多级轴流压气机末级静子叶片串列改型方法及流动机理研究

针对多级轴流压气机末级静子叶片转折角大、角区分离严重、流动损失显著的问题,以某工业用6.5级轴流压气机末级静子为主要研究对象,提出了一种三维串列叶片几何参数化建模方法,能够实现对串列参数沿叶高分布规律、叶片弯掠等三维特征的灵活控制,以支持单列叶片向串列叶片的改型设计,并结合数值计算方法,开展了末级串列静子改型设计对压气机气动性能及内部流场的影响研究。结果表明：对6.5级轴流压气机,末级静子叶片由单列改为串列后,6.5级压气机设计工况绝热效率提高了0.965%,稳定工况范围有所拓宽;串列叶片缝隙区射流的流动局部加速作用能够抑制角区分离的周向和径向发展;相比机匣附近,轮毂附近串列参数的变化对压气机气动性能的影响更为显著,且周向交错度较轴向重叠度的影响更大。研究成果对多级环境下压气机三维串列叶片设计具有参考价值。     

轴流压气机可调静子叶片间隙泄漏流数值研究

为了探究轴流压气机前面级可调静子叶片部分间隙泄漏流对压气机性能和流场的影响,通过数值方法模拟某轴流压气机带有可调静子叶片的前面级1.5级流场,并详细分析了部分间隙泄漏流特征。数值仿真结果表明,相较带容腔原型算例,部分间隙使得压气机特性线往左下方偏移,设计点效率降低0.12%,近失速点效率降低1.83%,但喘振裕度提升6.4%;可见受到部分间隙泄漏流影响,静子叶片根部出口气流角明显增加;部分间隙泄漏流可以给吸力面根部角区低能流体充能,降低设计点端壁处的损失,降低近失速点吸力面分离涡的强度,提升喘振裕度;根部部分间隙造成叶片根部做功能力降低,但影响范围控制在5%叶高以内;部分间隙造成静子根部流场发生改变,使得设计工况点静子根部产生一条附着线,并形成闭式分离。     

前缘弯掠轴流转子简化设计及其内流分析

应用环壁边界层理论及其速度分布图形,在不变更常规设计系统下,研究并构造一种前缘动力学弯掠轴流转子新叶片,使用N-S方程数值分析并考察了新叶片内的流动状态和内流机制,它与常规转子的比较结果初步证实了设计方法的可行性．     

多级轴流压气机末级串列静子三维优化设计与分析

为充分挖掘串列叶片对压气机扩稳增效的潜能,在对多级轴流压气机末级静子串列改型的基础上,选取不同叶高处前后排叶片相对位置、负载分配、弯掠特征及端壁轮廓等25个参数为设计变量,开展某工业用6.5级轴流压气机末级串列静子叶片与端壁的一体化优化设计研究,并采用随机森林方法对串列叶片几何参数进行特征重要性分析,提炼出串列参数设计指导。结果表明：优化后压气机末级在设计工况、近喘工况和近堵工况下的绝热效率分别提升4.81%、3.37%和8.195%;对于末级串列静子,最优串列参数随叶高变化而变化;调整前后叶片的弦长比与弯角比以实现串列叶片负荷前加载、调整叶片后掠与反弯以降低叶片端壁处负荷、设置叶中部分更大的周向交错度使缝隙区流体充分加速,均能有效降低末级串列叶片流动损失;串列叶片缝隙区尺寸,尤其是周向交错度,较其他参数对串列叶片性能的影响更为显著。研究成果应对压气机三维串列叶片设计具有参考价值。     

静叶角度联调对多级轴流压气机性能的影响

为研究可调静叶对多级压气机性能的影响,通过数值模拟和试验的方法,研究了静叶角度联调对压气机总性能和级间特性匹配的影响。结果表明：设计转速下,前面级可调叶片角度打开可以使得整台压气机流通能力增加,打开3°,流量增加约5%,效率降低0.5%～0.7%;关闭3°,流量减少约6%,但是效率提升约0.2%。多级轴流压气机角度联调主要改变了前面级的特性线,后面级特性线不发生变化,整机的流量增加,压比提高主要由前面级特性变化导致。随着角度逐渐打开,叶尖、叶中区域激波强度逐渐增强,叶中区域的激波位置由叶片前缘推到更上游位置。     

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.     

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。     

轴流压气机低速模化设计的叶片造型

为了提高航空发动机高压压气机的气动性能,需要对高速压气机进行低速模化设计以开展试验研究.选取高压压气机后面级作为研究对象,给出了高压压气机低速模化设计的相似准则和模化设计流程,为低速模化设计提供了可以借鉴的准则.针对高速原型压气机设计工况点,制定模化设计目标,完成几何变换、通流设计、叶片造型及数值模拟.重点研究了叶片造...     

轴向尺寸限制下的低压轴流风扇自动优化设计

针对空调低压轴流风扇轴向尺寸受限制情况下的自动优化设计问题,基于B样条曲线,采用基元级设计和复合弯掠技术相结合的参数化方法构建轴流风扇三维模型.将轴流风扇叶轮参数化方法、商用数值计算软件ANSYS和第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)耦合.在叶轮轴向尺寸限制下以容积流量和静压效率为目标函数,建立起集参数化建模、网...     

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．     

双定子单转子超声电机转子结构的优化设计

为了避免超声电机工作时,转子也发生振动,以双定子单转子行波型旋转超声电机为研究对象,建立了该电机转子的参数化有限元模型,运用灵敏度分析的方法,分析了转子的模态频率对各个结构参数的灵敏程度。在此基础上,运用有限元软件ANSYS的结构优化分析工具,对转子进行了优化设计。优化后的转子的模态频率远离了电机定子的工作频率。     

高压离心压缩机轴向推力计算

详细分析了离心压缩机轴向力的组成,建立了离心叶轮外侧间隙内泄漏气体流动的计算模型,采用了低Ｒｅ数ｋε模型,用ＳＩＭＰＬＥＣ方法求解控制方程．对１台离心压缩机的轴向力进行了计算,结果令人满意．     

轴流压气机三维流场数值模拟

使用商业软件Numeca对某型轴流压气机进行三维数值模拟计算,采用Spalart-Allmaras湍流模型,运用隐式残差光顺法、多重网格法以及当地时间步长加速收敛技术缩短计算周期,得出了设计转速下的特性曲线,在此基础上进一步改变压气机出口参数来分析压气机叶轮发生失速喘振的原因,这对防止压气机失稳非常重要.然后对压气机内部流场进行了详细分析,得出了轴流压气机转子内部的流动参数分布规律,并指出造成压气机效率及压比损失的原因.     

低速轴流压气机三维流场测量与失速特性分析

在近失速和失速状态下,利用五孔探针对单级轴流压气机转子前后的三维流场进行了详细的测量和对比分析。基于失速状态下进出口壁面静压的动态变化,对失速区的空间结构和气流参数的动态变化规律进行了研究,建立了描述失速区气流参数变化的微分方程模型,并根据实验数据对模型进行了校验。结果表明,失速区内发生了回流,回流的速度方向与主流的夹角约为110°。回流区占据的径向范围为70%叶高以上,轴向范围为静子前部区域。在失速区内,压力、速度等气流参数随时间进行振荡衰减。该动态变化过程可以用二阶系统来描述。     

大型轴流压缩机焊接机壳结构特性有限元分析

在建立大型轴流压缩机焊接机壳有限元模型的基础上,对联接螺栓台阶面与上机壳法兰面之间、上下机壳法兰面之间的接触问题以及螺栓的预紧问题进行了处理,并应用有限元分析软件对模型进行了分析计算。计算结果表明焊接机壳静态下的应力和变形均在允许范围内。热-应力耦合作用下的应力分布规律及机壳整体变形结果显示,机壳直径变化处圆周上的应力变化达30~240 MPa,局部超过300 MPa;进气口一侧中分面法兰上的部分螺栓的应力已超过700 MPa,接近螺栓材料的屈服极限(720 MPa);机壳的径向和轴向变形量分别达16 mm和15.4 mm。     

多级轴流压气机嵌入级的试验与数值模拟

针对多级轴流压气机中复杂流场在数值模拟时存在计算精度的问题,以四级低速大尺寸轴流压气机为试验平台开展测试研究,并选取第三级带悬臂静叶的嵌入级,进行了与试验同一设计流量工况点的多通道定常和非定常数值模拟。试验与数值模拟结果对比研究表明,气流经过转静交接面时由于掺混损失造成总压降低;转静交接面对非定常计算得到的绝对气流角的影响可达2°,所以非定常计算的交接面位置的选取应在试验测量平面之后,以保证数值模拟的后处理截面与试验测量面一致。在叶中附近定常计算结果相较于非定常结果更接近于试验测量值,而在悬臂静叶近轮毂区域则反之,这表明非定常数值模拟方法相较定常方法可以更准确地模拟悬臂静叶轮毂附近的非定常流动。     

发动机涡轮静子优化设计系统开发

以大型有限元分析软件ANSYS为计算分析平台,开发了发动机涡轮静子结构优化设计系统。该系统将传统的经典强度计算理论、工程有限元数值计算方法以及现代优化设计技术相结合,建立了涡轮静子部件的结构优化设计平台。通过CAD参数建模技术与CAE分析技术的结合,实现了几何建模→数值参数化→有限元分析→遗传算法优化的完整的技术路线。以涡轮静子部件内环孔洞形状优化为例,进行了软件的实际应用,计算表明该系统为发动机涡轮静子结构的快速优化提供了一个强有力的高效设计工具。     

车用涡轮增压器压气机叶轮几何参数优化设计和性能分析

针对车用涡轮增压器,研究了压气机叶轮几何参数的优化设计方法,分析了几何参数对压气机性能的影响,建立了压气机设计系统几何参数的优化策略.通过具体实例计算,对比了不同参数对叶轮性能的影响, 通过调整叶片的进出口角度、进口直径、出口宽度以及正确选择叶片出口叶尖间隙等措施进一步提高了压气机性能.所建立的叶轮几何参数优化选择方法,可用于车用涡轮增压器离心压气机的几何参数优化和性能预测.     

轴流风扇转子叶片优化设计

针对一通用型轴流风扇的转子叶片,以三维粘性流场的数值计算程序为平台,利用人工神经网络BP算法和遗传算法,通过叶片弯掠技术对叶片的周向弯曲角度进行寻优,以使风扇的性能进一步提高.通过对比优化前、后的叶轮发现,优化之后的叶片形成明显的沿周向顺叶轮旋转方向弯曲.试验结果表明,其全压效率提高了1.27%,全压升提高了3.56%,上、下端部的流动损失进一步降低.