航空发动机风扇/压气机技术发展的若干问题与思考

未来10~20年我国航空发动机科技将迎来千载难逢的发展机遇,必须做好充分准备。以航空发动机核心部件--风扇/压气机气动领域为重点,首先,从设计方法、理论、设计性能指标发展以及气动力学仍存在的疑问角度出发,梳理了其国际发展态势;随后,针对基础研究、创新能力等方面,阐述国内发展现状与存在的问题;最后,分析给出关于风扇/压气机后续发展的方向、思路和重点,力求为我国军民航空发动机风扇/压气机的技术研制思路提供参考。     

高负荷风扇级的特性实验与流场分析

为了探索高负荷风扇级的流场特性,积累这方面的设计经验,在压比和效率特性之外,还分别利用三孔针和总压耙对所实验风扇级的出口有关参数进行了测量。同时,为了辅助分析问题,借助了CFD研究了转静根部的匹配问题。对根部区域的实验和计算现象进行了重点讨论,并指出了不足和进一步改进的方向。     

对旋风机对旋叶轮级间流场的实验研究

采用实验方法对对旋风机对旋叶轮级间流场进行了研究。在改变级间间隙和前后级转速的情况下,采用五孔探针对级间压力场和速度场进行了了测量,并对结果进行了分析。研究表明:前后级动叶加功量的分配在对旋风机的气动设计中占有很重要的地位,这种分配可以通过转速的匹配来实现;在气动设计中,应增加对旋叶轮级间间隙的控制设计。      

前、后排叶片相对位置对串列转子性能的影响

在折合叶尖切线速度381m/s条件下,利用跨声串列转子技术实现了总压比2.25,负荷系数高达0.55的风扇转子设计。基于数值模拟结果,分析了串列转子前、后排叶片周向和轴向几何相对位置的变化对各自其整体性能的影响及原因。研究结果表明:前、后排几何相对位置的变化改变了后排叶片堵塞系数及其进、出的轴向速度和气流角,因而改变了速度三角形,导致了串列转子整体及各排叶片速度三角形及特性的变化;对于前、后排叶片最佳几何相对位置的选择,当后排叶片在前排叶片弦向上有0.1～0.15倍弦长的重叠时、后排叶片在周向上较为靠近前排叶片压力面时,串列转子能够获得较高的气动性能。     

吸附式风扇/压气机叶型自动优化设计

在无吸气叶型优化设计平台的基础上,对叶栅流场计算程序中吸气位置处边界条件进行处理,建立了吸附式风扇/压气机叶型优化设计平台.应用该优化设计平台对某高亚声速叶型进行了优化,优化过程中叶型参数化采用初始叶型叠加修改量方法,除将叶型参数化中的叶型控制参数作为设计变量外,吸气位置也作为设计变量,吸气系数为0.01且保持不变.NUMECA计算结果表明:优化叶型的总压损失系数为0.0195,扩散因子为0.676;与优化前相比,优化后总压损失系数减小了54％,扩散因子保持不变.该优化叶型压力面尾部出现拐点,拐点前流动加速减压,缺点是减小了叶型尾部负荷,但也抑制了流动分离,减少了损失.     

Computational study of wing deformation and sting interference effects with the CAE-AVM test case

A modern transonic computational fluid dynamics test case is described in this paper, which is the Aerodynamic Validation Model (AVM) from the Chinese Aeronautical Establishment (CAE). The CAE-AVM is a representation of a modern transonic business jet aircraft with a design Mach number of 0.85. Numerical simulations for the AVM are conducted for two geometries: one baseline geometry, and one geometry that includes the applied model support system of the wind tunnel as well as the deformed wing shape that occurred during wind tunnel testing. The combined influence of wing deformation and model support interference on local and integral aerodynamic features is presented. Comparisons between CFD and experimental results are made; reasons of discrepancy between results from considered cases are analyzed.     

BVF诊断在非定常转静匹配中的应用

对一台高负荷跨声速单级风扇进行了非定常数值模拟.并将BVF(boundary vorticity flux, 边界涡量流)诊断方法应用于非定常条件下的转静干涉研究中.结果表明BVF不仅能够清晰地捕捉到转静干涉对流场的影响, 指出转子叶排的尾迹干扰是引发下游叶排通道流场非定常特性的最主要因素, 还能够根据叶片表面出现的一些细节, 结合静压、熵等分析方法, 找出动叶的叶尖和静叶的叶根在转静匹配中存在的问题.表明BVF诊断方法能够反映出转静匹配的状态好坏, 并指出改进设计的方向, 是一种能够有效找出对流场产生负面影响的根源, 并指出削弱甚至消除这些负面影响办法的新型诊断方法.      

外物损伤对风扇／压气机叶片高循环疲劳性能影响的研究

对外物损伤(FOD)对航空发动机风扇/压气机叶片高循环疲劳(HCF)性能影响的国内外研究进行了综述和分析,介绍了美、英等国通过实施涡轮发动机HCF研究计划在FOD对叶片HCF性能的影响研究方面所取得的进展和成果,总结了中国近年来对FOD问题的研究内容,指出了中国该项技术研究的不足和差距,并对需要进一步深入研究的关键技术问题提出了建议。     

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,对跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。     

高空低雷诺数风扇/增压级气动设计

为发展一型适用于高空低雷诺数流动的风扇/增压级部件,解决高空长航时无人机动力对部件的技术需求,针对高空低雷诺数下的风扇/增压级进行了气动设计,设计过程包含了一维热力计算、S2通流设计、叶片造型设计和三维数值计算分析。经过多轮设计迭代后,得到了适用于高空低雷诺数条件下的最优叶型。三维数值计算结果表明:风扇/增压级的内、外涵性能都达到了设计指标的要求,且在高空低雷诺数下有较高的稳定裕度。与现有发动机风扇部件性能进行对比得出:新设计的风扇/增压级具有较好的高空工作能力,可以满足总体对风扇/增压级的性能需求。