。结果表明:均匀进气下CSAC与CFD计算特性最大误差不超过1.5%;进口总压畸变传递到第三级时畸变度衰减为0;在低压区的转子出口存在一个高总温畸变区,其强度在向下游传递中逐渐增强,到达第四级时总温最大升高0.4%;高总温影响区域在向下游发展中沿叶片转动方向逐渐扩张,造成压气机性能损失加大,最大总压比下降0.7%。所有结果均显示出CSAC模型是当前分析畸变对压气机性能影响的有力工具。     

轴流压气机通流计算中代理模型的应用

在轴流压气机初始设计阶段,二维通流计算方法可以快速评估压气机的性能,其准确性高度依赖于经验模型的预测精度。当压气机超出经验模型适用范围时会增大模型的预测误差。为提高预测精度,研究了在通流计算中采用代理模型取代传统经验模型的可行性。以双级跨声轴流速压气机的几何参数和气动实验数据作为代理模型的训练样本库,采用敏感性分析方法确定最重要的特征参数作为输入。分别基于支持向量机回归（SVR）和高斯过程回归（GPR）两种监督学习方法构建代理模型,并在模型训练中通过贝叶斯优化算法寻找模型最佳超参组合。将代理模型集成到基于流线曲率法（SLC）的通流程序中,对该压气机特性进行评估,并与传统经验模型计算结果相对比。对比显示,相较于传统经验模型,SVR和GPR两种代理模型分别降低了62.2%与55.2%的总压特性平均预测误差以及48.4%与50.1%的绝热效率特性平均预测误差。对比结果表明,当超出传统经验模型适用范围时,代理模型不失为一种可靠的替代方案。     

多级轴流压气机噪声源特性分析

某型轴流式压气机高压一级转子叶片出现大幅振动,并且振动频率不是转频的整阶次,即叶片非同步振动。对叶片的激励可能来源于气动和非定常流场,就包含了声场。为了研究叶片出现非同步振动时的压气机声场,在压气机机匣内壁上对压气机噪声进行测量。通过分析得知,噪声信号特征频率的出现与叶片非同步振动同时出现,主要影响因素有压气机转速、结构调节状态等参数。     

多级轴流压气机级增压特性监控及其应用

提出了多级轴流式压气机级增压特性监控方法,以判断给定工况下存在流动异常的压气机级.对某涡喷发动机试车数据进行分析,结果表明该方法能够确定发动机转速设定变化时压气机中流动状态发生异常的级.将该方法用于试验发动机放气带开关控制,得到了理想的结果.分析表明:压气机级增压特性监控在喘振边界检测、发动机瞬态过程调节、压气机级一级的流动控制中具有一定应用前景.      

低雷诺数下轴流压气机转子3维流动特性数值模拟

为了探究轴流压气机转子在低雷诺数下的性能及3维流动特性,对跨声速转子压气机Rotor37在地面和高空下的气动性能和内部流场进行了数值模拟.结果表明:在20 km高空下,压气机在近失速点的总压比和绝热效率分别降低了8.0%和5.3%,喘振裕度降低了3.1%;在低雷诺数下,转子吸力面上的流动分离位置会提前掺混且更剧烈,导致分离附面层增加,同时由于吸力面附面层较厚,激波与边界层的作用加强,减小叶表附面层内低能流体向上运动的压力分量,低能流体在离心力的作用下更容易向叶顶附近迁移,这可能是触发转子工作失稳的重要因素;在低雷诺数下,叶片根部吸力面在84%轴向弦长处发生完全分离并形成角涡,在其向叶顶移动的过程中形成脱落涡,角涡和脱落涡面积明显增加,这是引起转子低雷诺数工作效率降低的重要原因之一.     

轴流压气机流道设计方法研究

在航空发动机研制过程中,当选定发动机设计状态并确定出热力循环参数后,就可以通过1维流道尺寸设计来预估发动机尺寸和质量。以轴流压气机为对象,研究了1种新的轴流压气机流道设计方法,并开发了相应的计算机程序(CEFP)。该方法采用\"1维平均中径法\",基于流量连续方程,通过确定压气机各级中径处的气流参数,迭代计算出压气机各级进、出口截面的内外径尺寸及轴向位置,从而确定整台压气机的流道。使用编制的计算机程序对GE公司的E3发动机10级高压压气机进行了模拟计算,其计算结果与原始尺寸数据对比最大误差不超过8%,足以验证该方法的工程实用价值。     

低雷诺数下压气机的二次流旋涡结构

为了探究高空低雷诺数条件下跨声速压气机的流动规律,对NASA Rotor37进行单通道数值模拟,探索其在低雷诺数进气条件下二次流的旋涡结构.研究发现:马蹄涡压力面分支诱发压力面角区诱导涡,壁角涡形成了顺流和逆流的两段式结构,脱落涡由叶根角区发展起来后不断从尾缘脱落,泄漏涡近失速点仅局部破裂不是失稳触发的主要原因.通道中的激波系诱发了吸力面和压力面的两个径向涡,压力面径向涡构成闭合的气泡式分离,吸力面径向涡在叶顶的破碎诱导产生分离涡,触发了低雷诺数下压气机的失稳.流场旋涡结构由马蹄涡、壁角涡、径向涡、泄漏涡、分离涡、脱落涡6个大尺度旋涡以及其他小尺度旋涡组成.      

1种提高多级轴流压气机部分转速性能的扭叶片方法

介绍了1种提高多级轴流压气机部件部分转速性能的方法。该方法以压气机部件试验数据分析为基础,通过估算来确定所需扭转角,在转、静子叶片上实施扭转,解决了级间匹配不合理的问题,实现了提高发动机在过渡态稳定可靠工作的目的,提高了高压压气机中低转速性能。     

跨声速压气机轴承腔封严泄漏影响机理

目前,针对跨声速压气机轴承腔封严泄漏的相关分析尚不充分,泄漏流与主流相互作用的形式尚存在争议。为解决该问题,基于某跨声速压气机与轴承泄漏腔模型,采用3维N-S方程组及k-ω湍流模型,边界条件与试验环境保持一致,对变工况下轴承腔封严泄漏流发展特性及其对压气机性能的影响机理进行了研究,重点分析了一种显著影响压气机主流稳定性的掺混涡结构。结果表明：当封严篦齿泄漏流进入右封严腔时,空腔效应会在篦齿出口区诱发大尺度回流涡,从而对齿端间隙泄漏流起到阻碍作用;当泄漏流量由0.72%进口流量增大至1.9%进口流量时,转子通道激波由约55%弦长位置移动至65%弦长位置。轴承腔泄漏流对压气机转子性能的不利影响主要在于转子通道激波后移以及2股掺混涡的产生。