考虑叶片造型的压气机流动稳定性模型研究进展

压气机实际稳定裕度是否达到指标直接决定了发动机是否可以投入使用.目前的压气机气动设计体系中缺乏一种高效、准确的评估失稳边界的工具,导致在设计定型后依然存在实际稳定裕度不足的风险.因此迫切需要发展快速可靠的压气机稳定性预测工具以供设计阶段使用.现代航空压气机叶片的气动设计朝着三维精细化方向发展,如何在设计阶段考虑叶片三维造型的变化对稳定性的影响愈发关键.传统的激盘/半激盘模型难以精细捕捉到三维叶片造型对流动稳定性的影响,而非定常数值模拟方法对计算资源的消耗在压气机设计阶段难以承受.为了在精细考虑叶片造型影响的同时提高计算效率,为气动设计阶段提供稳定性评估工具,本团队首先在2013年提出了叶轮机流动稳定性通用理论,通过分布式叶片力源项建模考虑复杂叶片造型的影响,通过系统特征值描述流动稳定性.继而针对不同的预测目标和应用条件,发展了3种简化模型:子午面模型、流线模型和径向展开模型.其中子午面模型能够准确刻画叶尖间隙、叶片掠和叶片加载方式等关键设计参数对流动稳定性的影响,为设计阶段提供了一种可靠的失稳边界预测工具;流线模型可以快速评估展向各条流线系统的流动稳定性,并定量地给出流动稳定性最为薄弱的区域,从而有针对性地指导叶片扩稳设计;径向展开模型可以快速地预测离心压气机的流动失稳点,定量评估离心压气机流动稳定性.以上模型可以应用于压气机气动设计体系,为设计定型的压气机提供了可靠的稳定性评估方法,为压气机气动/稳定性一体化设计提供了技术储备.

叶顶间隙对多级轴流压气机性能退化的影响

以某F级燃机压气机为研究对象,考虑燃机实际运行过程中腐蚀和磨损作用导致的压气机叶顶间隙变化,通过三维数值模拟方法开展了不同腐蚀/磨损状态下多级轴流压气机的性能退化机理研究,分析了叶顶间隙变化对多级轴流压气机性能的影响规律。结果表明:叶顶间隙增大会导致压气机特性曲线整体向质量流量减小的方向偏移,使得压气机的质量流量、效率及压比均产生一定程度的衰退;随着叶顶间隙的增大,压气机峰值效率逐渐降低,喘振裕度明显降低;叶顶间隙增大会导致压气机通道内的流动分离加剧,动叶叶顶间隙变化对压气机流动分离的影响更严重;静叶吸力面尾缘附近的流动分离导致形成低马赫数区,同时逆流的低速涡团导致叶根附近的损失显著增大,造成压气机性能衰退。

整级端壁造型对压气机总体性能影响的数值研究

以NASA Stage35为研究对象,通过NUMECA/Design3d商用优化软件,采用人工神经网络(ANN)与多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)相结合的方法,在喘振点附近对压气机转子和静子轮毂进行优化造型,对流场结构、气动性能以及压气机稳定性进行分析。结果表明:非轴对称端壁削弱了转子通道内的二次流强度,消除了静子前缘的马蹄涡,压气机的气动性能得到明显改善,压气机在不同设计转速下的喘振裕度都有增加,工作的稳定性得到提高。

离心式压气机变工况模拟及轴向力变化机理分析

在相继增压系统切换过程中增压器轴向力的变化会严重影响其稳定性,以Garrett TBP4增压器的压气机端为研究对象,建立了压气机全流道计算域并划分多面体网格,设计7个工况,利用CFD研究了相继增压系统切换过程中的切换时间、切换转速、切换出口压力变化对压气机轴向力的影响规律,同时结合内部流场分析轴向力变化机理。结果表明:切换时间主要影响轴向力的突增时刻,切换转速幅值主要影响最终轴向力的大小,切换出口压力幅值主要影响轴向力突增与否;叶片轴向力受流场影响最大。

基于驻留时间控制的压气机叶片前缘砂带磨削研究

提出了一种面向叶片前缘廓形精准控制的机器人砂带磨削加工方法.以轴流压气机叶片为研究对象,结合半赫兹接触理论和有限元仿真获取了柔性磨具和叶片前缘的接触区域内的应力分布,基于Preston方程求解材料去除函数.遍历刀位点对控制点的磨削深度,建立全局材料去除矩阵,搭建驻留时间求解非线性方程组.采用带有阻尼因子的Tikhonov正则化消除大型稀疏病态矩阵对求解精度波动的影响,将所求驻留时间转换为对应刀位点的进给速度,生成机器人加工代码.磨削试验结果表明,基于驻留时间控制的机器人砂带磨削方法能够实现给定允差范围内叶片前缘廓形的精准加工,型面误差可以控制在0.02mm以内.

叶片破损对压气机性能的影响

为了研究叶片破损对压气机内部流场的影响机理,本文针对带有破损的跨音速压气机叶片进行气动性能变化规律和机理研究。通过NASA rotor 37实验结果验证了计算方法的准确性,利用数值仿真研究了叶片破损对压气性能的影响规律,并对2种典型工况下叶片破损前后的流场结构进行对比分析,探讨引起性能变化的具体原因。研究表明:叶片破损会导致压气机的压比降低0.6631%、绝热效率降低0.7877%,且压气机的稳定裕度降低更为明显。叶尖破损主要对叶顶流场结构产生影响,使叶顶区域泄漏流增强,当其与激波相互作用时,通道内产生了流动堵塞和流动损失。本文研究成果可为实际服役中的航空发动机特性评定提供理论参考。

基于运营数据的发动机压气机叶片裂纹扩展规律研究

为研究航空发动机实际服役中转子叶片在复杂载荷作用下的裂纹损伤扩展规律,基于航空发动机运营数据构建叶片的裂纹扩展寿命曲线,同时采用断裂力学理论建立裂纹扩展速率公式。以高压压气机叶片为实例,通过流固耦合方法构建压气机叶片结构的载荷模型,分别采用Paris、Walker、Newman裂纹扩展速率公式对压气机叶尖区域进行三维裂纹扩展分析。仿真结果表明,三种裂纹扩展速率公式在裂纹扩展前期预测结果与发动机运营数据裂纹扩展曲线具有一致性,可较好地描述叶片裂纹扩展规律;在裂纹稳定扩展阶段,Walker和Newman公式预测结果相对危险,Paris公式预测结果吻合度较高,并且能与厂家技术手册中关于其损伤发展控制要求相互印证。

废气涡轮增压器压气机流场特性分析

为提高某废气涡轮增压器工作性能,文中对压气机流场特性进行理论与试验研究,通过Fluent软件对不同工况下压气机的性能参数进行仿真,得到流体的压强、流速和温度云图,通过增压器性能试验测试压气机流量、效率及压比,并对压气机进行结构优化。结果表明:仿真结果与试验结果相对误差小于5%,结构优化后的压气机叶轮对流力的利用率提高32.8%,流场压力极值增大5.83%,蜗壳割舌部位压力集中减弱,蜗壳背部最大流速降低2.89%,最高温度提高20.06%,为增压器压气机结构的进一步优化提供依据。

平均载荷系数0.5一级的双模式压气机设计研究与验证

为全面提升压气机的研制能力,本文对平均载荷系数0.5一级的带单双外涵两种模式(双模式)核心驱动风扇的四级压气机开展了设计技术研究与验证。针对其平均级载荷系数高、两个模式性能变化大等特点,开展了双模式高负荷压气机设计、低损失大流量范围导叶设计以及低损失大攻角范围可调静子设计等技术研究工作,并在此基础上完成双模式核心驱动风扇与四级压气机的设计,开展0.8~1.0相对转速的三维特性分析,全面研究单双外涵两种模式下各级的匹配情况。试验结果表明:单双外涵两种模式下,压气机流量、压比、效率达到设计指标。单外涵模式1.0相对转速,最高效率0.874,双外涵模式0.924相对转速,最高效率0.87,两种模式下压气机流量调节范围达到31.4%。各级匹配良好,突破了双模式核心驱动风扇与压气机一体化匹配设计和平均载荷系数0.5一级的高负荷压缩部件设计等关键技术,为下一代发动机的核心压缩部件设计奠定了基础。

小尺寸无静叶对转风扇/压气机气动设计与变工况性能分析研究

无静叶对转风扇/压气机能有效减小发动机陀螺力矩,在轴向长度方面具有优势。然而,无静叶往往导致下游叶片攻角变化较大,变工况性能难以保证,且这一特点随叶尖切线速度的增大而恶化。本文利用小尺寸涡扇发动机风扇叶片根部周向速度较低的特点,尝试对其进行风扇与压气机无静叶对转方案设计。通过速度三角形分析了无静叶对转风扇/压气机的性能特点,开发了无静叶对转风扇/压气机一维设计程序进行参数方案的筛选优化,设计得到小尺寸无静叶对转风扇/压气机构型方案,设计点效率为85.1%,压比为3.16。结果表明,对转压气机的下排叶片相对进口气流角的变化范围较常规转叶+静叶相对进口气流角范围更小,而对转下排叶片的进口速度却将增大1.5~3倍,因此,需要合理选择对转风扇/压气机的轮毂比及转速比,才能保证对转风扇/压气机变转速工况下的设计点效率及失速裕度。减小对转风扇/压气机转速比有利于提高设计点效率和裕度,但本文受发动机总体指标限制,对转速比选择进行了折中。

双级可转导叶压气机性能研究

压气机的稳定性是保证压气机其他性能及燃气轮机正常运行的基础,而压气机存在着失速、喘振等不稳定现象,这种不稳定流动会严重影响整机运行的稳定性。导叶/静叶可调是一种防止喘振从而避免压气机进入失稳流动的有效措施。该文介绍了一个集成式压气机实验台,除了可进行高精度可转导叶性能研究外,还可进行压气机不同叶片综合性能和局部特性实验测量工作,且其数据采集集成系统可满足实时准确观测实验台相关参数的需求。通过实验与数值模拟相结合的方法对2.5级轴流压气机进行了研究,通过逐级调节进口导叶和一级静叶的旋转角度,获得了叶片调节角度与压气机效率之间的对应关系。

表面微沟槽对压气机叶栅气动性能的影响

为减小叶型损失,在压气机叶栅叶片表面布置沿流向的对称V形微沟槽,采用数值模拟方法研究了沟槽宽度和顶角、沟槽间隔、沟槽覆盖范围、进口湍流度以及来流马赫数对叶栅气动性能的影响。结果表明,总压损失降低主要由吸力面沟槽产生,合理匹配沟槽几何参数、覆盖范围以及来流条件,可实现较优的减损效果。对吸力面局部带沟槽结构,相同冲角下无间隔沟槽的减损效果优于有间隔沟槽的减损效果,当无间隔沟槽顶角度为60°时减损效果最优;相同沟槽结构的减损效果与冲角相关。来流湍流度增加使得相同冲角下光滑叶片和带沟槽叶片的总压损失增大,相同沟槽结构在同一冲角下的减损效果及最优减损效果对应的冲角受来流湍流度影响。冲角不变时相同沟槽结构的减损效果随来流马赫数增大整体呈下降趋势,最佳减损效果对应的无量纲沟槽宽度和具有减损效果的无量纲沟槽宽度范围不同。当保持沟槽无量纲宽度不变和沟槽其它参数不变时,不同来流马赫数条件下的最佳减损效果及其对应的冲角不同,较低来流马赫数条件下最佳减损效果更突出。微沟槽能够减小壁面平均剪切应力和湍动能,降低湍流边界层损失,同时能够推迟边界层流动分离,使得叶型损失降低。

压气机叶片的磨削路径生成算法

针对当前航空发动机压气机叶片的打磨过程繁琐且路径生成算法普遍未适配压气机叶片的几何形貌和加工姿态等问题,提出一种基于压气机叶片的点云数据并自适应压气机叶片的加工姿态和形貌的磨削路径生成算法。以面结构光扫描获取叶片的3维点云信息,对叶片点云进行位姿矫正并在叶片待加工区域创建一系列间距适宜且相互平行的切平面进行切片处理,获取切片数据后计算切平面与叶片点云的交点,拟合所有切片所得交点并计算磨削抛光路径的路径点及刀具姿态。结果表明:通过计算对不同姿态下不同压气机叶片的路径信息进行了仿真,验证了所提出的算法具有自适应压气机叶片加工姿态和形貌的特性,避开了传统逆向工程中的曲面重构误差,证明了算法的可行性与有效性,可进一步应用于后续实际磨削抛光加工作业。

压气机内部旋转不稳定的研究综述

旋转不稳定是压气机工作在高负荷近失速工况时的一种常见现象。研究旋转不稳定在降低压气机工作噪声、减小流致振动以及保障航空发动机稳定工作等方面具有重要意义。首先对旋转不稳定现象进行了回顾,详细讨论了旋转不稳定的特征。其次,重点调研了旋转不稳定的起源和机理,将旋转不稳定产生的原因归纳为叶尖泄漏流、涡脱落以及流动剪切等类别。此外,回顾了模拟旋转不稳定的数值方法,讨论了多种流动控制手段对旋转不稳定的作用效果。最后,对旋转不稳定的研究现状进行了总结,对未来的研究趋势进行了展望。

高原工况压气机叶轮振动失效特征分析

针对高原工况下离心压气机叶轮振动失效问题,以某增压发动机压气机叶轮为研究对象建立仿真模型,使用非定常计算流体动力学方法分析高原共振工况下叶轮受到的气流激励时域与频域特征,并基于单向流固耦合,使用瞬态动力学与谐响应方法研究气流激励作用下叶轮共振响应特征,得出高原工况叶轮振动失效原因。结果表明,高原工况叶轮在4阶气流激励作用下发生共振,激励主要来源于叶片与蜗舌间的动静干涉作用,叶顶间隙泄漏流增大了吸力面20%弦长位置的压力波动。气流激励下叶轮共振导致叶片前缘振动应力升高,振动应力幅值达101.5 MPa,与实际叶片振动失效情况一致。

考虑加工误差及多工况影响的压气机叶型鲁棒性优化

针对压气机叶型在宽攻角宽马赫数范围内低损失工作、叶型性能对加工误差不敏感的工程需求,首先,建立了考虑加工误差及几何参数的叶型优化流程;然后,以某压气机静子叶型为研究对象,基于构建的代理模型,在设计马赫数0.87(跨音流动)与低马赫数0.7(亚音流动)下开展了考虑加工误差及多攻角工况影响的压气机叶型鲁棒性优化设计研究。结果表明:针对跨音流动工况优化获得的叶型,其设计马赫数攻角特性大幅改善,但亚音流动工况下的攻角特性略微恶化;针对亚音流动工况优化获得的叶型,其攻角特性在多个低马赫数工况下大幅改善,在跨音流动工况下恶化。

基于数字孪生的压气机水洗运维决策

为了提高燃气轮机的发电效率,针对压气机水洗运维经济成本过高的问题,对压气机进行基于数字孪生的运维决策研究,提出一种基于数字孪生的电厂燃气轮机健康管理框架,基于该框架对压气机运行数据进行处理,使用极端梯度提升树算法搭建水洗周期预测模型,选取数据集内部分参数作为模型输入量,气耗量为输出量,分析其变化规律及其与输入量之间的关系,对水洗周期及水洗恢复率进行计算和比较,得出合适的水洗周期,对压气机进行运维决策。模型预测结果表明:8次水洗气耗量预测的平均R 2_score达到0.98,预测结果准确;8次水洗中,第2、第3次水洗周期合适,第3次水洗恢复率最优,得出压气机水洗周期的指导小时数为1824 h;与电厂实际执行的平均水洗周期相比,每次水洗成本可以降低2190万元。

基于Flow Simulation的某发动机涡轮压气机流场与效率分析

涡轮机内部流场对涡轮增压器的性能和效率有着重要影响,采用SolidWorks Flow Simulation模块对某发动机涡轮压气机侧流场和压气效率分析。在六种不同空气体积流量工况下,体积流量为0.29时,压气机效率最高,达到80%左右。模型的建模和流体分析均在SolidWorks环境下,分析效率高,为涡轮增压器设计和优化提供了支撑。

提高重型燃机压气机缸研制精度技术方案

针对目前引进型重型燃机压气机缸,中分面法兰定位结构定位效果较差、加工变形偏大、加工精度不够稳定、装配精度保证困难等研制问题,文章提出了中分面法兰定位结构的优化、制造工艺的完善技术方案,提高了设计质量,保证了制造精度。

基于FEM-DEM的压气机叶片喷丸强化数值模拟研究

基于有限元与离散元(FEM-DEM)相耦合的方法,建立了喷丸强化过程仿真模型,获得了表面覆盖率与丸粒数目之间的关系曲线,基于规则钛合金局部模型,研究了喷丸强化过程中主要工艺参数(丸粒直径、喷丸速度和表面覆盖率)对残余应力场及表面粗糙度的影响规律。针对实际叶片结构,根据不同特征区域和局部表面曲率特征,分析了残余应力场的分布及变化规律。结果表明,在一定范围内,通过增大工艺参数可以获得更好的残余应力分布。然而,当工艺参数过大时,喷丸强化效果会被削弱,表面粗糙度增加,导致残余应力松弛现象出现。此外,在相同喷丸工艺参数下,不同压气机叶片区域的表面曲率特征对喷丸效果影响较大,曲率较大时产生的残余应力场分布较浅,而曲率较为平滑的区域可以获得更佳的喷丸强化效果。