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。

不同前缘形貌对风扇转子叶片颗粒物的冲蚀磨损

涡轮风扇发动机在实际运行过程中会吸入夹杂在空气中的颗粒物,颗粒物撞击会造成前缘退化成钝头形状,影响内部流场,导致发动机气动性能的下降,基于钝头叶片进行前缘优化能够恢复其气动性能。为了探究气动优化过程对颗粒物冲蚀速率的影响,以CFM56-7B大涵道比涡轮风扇发动机风扇转子叶片为研究对象,采用定常数值模拟方法,利用单向流固耦合计算研究颗粒物冲蚀磨损速率,结果表明:冲蚀区域靠近叶片前缘,随着叶高增加,冲蚀率不断增加。大部分颗粒物会与风扇叶片发生碰撞,碰撞位置集中在风扇叶片压力面处。冲蚀率与颗粒物浓度之间成正比例关系。近喘点工况相较于设计点工况,其冲蚀区域更加靠近叶片前缘。钝头叶片前缘处颗粒物冲蚀速率相较于原始叶片会增大,基于气动性能的前缘优化叶片能够降低冲蚀速率,但此规律并非适用于所有位置。

基于3维数值仿真的变循环压缩系统部件匹配分析

为了研究变循环压缩系统中各部件之间的匹配关系以及在整机调节时的表现,采用3维数值仿真软件对变循环发动机的风扇、核心机驱动风扇级(CDFS)、高压压气机和外涵道开展联合数值仿真,并对比数值计算与试验结果的差异。针对单、双涵工作模式,开展内、外涵出口节流特性计算,分析了内、外涵出口压力调节导致的各部件匹配关系的变化,获得了涵道比的变化范围以及极限调节状态下的各部件表现出的流动特征,确定了制约整个压缩系统喘振裕度的关键部件。结果表明:在双涵模式下,外涵节流导致风扇匹配点明显提高,首先到达喘振边界;在单涵模式下,外涵节流导致风扇和CDFS匹配点同时提高,几乎同时到达喘振边界;在单、双涵模式下,内涵节流均使高压压气机首先到达喘振边界。仿真得到的外涵道损失与试验偏差在4%以内。

压机舱涡流噪声分析与优化研究

针对某828 L型号卧式冷柜压机舱中存在的涡流噪声大的问题,分析了压机舱声源构成、涡流噪声产生机理、流体及声学仿真得到卧式冷柜压机舱涡流噪声的来源,并进一步优化整机噪声。结果表明:(1)卧式冷柜涡流噪声由压机舱内散热轴流风机引起,并通过压机舱内腔进行放大。(2)压机舱内的涡流噪声主要与轴流风机两侧进、出风散热通风孔的相对有效面积大小有关,实验表明,通过增加进风口面积30%,同时减少出风口面积10%,整机噪声降低3.0 dB(A)。

纺企节能改造案例分析

为了改善纺织空调与空压机能耗大、效率低的现状,详述纺企空调风机改造和空压机改造过程,以及空调数字化自动控制系统的功能优势;通过改造前后应用效果对比及经济效益测算,说明风机改造后风量大、耗电少,空压机改造后电耗降低7.6%,气量增加71.5%。指出:纺企通过空调风机改造,应用空调数字化自动控制系统及精益优级空压机,不仅能实现节能、降本、增效,还能改善车间环境、稳定生产生活,但对纺企生产的合理配置提出更高要求;纺企的节能降本增效,离不开技术创新与系统集成的双重驱动。

Effects of circumferential configuration concerning splitter blade on the aerodynamic performance in a transonic axial fan

For a certain type of transonic axial fan, the flow field of a fan rotor with splitter blade was computed by numerical simulation, and the shape of the rotor was modified. The effects of different circumferential distributions concerning the splitter cascades upon the aerodynamic performance were investigated. The studies show that the optimum splitter cascade is not very close to the suction side of main blade. The load between the main blade and the splitter blade can be soundly distributed in terms of the adjustment of circumferential position of the splitter blade. The best aerodynamic performance can be successfully obtained according to the optimum shape of the expanding fluid channel reasonably formed by the splitter blade and the main blade.

基于EFFD参数化的风扇/压气机叶片-端壁一体化伴随优化设计

为解决传统扰动参数化方法的设计能力不足等问题,以拓展自由变形技术为基础开发相应参数化方法以改进伴随优化系统,并对典型跨声速风扇/压气机转子Rotor 67进行叶片-端壁一体化伴随优化。结果表明:经过伴随优化,Rotor 67转子在流量、压比等工况约束变化较小的前提下效率提升了0.74%,且整体特性同样得到了大幅改进,而优化前后的几何与流动变化表明,端区几何调整及叶片吸力面变化引起的吸力面加速减弱、激波强度降低、角区分离涡结构改进等,均是性能提升的内在原因。

风扇/压气机叶片外物损伤验证方法及疲劳强度预测研究

为了在部件试验器上验证发动机风扇/压气机叶片的抗外物损伤的能力,针对某型航空发动机高压压气机叶片,开展了叶片的外物损伤试验和损伤叶片的高周疲劳试验,提出了叶片预制缺口位置、深度的确定方法以及根据动应力测试数据确定振动疲劳试验载荷的方法。使用最差缺口模型对损伤叶片进行了疲劳强度的预测与评估,结果表明,该模型对带缺口试样疲劳强度的预测偏危险,在工程使用时建议取1.5倍安全系数。

基于表面热膜测试的低速风扇附面层流动研究

压气机转子叶片表面附面层分离/再附、转捩机制较为复杂,数值模拟方法受到了极大的限制,因此需要新的试验技术测量旋转状态下转子叶片表面附面层的发展状态。本文采用表面热膜测试技术对某风扇叶片表面附面层分离/再附、转捩等流动现象进行了试验研究,获得了旋转状态下风扇叶片表面的准壁面剪切应力。试验结果表明,在上游尾迹周期性扫掠的作用下,叶片表面附面层转捩、再附点提前,分离泡范围减小。表面热膜测试技术可较为准确地捕捉旋转叶片表面附面层的转捩、再附点,为旋转状态下转子表面附面层的流动测量提供了一种解决途径。

30kW级航空电驱动涵道风扇设计与试验

为适应未来航空电气化的发展需求,研究了30kW级航空电驱动涵道风扇设计方法。涵道风扇性能设计基于航空发动机压缩部件设计流程。以推进系统总体性能为设计目标,完成了转子、流道以及短舱的气动外形设计。对各组成部件建立性能分析模型,评估全工况范围特性。涵道风扇结构设计采用风扇-电机一体化设计思想,简化连接方式的同时减少零件数。采用航空发动机结构强度分析方法,对涵道风扇各部件的应力、振动等特性进行评估分析。完成了30kW涵道风扇试制并开展地面和飞行试验研究。按照航空发动机整机试验方法,在整机试验台架完成涵道风扇地面性能试验。通过对比分析,试验结果与设计值误差在5%以内,验证了设计方法的有效性与正确性。涵道风扇配装轻型通航飞机完成了飞行试验,全系统工作正常,进一步验证了实际使用环境下涵道风扇的工作可靠性。

户外一体化机柜空调低环境温度制冷系统研究

针对户外一体化机柜低环境温度制冷的需求,笔者开发了配套机柜空调的低温制冷功能,在不额外增加成本的情况下,通过检测空调室外侧冷凝器出口温度,制定外风机周期性开停控制策略。结合试验测试,如在外侧干球-15℃,内侧干球20℃工况下,在单个外风机开停周期中,外风机关闭时,压缩机底部过热度有出现低于0℃的情况,最低达-12℃,持续时间约115 s,而外风机开启时,底部过热度快速增大,最高达40.5℃,大于0℃的持续时间约40 s。通过观察压缩机底部额外开孔配置的视窗镜可以发现,整个过程中,制冷剂基本来不及沉积,压缩机润滑油位也在合理范围内,因此,压缩机不会缺油。另外,运行过程中,吸气过热度基本大于0℃,回液风险低。

空调室外机高频噪声问题分析及优化

为了解决空调室外机制热压缩机低频运行时高频尖锐声明显的问题。首先,通过振动源识别,确定高频尖锐声产生的机理;其次,通过载波频率的调制,实现了尖锐噪声的改善。研究表明,尖锐高频噪声是由载波频率激励压缩机电机和风机共同导致,载波频谱呈明显倍频程关系;对于压缩机载波(5 kHz)和风机载波(15 kHz)来说,压缩机载波频率的2倍频及风机载波频率的基频对尖锐噪声的贡献量较大;增大载波频率或者压缩机载波频率和风机载波频率错开调制,都能有效减小尖锐高频声。研究结果可为电机高频噪声的抑制提供参考。

罗茨风机用于热风炉长期烘炉保温的实践

由于国家钢铁产能过剩,榆钢公司对生产做出调整,2800 m^(3)高炉停炉检修。根据热风炉生产工艺要求,3座热风炉需长期烘炉保温,采用变频控制的小功率罗茨风机代替大功率空压机来保证热风炉烘炉保温所需的助燃空气,是节约电能的有效手段,经济效果明显。

房间空调器温湿双控控制方法实验研究

为平衡室内环境温度与湿度,并改善空调器运行过程中室内环境的热舒适性,本文提出一种温湿双控方法。通过对房间的热负荷和湿负荷进行智能检测及判断,并根据室内环境温度与设定温度差值及室内绝对含湿量与设定含湿量差值,对压缩机频率和室内风机转速进行智能调控,实现温度、湿度的同时控制。测试结果表明,采用该控制方法室内环境温度及相对湿度均可控制在设定温湿度附近,可进一步强化用户的使用体验。

房间空调器温湿双控控制方法实验研究

为平衡室内环境温度与湿度,并改善空调器运行过程中室内环境的热舒适性,本文提出一种温湿双控方法。通过对房间的热负荷和湿负荷进行智能检测及判断,并根据室内环境温度与设定温度差值及室内绝对含湿量与设定含湿量差值,对压缩机频率和室内风机转速进行智能调控,实现温度、湿度的同时控制。测试结果表明,采用该控制方法室内环境温度及相对湿度均可控制在设定温湿度附近,可进一步强化用户的使用体验。

叶轮机计算流体动力学技术现状与发展趋势

通过对 863高负荷风扇、2 0 0MW汽轮机组改进、组合压气机改进和轴流大小叶片压气机的研制 ,说明了全三维定常CFD技术在我国叶轮机研究中的作用 ,并指出了当前的主要问题 ;通过对风扇 -吊架干扰 ,单级压气机和处理机匣的研究 ,说明了非定常CFD技术对叶轮机气动力学研究的作用和价值。结合上述全三维定常和非定常CFD应用的实例 ,论述了我国叶轮机CFD技术面临的挑战 ,及其发展趋势。

最大负荷设计之：角区分离预测与控制

角区分离对叶轮机性能有重要影响。本文根据角区流动特征推导出描述角区三维附面层的等效二维附面层模型,并结合二维附面层分离准则,建立了角区分离判定准则。理论分析表明：为抑制角区分离,应尽量增大叶表吸力面与端壁相交二面角；为抑制角区分离,应使二面角α沿流向逐渐增大,或使二面角α沿流向逐渐减小过程尽量平缓,尤其在二面角α较小区域更应如此．鉴于此,建议风扇/压气机设计中应严格监控角区二面角大小及二面角流向变化梯度,以实现对角区分离的良好控制．结论也适用于其它叶轮机。

跨声风扇转子的BVF气动优化方法

将加功量作为目标函数并结合边界涡量流BVF(Boundary Vorticity Flux)这个诊断因子,对某高性能跨声风扇转子进行了优化.通过基于局部动力学的BVF诊断可以捕捉到流场分离流动在叶片表面上的物理根源,可以清晰的显示出激波结构.尽管优化后加功量增大,但因为BVF分布改善,激波结构和分离流动被良好地控制.三维粘性N-S(Navier-Stokes)程序计算结果表明,风扇转子在近峰值效率工况下压比提高了7.69%,效率提高了1.92%,在全工况范围转子性能都得到了较大提升.基于BVF诊断的优化手段在风扇/压气机的优化中可起到很大的作用.

家用空调器减振降噪研究综述与展望

空调器的振动与噪声是影响其舒适性指标的一个重要因素。对目前空调器减振降噪的研究现状进行了综述,并对未来的研究做了展望。