叶片前缘倾掠对离心叶轮气动性能的影响

为了研究叶片前缘倾掠对离心叶轮气动性能及稳定工况范围的影响,在叶片前缘处沿子午面弦长方向进行叶尖前掠、叶尖后掠、叶根前掠、叶根后掠,实现了4种不同的叶片前缘倾掠。研究结果表明,对跨声速离心叶轮,叶尖前掠和叶根前掠可提高叶轮最高等熵效率和压比;叶尖后掠对叶轮等熵效率影响很小,但可降低叶轮压比;叶根后掠使叶轮等熵效率和压比均有所降低。同时,叶尖前掠和叶根后掠可提高其失速裕度,叶尖后掠和叶根前掠则可减小其失速裕度。为了便于比较,还研究了一个亚声速叶轮。研究发现,与跨声速叶轮相比,叶片前缘倾掠对亚声速叶轮的等熵效率和压比影响更小,但对失速裕度的影响和跨声速叶轮相似。对跨声速叶轮,叶尖前掠是提高其等熵效率、压比和失速裕度的一种有效方法。     

基于优化设计方法的超高负荷增压级气动设计

以某常规负荷先进三级增压性能参数为基准,尝试采用一种大弯度低损失叶型,进行超高负荷单级增压气动设计。应用基于遗传算法的优化设计方法,以设计点性能为指标进行转静子三维叶片设计,进一步调整转子叶片积叠线规律以提升稳定工作裕度。数值模拟结果表明:以设计点参数为目标进行优化设计可实现设计点高性能;对此超高载荷转子,叶尖前掠使得转子叶片的载荷后移,叶片前缘载荷降低,可增加转子稳定工作攻角范围,有效提升增压级的裕度;与原始三级设计相比,大弯度设计的单级增压级可达到原设计的压比和稳定裕度,效率明显高于原设计,并且与过渡流道匹配较好,验证了设计方法的可行性。     

低压轴流风扇性能的改善

在轴流叶轮常规准三维设计方法的基础上,采用前缘弯掠技术,运用CFD/CAD方法对空调器轴流风扇进行耦合设计,并且应用三维纳维-斯托克斯方程和Spalart-Allmaras湍流模型分别对国外样机风扇和新风扇进行了数值分析与性能实验.实验测试结果和内流计算结果符合较好,验证了设计方法的可行性和数值计算的有效性.研究结果还表明,采用大前弯角度和前掠角度的新轴流风扇减小了叶道中二次涡的影响范围,主流区域增大,基本消除了前缘分离现象;在气动性能基本保持不变的情况下,风扇噪声可降低0.5～1.3dB(A级声压级).     

跨音速风扇转子叶片前缘再造型优化设计

风扇转子叶片在运行过程中由于冲蚀磨损等作用会发生前缘侵蚀现象,本文以某型大涵道比涡扇发动机钛合金风扇转子叶片为研究对象,开展前缘侵蚀气动特性影响及再造型设计研究,重点分析工作特性曲线及叶尖区域流动特点,叶片前缘采用钝头处理来近似模拟侵蚀对前缘形貌的作用效果,采用NUMECA软件中的FINE/Design 3D模块进行侵蚀前缘再造型优化设计研究。数值计算结果表明,前缘侵蚀会造成风扇转子叶片流量-压比、流量-等熵效率工作特性线整体分别下移0.86%和0.53%,稳定工作裕度下降,叶尖激波结构前移等。经前缘再造型后,风扇转子叶片的气动性能恢复至原始叶片水平。     

叶片前缘后掠对离心压气机性能的影响

设计了两个带楔形扩压器的离心压气机,一个为叶片前缘后掠,另一个为叶片前缘不掠式普通叶轮.分别对这两个离心压气机进行内部流场数值计算,比较了这两种压气机性能的差别 ,分析了前缘后掠对离心压气机的性能及内部二次流的影响.比较了19个扩压器叶片压气机与23个扩压器叶片压气机性能的差别.结果表明,叶片前缘后掠使压气机喘振裕度减小;在叶轮进口附近区域,两种叶轮二次流涡系有一定差别.     

压气机动叶局部掠形对流场和性能的影响

掠叶片技术的应用是改善压气机性能的一种重要方式。以NASA Rotor67跨音速压气机转子为研究对象,研究动叶局部掠形对跨音速压气机转子流场和性能的影响。数值结果表明,动叶局部的前掠和后掠对压气机性能具有不同的影响,前掠会引起等熵效率下降,总压比和失速裕度增大,后掠大幅增大了失速裕度;在近最高效率点工况下,前掠会导致动叶流场的恶化,后掠能缩小流动分离区,改善流场性能。     

撞击位置与风扇转速对鸟撞过程的影响

鸟撞航空发动机风扇叶片严重威胁航空发动机的运行安全.对绿头鸭进行CT扫描,通过光滑粒子流体动力学(SPH)法建立绿头鸭真实鸟模型.将真实鸟模型及传统鸟体简化模型撞击平板仿真结果与Wilbeck真实鸟撞击平板试验结果对比,验证了真实鸟模型的准确性.对比分析了鸟撞静止风扇叶片与鸟撞旋转风扇叶片条件下鸟体及风扇叶片的瞬态冲击响应;选取836 r/min、1 984 r/min、3 344 r/min及3 772 r/min4个典型风扇转速研究了风扇转速对鸟撞过程的影响;分别选取1/6、2/6、3/6、4/6、5/6叶高位置为撞击位置,研究了撞击位置对鸟撞过程的影响.结果表明:叶片旋转对撞击过程中鸟体被切割块数、单个鸟块质量及受冲击叶片数量有直接影响,不考虑叶片旋转条件下的接触力、叶根应力、前缘应力等值明显低于考虑叶片旋转条件,使得对叶片应力及损伤预估偏保守,不利于叶片强度设计,因此在研究鸟撞过程中对叶片旋转运动应予以考虑.836 r/min转速下鸟体与叶片相互作用方式与其他转速有明显区别,836 r/min转速下鸟体动能减小,其他转速下鸟体动能增加,且鸟体动能增量随转速增大而增大;836 r/min转速下前缘应力峰值要大于1 984 r/min转速,其他转速下,前缘应力峰值随转速增加而增大;接触力、叶根应力随转速的增大而增大.随撞击高度的增加,在撞击点相对速度及叶片扭转角共同作用下,接触力、鸟体动能增量、叶根应力峰值、鸟体动能、叶片前缘应力均呈先增大后减小趋势,撞击3/6叶高位置时前缘峰值应力及鸟体动能增量最大,撞击4/6叶高位置时叶根峰值应力及接触力最大.     

灯泡贯流泵水力性能和鱼类通过性能的多目标优化研究

为兼顾泵站运行效率与鱼类通过安全性，结合计算流体动力学、鱼类损伤模型、遗传算法寻优开展多目标优化研究。基于敏感度分析，分别优选了影响贯流泵性能和鱼类存活率的显著因素，采用最优拉丁超立方抽样、Kriging模型、NSGA-Ⅱ算法构建了多目标优化系统，通过分配权重因子得到了效率最优(A)、鱼类存活率最优(C)和两者兼顾(B)的3种寻优方案。结果表明：方案A效率较初设方案提升了5.2%,方案C鱼类存活率较初设方案提升了49.4%;叶片包角、弦高、前伸角是影响水力性能的关键因素，叶片前掠角、前伸角、叶片厚度是影响鱼类存活率的关键因素，且前伸角对两者的作用效果相反；撞击死亡率高度影响鱼类过泵存活率，而撞击概率对此影响较小，可通过加大叶片前缘厚度、增加叶片前掠角、降低前伸角来提升鱼类存活率。该研究成果应可为我国大型泵站群向生态水利方向发展提供参考。     

前掠角对车用轴流式冷却风扇性能的影响

建立了某车用冷却风扇不同前掠角参数化模型,并基于计算流体力学的方法对其流动进行了仿真,研究了不同风扇转速下,前掠角对冷却风扇流动、风量以及阻力矩的影响.在压力分布方面,研究结果表明:随着冷却风扇前掠角的增加,相同的转速下,风扇叶栅入口处,空气的平均压力不断升高,叶栅流道内,相邻叶片间升力面和吸力面间的压力梯度逐渐减小,同一叶片升力面同吸力面间的压差逐渐降低.在速度分布方面,随着前掠角的增加,相同的转速下,风扇叶栅入口处,空气的流速逐渐减小,叶栅流道内,空气速度的增加逐渐减小.在风扇性能方面,随着前掠角的增加,相同的转速下,风扇风量逐渐减小,风扇阻力矩逐渐降低.     

前缘弯掠(扭)斜流转子叶尖脱落涡的PIV研究

应用PIV技术测量了一开式前缘弯掠(扭)斜流转子的叶尖脱落涡的结构及其发展演化趋势,测量结果表明,叶尖脱落涡产生于叶片顶部区域,沿着一条与转子旋转方向相反的斜线向下游发展．叶尖脱落涡的强度随叶轮转速的提高而增强,随背压的提高而减弱,当背压增加到一定程度时,叶尖脱落涡消失．实验结果为前缘弯掠(扭)斜流转子在大型中央空调室外机上的应用和优化设计及其降噪提供重要的内流实验数据．     

轮廓度与扭转角偏差对压气机气动性能的影响

压气机叶片实际加工过程中,会出现叶片轮廓度、扭转角等加工超差,对压气机气动性能产生影响。采用S1流面计算和三维数值计算的方法分别研究了轮廓度及扭转角偏差对亚音速压气机气动性能的影响,计算结果表明:轮廓度增大,叶型最小损失值增大;堵点流量逐渐降低,轮廓度为0. 08 mm时,堵点流量减小了1%;峰值效率逐渐降低,但降低幅度较小。扭转角偏差对性能的影响来自于前缘偏转对进口喉道面积与尾缘偏转对叶片出口气流角的改变;扭转角偏差对叶型最小损失值影响不大,±0. 35°扭转角偏差范围对叶片的低损失攻角范围影响较小;扭转角向前缘打开方向增大,流量-压比特性线向右上方平移;扭转角向前缘关闭方向增大,流量-压比特性线向左下方平移;扭转角偏差0. 35°,最大流量减小了0. 67%;扭转角偏差对峰值效率点的影响微弱。     

前缘脱层对风力机翼型流场和气动性能的影响

为研究前缘磨损对翼型气动性能的影响,以风力机专用翼型S809为研究对象,采用SST k-ω湍流模型进行数值计算,研究不同前缘脱层深度对翼型流场和气动性能的影响.结果表明:前缘脱层改变了翼型形状,使得前缘流动变为台阶流动,造成后缘分离区变大、分离点前移.随着脱层深度和攻角的增大,吸力面前缘回流漩涡和后缘分离区由相互独立状态变为完全融合.同一攻角下,前缘脱层对前缘的压力系数影响较大.攻角小于3°时,前缘脱层对翼型的升、阻力系数影响较小,攻角大于3°后,随着脱层程度的加深,翼型的升力系数逐渐减小,阻力系数逐渐增大.相对于光滑翼型前缘脱层翼型升力损失率最高达55.08%,阻力增长率最大达150.48%.     

气流激励下某向心涡轮的谐振响应和高周疲劳研究

研究某可调向心涡轮转子叶片表面压力波动特性,以及由此产生的叶片谐振和高周疲劳. 结果表明:涡轮叶片前缘发生高周疲劳破坏,与实际破坏的位置相吻合. 导流叶片尾缘吸力面的强激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流是产生压力波动的主要原因,最大压力波动值出现在叶片前缘. 气流压力波动诱发叶片谐振进而产生高周疲劳,振动过程中涡轮各叶片表现出不同的响应特性,同时产生较大动应力,最大应力位于叶片前缘根部.      

非轴对称弯掠静叶对畸变流场影响的数值研究

为探究非轴对称弯掠静叶在压气机中应用的可行性以及弯掠静叶参数对畸变流场的改善效果,以扇形叶栅试验件为研究对象,采用计算数值模拟方法,研究非轴对称弯掠静叶几何参数对畸变流场的影响.在受进口畸变影响较为严重的位置,设置正弯、反弯、前掠、后掠静叶,构成不同非轴对称静叶造型方案,探究其对静叶流场的改善.结果表明:最佳反弯方案Nbow-0.5-10可使流场损失减小2.75%;前掠对于根部损失可起到较好的抑制作用;后掠对根部损失改善效果略逊于前掠,但有利于减小主流区的损失.     

叶轮进口边位置对自吸泵性能的影响分析

为研究自吸泵叶轮气液混合能力对自吸性能的影响,在叶轮原模型基础上,设计了叶片不同进口边位置的5种模型方案.采用VOF多相流模型对不同方案全流域进行三维定常数值计算,研究对自吸性能的影响规律.针对350WFB-1200-50型外混式无密封自吸泵,初始条件设定进水S型弯管中含一定体积的空气段,出口处设置含气率监测点.结果表明:针对中高比转速叶轮,进口边沿后盖板位置向出口前掠,使得叶轮进口边工作时对流体分时加载,可以有效提升叶轮的气液混合能力,从而缩短自吸泵的自吸时间;在一定前掠角度范围内改变进口边位置对自吸泵的扬程和效率影响不大,但是当叶片进口边向出口位置前掠超过一定范围时,会导致自吸泵扬程明显下降;当叶轮进口边前掠10°时,额定工况下自吸时间缩短25％,自吸性能明显得到提高.     

叶尖开孔对风力机流场的影响研究

以NREL Phase VI叶片的1/8缩比模型为研究对象,在叶片叶尖区域设计由前缘到叶尖端面的3个环形通气孔,改变叶尖流场分布.采用CFD的方法,通过转速变化分析叶尖表面的压力分布情况及其叶尖涡的发展过程,进而研究叶尖开孔对风力机叶尖涡的影响.研究结果表明:转速低于900 r/min时,叶尖开孔对叶片气动性能影响不大;而转速高于900 r/min时,叶尖开孔可降低涡核强度,加速叶尖涡耗散,提高叶片气动效率.从环形通气孔中喷射的气流对来流有明显的抑制作用,能够减小尾流区内的轴向速度.在加速叶尖涡的耗散和降低叶尖涡的强度方面,风力机叶尖处开孔在转速超过900 r/min以上时被视为一种比较有效的设计.     

前缘倒角对涡轮轮缘密封性能的影响

研究转子叶片前缘倒角结构对涡轮轮缘密封性能的影响机制,在不同封严流量下,对转子前缘带倒角和不带倒角的轮缘密封装置进行数值模拟。研究结果表明：转子前缘倒角结构通过改变前缘附近压力势场从而对主流燃气入侵和封严出流冷气与主流的干涉产生影响。增加倒角结构有利于减弱主流高温燃气入侵的程度,在低封严流量下,最大可使得涡轮盘腔封严效率提高7%;倒角结构削弱了由封严间隙涡和马蹄涡形成的通道涡强度,降低封严冷气与主流干涉造成的气动损失。当封严流量为主流流量的1.3%时,带倒角装置的涡轮级气动效率增大2.1%。     

尾缘锯齿齿角变化对空调外机轴流风叶声场影响的试验研究

为探索尾缘锯齿齿角变化对空调外机轴流风叶声场的影响,根据《声学声压法测定噪声源声功率和生能量级反射面上方近似自由场的工程法》(GB/T 3767—2016)规定的声压级测量方法,在额定转速下采用传声器阵列对不同角度的尾缘齿角风叶进行时间平均声压级测量,利用波束形成技术探究风叶噪声源分布规律。试验结果表明：随着尾缘齿角的增加时间平均声压级均值非线性减小,尾缘齿角为90°的风叶比尾缘齿角为0°的风叶时间平均声压级均值降低了3.2～5.8 dB;随着声辐射频段的增加声源位置向叶尖方向移动且声源的声压级逐渐降低,同时锯齿齿角越大,声源位置随频率增加移动速度越快,移动距离越大。低频段声源位置随齿角变化较小,高频段声源位置随齿角变化较大。为低速小展弦比轴流风叶的降噪工作提供试验参考。