高负荷跨声速压气机流场结构分析

为研究某压气机内部流场结构,采用全流道非定常数值模拟方法,对跨声速压气机最高效率点和近失速点流场进行求解,重点分析近失速工况下压气机内部流场结构.研究表明:在近失速工况下,动叶槽道激波前推与前缘脱体激波融合为一道激波,强度增强;动叶20%叶高处激波前推最为严重,引起动叶吸力面附面层严重分离;静叶根部受上游动叶尾迹影响形成大范围的分离区,并有空间环涡结构形成.     

对转压气机三维掠动叶优化设计

为探索三维掠动叶降低对转压气机二次流损失的潜力,进一步提高对转压气机气动性能,基于近似函数与遗传算法,针对某对转压气机双排转子在整机环境下进行三维掠动叶优化设计,并对优化前后流场进行对比分析。优化成功的得到了双排“S”形掠动叶,结果表明:三维掠动叶有效改善了双排动叶吸力面径向二次流,减小了吸力面低速区,提高了对转压气机性能,优化工况点整机效率提高0.6%,全工况范围内效率均有所提高;三维掠动叶提高对转压气机效率的根本原因是其对径向负荷分配的重新调整,将叶展下方流动较差区域负荷移至叶展上方,改善流场的同时保证对转压气机负荷不变。      

超临界二氧化碳离心压气机设计和气动性能研究

针对150 kW超临界二氧化碳(SCO₂)简单布雷顿循环,设计了转速为60 000 r/min的离心压气机。由于SCO₂在临界点附近物性的剧烈变化,物性表的精度直接影响SCO₂压气机气动性能数值预测的稳定性和准确性。验证了400×400精度的SCO₂物性表能够获得可靠的SCO₂离心压气机气动性能。采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和k-ε湍流模型的方法,研究了所设计的SCO₂离心压气机设计工况和变工况气动性能,详细分析了离心叶轮间隙泄漏流动特性。结果表明:所设计的SCO₂离心压气机设计工况考虑间隙泄漏损失的气动效率是73.2%,压比是2.207。SCO₂离心压气机具有优良的变工况气动性能。与不考虑离心叶轮间隙泄漏损失相比,SCO₂离心压气机气动效率降低了14.0%。离心叶轮叶顶间隙泄漏流动主要分为3个区域,分别是顺流而下的分离涡区域、叶...     

某型发动机压气机叶-盘结构优化分析

为快速提高后续批次发动机推重比,针对压气机转子叶-盘-鼓基本结构单元,基于通用有限元软件优化设计平台和循环对称结构静应力分析方法,在不改变叶片气动外形、盘鼓连接半径等强约束条件下,通过合理预设需优化位置的形状和尺寸设计变量,建立从榫头-榫槽连接式叶盘结构到整体叶盘结构的两步优化方法,缩减了优化迭代过程中结构静应力计算用的三维有限元模型规模,提高了优化效率。运用该法对某发动机高压压气机第三级叶盘结构进行优化设计,将最大转速下叶、盘、鼓的离心和气动载荷施加到优化迭代过程中、结构静应力计算用的有限元模型上,同时设置既可线性求解又能计入接触面上真实应力状态的叶、盘、鼓间的接触,贴合承载和接触实际。采用一阶方法进行优化求解,得到满足约束条件的尺寸设计变量解。对比分析优化前后结构的应力分布,证实该法有效,在保证结构可靠性的前提下,获得了较好减重效果。     

某型航空发动机压气机叶片气动负荷的近似计算

以某型航空发动机压气机四、五、六级动叶为研究对象，在缺乏叶片扭向设计参数的情况下，根据发动机在地面标准大气条件、设计转速下计算所得的气流参数——压力、温度和速度，应用压气机增压过程中的能量转换关系及级压缩功的表达式，并考虑到动叶受力远大于静叶受力、动叶故障率远大于静叶故障率的事实，近似计算了发动机设计转速下四、五、六级动叶的气动负荷随叶高的变化，从而找到了一种叶片气动负荷的近似计算方法，并为叶片强度校核及振动分析打下了基础。     

压气机叶顶间隙变化规律及对气动性能的影响

以大涵道比涡扇发动机系列的十级高压压气机为研究对象,在压气机部件、核心机及整机平台上详细开展了压气机叶顶间隙变化规律及其对气动性能影响的试验研究,同时结合叶顶间隙对跨音级、高亚音级和低亚音级的仿真验证,得到了压气机不同级对叶顶间隙的性能敏感区,进而揭示了叶顶间隙影响多级压气机整机性能的机理。结果表明:不同尺寸的压气机叶顶间隙变化规律具有一致性,经验证主要和离心力及温度场相关。间隙增大后压气机设计转速下的流量压比特性和流量效率特性均整体下降,尤其后面级间隙对气动性能有显著影响。随着叶顶间隙的增大,压气机的跨音级因叶展较高叶顶间隙与叶展比较小,未出现效率突降的情况,但是后面亚音级做功能力明显降低,间隙影响主要集中在后面级即亚音级,使得压气机典型工况的效率和裕度均有所下降。     

轮廓度加工超差对压气机气动性能影响的数值研究

在压气机叶片加工过程中,轮廓度较难保证,极易出现加工超差,对压气机的气动性能产生影响。以单级轴流压气机为例,通过数值计算研究了轮廓度加工超差对压气机气动性能和局部流场的影响规律。结果表明,动叶尖部轮廓度超差对压气机等熵效率的影响最为显著,而动叶根部轮廓度超差对压气机总压比的影响最大。进一步的敏感性分析指出,轮廓度的变化与轴流压气机的总性能参数呈现负相关特性,并且,随着叶片轮廓度的增大,进口负攻角逐渐增大,流动损失增加。     

轴流压气机进口总压畸变的端区流动响应数值研究

为了探究进口周向总压畸变对压气机性能的影响,以及不同畸变角下压气机端区流场对畸变响应的区别,对跨声速轴流压气机一级动静叶进行全周非定常数值模拟,分别采用均匀来流,畸变角为30°、90°和120°的畸变来流这4种进口条件。进口畸变使压气机的性能明显恶化,并且随着畸变角的增大恶化加剧。畸变角为120°时,随着动叶扫过畸变区,动叶叶顶区域激波的结构和强度发生改变,叶顶间隙泄漏涡的轨迹和强度也发生周期性变化。畸变也会对下游静叶流动产生影响,使静叶叶顶和角区分离加重。当畸变角为90°时,所影响的动叶流道数减少但流场对畸变的响应规律没变。当畸变角减小到30°时,畸变经过动叶完全衰减,静叶流场几乎不受影响。研究结果揭示了压气机性能改变和叶顶、叶根端区流动结构动态特征与畸变来流间的关系,可为提高压气机抗畸变能力提供理论基础。     

基于四象限法的跨声速压气机非设计点损失分析

基于流线曲率法发展了一种适用于跨声速压气机性能预测的高精度模型,对最小损失攻角及非设计点损失预测模型进行了修正.提出了一种非设计点损失分析方法——四象限法,结合该方法对跨声速压气机的损失构成进行了重新定义,对不同工况的损失特点开展了深入分析,在一定程度上揭示了跨声速压气机的损失分布和增长规律.采用新发展的模型对某高负荷跨声速转子进行了详细的计算,并与实验数据进行对比.结果表明,发展的性能预测模型和损失分析方法能够较为可靠地预测全流量工况下跨声速转子的总体性能与气动参数沿展向的分布,为跨声速压气机的特性预测提供了新的思路,具有较强的借鉴意义和工程实用价值.     

平面跨音速叶栅的优化设计

根据最优化理论建立了平面跨音速叶栅优化计算的数学模型，以跨音叶栅气动正问题的求解为基础，以叶栅损失系数ξ为目标函数，并考虑适当的约束条件，应用最优化方法，通过反复搜索，自动给出在一定条件下性能最佳的叶栅。从两种叶栅的优化设计的结果表明：优化后叶栅流场的特性得到了明显地改善，损失下降，将优化计算在叶轮机械设计领域内的应用向前推进了一步。     

沿流向放样的轴流压气机叶道设计方法

针对高负荷压气机角区流动质量差、流动损失显著的问题，以NASA Rotor37为研究对象，提出了一种轴流压气机叶道几何定义与参数化建模新方法，实现了叶片、角区和端壁结构的协同设计及叶片到端壁的高阶光滑过渡，在此基础上，开展了前缘边条和叶身融合对压气机转子气动性能和内部流场影响的数值研究。结果表明，针对NASA Rotor37流道，采用该叶道设计方法对压气机转子角区改型后：绝热效率提高了0.3%,喘振裕度由11.85%增加至18.8%;下凹端壁可以帮助稳定压气机转子通流能力并减少改型过程的流量漂移；叶身融合结构在叶根处提供径向向上的压力梯度，将低能流体从叶片角区吹向主流区以减少角区流动损失，而近叶根处主流区流动损失略有增加。研究成果对发展轴流压气机先进设计方法应具有参考价值。     

非均匀栅距对压气机转子-静子气动干涉噪声的影响

根据Lighthill气动声学理论,推导出非均匀栅距结构下压气机转子-静子气动干涉噪声频谱公式。研究的叶栅结构为带进口导叶的单级三排叶栅,其中动叶栅距不变,而导叶和静叶栅距均采用非均匀栅距。计算了各种叶栅结构下转子-静子气动干涉噪声的大小。对不同叶栅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下,在保证压气机级气动性能变化不大的同时,转子-静子干涉噪声能够得到降低。     

离散伴随气动优化设计方法的紊流扩展

将离散伴随气动优化设计方法扩展到紊流环境,编程实现了相应的二维离散伴随场求解器;通过组合参数化技术、网格生成技术、流场求解器、离散伴随场求解器及优化算法,建立了透平叶栅气动优化设计平台。基于该设计平台,在紊流环境下以叶栅进出口熵增为优化目标,对某二维跨声速叶栅型线进行了气动优化设计,通过施加质量流量约束来限制优化过程中叶栅通道内质量流率的波动幅度。优化结果表明:优化后熵增降低了17.7%,验证了所开发的紊流环境离散伴随场求解器的正确性和有效性。     

车载燃料电池低比转速离心压气机设计

设计了普通高速(20 000 r·min-1)电机驱动的车载燃料电池低比转速离心压气机.总结了压气机设计特点,并利用三维数值模拟计算(CFD)技术初步研究了压气机叶轮内部流场,得到了相应的特性曲线与主要气动参数分布.根据数值模拟分析,所设计的车载燃料电池低比转速离心压气机具有较高的效率和较宽广且平坦的工作特性,叶轮在设计转速下最高效率达83%, 最高压比达1.6, 流量范围在 0.05～0.20 kg·s-1.所设计的低比转速离心压气机,能满足车载燃料电池空气系统对于压气机的要求,同时避免了采用高比转速离心压气机所需的超高速电机所带来的问题.     

动态入流条件下的串列叶栅流场的研究

在航空发动机轴流压气机流动通道中为提高流场品质在高低压转子之间常会引入串列叶栅结构,叶栅上游叶片的转动会引起串列叶栅流场的动态入流（非定常入流）效应。动态入流会造成流场强烈脉动,影响串列叶栅的性能,研究动态入流串列叶栅流场的特性具有重要的工程意义。为了研究压气机串列叶栅在动态入流条件下的流场运动特性,本文选取了三个不同转子频率,运用UDF（User-Defined Function）实现进口马赫数随着时间正弦变化,进行压气机串列叶栅流场的数值模拟。结果表明动态入流下的串列叶栅流场比恒定来流的串列叶栅流场分离现象更加严重,叶栅流场的流通能力降低,入流频率越低流通能力越差。     

300 MW汽轮机中压缸多级叶片气动设计与分析

为了改进某汽轮机中压缸的气动性能,对其前3级的直静叶设计提出反扭或弯扭等多种改型方案,并运用计算流体力学（CFD）方法对原方案和改型方案的内部流场进行了数值模拟．根据计算结果分析了不同方案下的级内流动特性和气流参数变化,给出了各方案下的多级效率．计算结果表明,静叶扭转减小了动叶的相对进气角,从而使多级效率有所提高．静叶的弯曲改型对多级效率的影响不明显,但能改善叶间流场的分布形态．     

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。     

基于混合数值方法的压气机离散噪声计算及分析

为快速估算轴流压气机离散噪声的远场声压级,采用计算流体力学(CFD)方法,对带有出口导流叶片的单级压气机进行非定常内流场数值研究,根据流场结果分析了压气机离散单音产生的位置和机理;在压气机瞬态CFD数据的基础上,运用计算航空声学(CAA)方法结合有限元/无限元技术对两个工况下的压气机噪声进行数值模拟,分析了近场/远场压气机离散噪声的辐射特性,并将模拟结果与实验值进行对比验证。数值模拟结果表明:混合数值计算方法计算结果与实验值基本相符合,可以用于压气机离散噪音的快速评估。     

多级跨声速轴流压气机几何参数化造型方法及增压特性分析

为发展高性能多级跨声速压气机先进设计体系，提出了压气机多圆弧叶型、多圆弧厚度分布叶型及修正NACA 6-系列叶型造型方法，利用NASA/GE研发的高效节能发动机E³高压压气机前6.5级的准三维设计数据，建立了相应的压气机三维几何参数化模型，并通过数值模拟研究了造型压气机在多个转速下的内部流动及增压特性。结果表明：在100%设计转速近最高效率点处，造型压气机的质量流量与设计目标及与原型压气机试验结果的误差分别为0.4%和0.6%,绝热效率的误差分别为1.9%和0.9%;造型压气机模拟及原型压气机试验所得总压比均低于设计目标；前排跨声转子叶片气动负荷过大导致激波脱体严重是压气机的主要设计不足，改善叶片气动负荷分布、缓解叶片溢流是提升压气机气动性能尤其是设计点总压比的有效方法。研究成果对开展多级跨声速压气机设计优化具有参考价值。     

展弦比对某跨音速风扇性能影响的数值研究(英文)

使用数值模拟方法,对比研究了三个采用不同大小动叶展弦比设计得到的高负荷跨音速风扇的性能.设计方案选择的动叶展弦比分别为0.937,0.871,0.804.计算结果表明,动叶展弦比大小对风扇性能影响显著.采用较大展弦比设计的风扇具有更宽广的流量范围,但是最高效率点偏低,而且总压比范围较小.通过流场分析揭示了转子展弦比的变化会影响到气动负荷在叶展方向的分布规律.使用较大展弦比设计时,动叶顶部激波损失增加,通流能力下降.