叶尖小翼周向最宽位置对高负荷压气机级特性影响的研究

针对叶尖小翼扩稳技术,采用数值方法在改变叶尖小翼宽度的基础上,考虑了叶尖小翼几何形状的周向最宽位置对高负荷压气机级性能的影响。研究结果表明,叶尖小翼宽度越大且最宽位置靠近叶片两端时,压气机级的稳定工作裕度的提升越明显。叶尖小翼宽度为2.0倍叶顶宽度时,且周向最宽位置位于转子前缘25%轴向弦长时,叶尖小翼最多使叶顶泄漏流的质量流量减少了7.66%,提升了压气机级通道内流体的轴向速度,抑制了转子及静子叶片叶表的分离情况,从而延缓了压气机级的失速,压气机级的稳定工作裕度提升了29.18%。

基于压气机三维彻体力模型的叶尖射流扩稳方法

为了分析转子叶尖射流对多级轴流压气机的扩稳作用,研究了轴流式压气机三维黏性彻体力模型,通过对ANSYS CFX软件的二次开发,求解带动量源项和能量源项的N-S(Navier-Stokes)方程,实现无叶片条件下的压气机全通道数值模拟。基于模型计算的Stage 35单级压气机压比特性与实验值误差不大于0.8%,失稳点流量比实验值大1.2%,对端壁边界层流动能够准确模拟。基于模型计算了无射流和有射流条件下的多级压气机特性和失稳边界,并分析了叶尖射流扩稳机理。结果表明,模型能够模拟叶尖射流对多级压气机的扩稳作用,在100%设计转速下,设计点流量的4.6%的射流流量使稳定裕度增加了7.06%,射流能够消除叶尖区域的堵塞流动,从而扩大了压气机的稳定工作裕度。

基于叶尖定时技术的非接触式叶片叶尖扭转角测试及应用

为了验证风扇转子叶片反扭设计的准确性及获取不同气动状态、不同转速条件下叶片扭转变形情况,建立叶片扭转应用理论模型,开发了基于叶尖定时技术的非接触式叶片叶尖扭转角测试技术,在发动机风扇转子叶片上开展了旋转状态下的叶片叶尖扭转角测试和仿真计算。结果表明:叶片叶尖扭转角变形理论计算值为1.5°,实测值为1.4°;采用统计分析方法计算稳态转速风扇转子叶片所有叶片叶尖扭转角最大标准偏差为0.1°,是因加工误差、装配误差、气流扰动和振动因素导致的;单个叶片叶尖扭转角最大标准偏差为0.01°,是因气流扰动和振动因素影响所导致的。该项测试技术成功地验证了叶型反扭设计,稳态转速风扇转子单个叶片叶尖扭转角小于所有叶片叶尖扭转角的离散度。

基于叶尖延长的2 MW级风机叶片载荷优化控制策略

针对风资源优良、风电机组叶片相对较短的现有风场,通过叶片延长可有效提升风电机组发电量,但同时增加了叶片载荷,降低了叶片寿命,并影响机组功率输出的稳定性。首先利用叶素-动量理论对比分析叶尖延长前后的叶片根部载荷变化,提出叶片坐标转换变桨控制方法,通过Coleman变换得到叶片桨距角变换参数,以此优化机组变桨系统输出的桨距角调整量。实验结果表明,采用所提方法在机组功率提升11%基础上仍可使桨叶系统达到减负降载效果,保证了风电机组叶片延长后输出功率的稳定。

空调轴流风叶叶尖颤动抑制方案的研究及应用

轴流风叶由于其显著的大流量和高效率特性,对于在空调室内部分的应用呈现出极大的潜力。针对某一空调室内侧的轴流风叶在运行中存在的噪声值和声品质问题,采用流固耦合仿真技术对轴流风叶的受力和变形情况进行深入分析研究,并对变形较大的叶尖部分进行截面优化。研究结果表明,采用压力面增强部的轴流风叶新设计方案,能够显著减小叶尖处的变形量,有效降低轴流风叶的噪声值和OA差。

基于叶尖延长的2MW风电机组发电量提升设计方案及验证

早期投入的风电机组因生产技术、设计水平等方面的落后,导致年发电量偏低、风场效益不高等问题。相对于机组换新等方法,在投入更新成本不高的基础上,叶尖延长是提升2 MW级风电机组发电量的最好方法之一。分析了基于叶尖延长的风电机组发电量提升基本原理,设计了叶尖延长总体方案,并从气动设计、结构设计、粘接设计和防雷设计四个方面详细介绍了叶尖延长段设计方案,搭建了基于Bladed和Focus软件的系统仿真平台。仿真实验结果表明,通过叶尖延长后风电机组年发电量最高可提升9.5%,额定风速可降至9.1 m/s,为低风速区域风电场兆瓦级风电机组提升发电量提供了一种可行的方案。

基于高频PIV的风力机叶尖涡初始涡量值演变规律研究

基于风向变化对于叶尖涡初始涡量值影响的敏感性至今仍不清楚,及偏航工况下其随来流风速和叶片转速变化的演变规律仍未被掌握的研究背景,以直径为1.4 m的小型水平轴风力机叶片为研究对象,利用高频PIV针对性地监测不同工况条件下叶尖涡的初始涡量值,细致分析叶尖涡初始涡量值随风向、风速和叶片转速变化的演变规律。研究发现:当偏航角为0°和20°时,叶尖涡初始涡量值随叶尖速比的增大近似呈线性规律,而当偏航角介于上述区间时,变化趋势会呈明显下凹的二次曲线形式。相关理论成果的揭示对于叶片气动载荷变化机理的深入诠释以及其气动性能优化方案的掌握具有较有益的参考价值。

转子叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能影响机理分析

为研究转子不同叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能的影响机理,分别对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型优化,并利用商业软件NUMECA进行数值模拟。结果表明:对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型优化后,压气机性能有较大提高,改型后0.204-0.408的各类间隙压气机性能优于0.408-0.204间隙的。相比较平行间隙PTC 0.204-0.204,渐变式TTC0.204-0.408和阶梯式STC 0.204-0.408的失速裕度分别提高1.12%和1.61%,峰值效率基本不变,同时近失速工况下的总压比和效率也略有提高。叶尖泄漏涡得到抑制,间隙处的流体低速区明显减小,流动损失减小,流场得到较大改善。转子通道的总压比在85%叶高处明显提高,分别提高了1.01%和3.13%。阶梯式叶尖间隙压气机的静子通道40%叶高处总压损失系数减小达75.4%。对平行式叶尖间隙进行改型处理能够有效提高压气机性能,且阶梯式叶尖间隙比渐变式的对压气机性能提高的效果更加显著。

基于无人机视觉的风机桨叶叶尖定位方法

应用无人机对风力发电机进行自主巡检时,需对其桨叶叶尖做出精准定位。为此提出一种基于无人机视觉的叶尖定位方法。无人机利用风机粗略偏航信息到达指定位置后,并利用Yolov5模型对风机桨叶、轮毂等部位进行特征提取;根据提取到的特征点计算单应性矩阵并将其分解,得到无人机偏移量;基于混合式视觉伺服设计修正器对无人机位姿进行修正,从而使无人机正对风机并进行全景图采集,同时对其进行了稳定性分析;利用全景图以及无人机的位姿对桨叶叶尖进行三维空间定位。仿真实验表明,设计的控制器可以使无人机在15 s内自主完成正对风机操作并对其进行全景图采集,提出的方法可对风机桨叶叶尖进行精准定位,定位误差仅在±5 m内。

基于激光自混合原理的涡轮叶片转速与叶尖间隙动态同步测量方法

针对在高温等恶劣环境下,航空发动机高转速下涡轮叶尖间隙测量稳定性差、易受干扰、精准度低等问题,提出一种基于激光自混合原理的涡轮叶片转速与叶尖间隙动态同步测量方法。首先,提出基于三镜F-P腔模型的自混合干涉模型,并以此为基础构建测速和测距的数学模型;其次着重研究了涡轮叶片转动下动态自混合干涉信号的处理,将采集到的信号依次经过带通滤波以及小波降噪处理,再用FFT进行处理得到频率,由此求得叶尖间隙值;之后分别进行静态和动态激光自混合干涉测距实验进行验证;最后探讨影响动态测量的误差源,并对测量系统以及算法进行优化补偿。实验结果证明,该方法可以有效地提高涡轮叶片转速与叶尖间隙的同步测量的稳定性及精度,测速相对误差为1%,叶尖间隙测量误差为23μm。

采用K⁃SVD字典训练稀疏基的压缩感知叶尖间隙数据重构方法

航空发动机叶尖间隙是监控其运行状态的有效参数,现有间隙测量方法很难满足超高转速下间隙距离的奈奎斯特采样率,因此无法有效提取精确的叶尖间隙值。本文基于压缩感知原理,针对间隙距离数据特征提出一种采用K-SVD(K-singular value decomposition)字典训练稀疏基的数据重构方法,该方法首先构建出K-SVD字典稀疏基对数据进行稀疏化表示,然后使用m序列高斯随机矩阵对数据进行压缩观测,最后基于压缩欠采样观测值使用正交匹配追踪算法对数据进行重构,进而精确提取叶尖间隙值。实验结果表明,在欠采样条件下间隙距离数据可精确恢复重构,与高采样率下的间隙数据相比,重构误差不超过0.02 mm。

转子叶尖尾缘端削对轴流压气机失速裕度的影响机理

针对某型航空发动机压气机转子叶片尾缘出现的叶尖掉块问题,设计了两种叶片尾缘端削方案,并评估了两种端削方式对压气机级性能的影响,揭示了压气机的失速机理及端削对失速裕度的影响机理。结果表明,端削使压气机的压比裕度降低约0.5%,将压气机的流量裕度提升1%以上,整体上对压气机效率的影响较小;通过对流场的定量分析发现,压气机的失速由转子叶根附近叶片吸力面附面层的分离诱发;转子叶尖尾缘端削改变了整个叶高范围内流量的径向分布,并通过提高转子叶根附近的流量降低了附面层的分离程度,进而提升了压气机的流量裕度;采用叶片尾缘斜切的端削方式对压气机性能的影响更小,可以作为解决叶尖掉块的一种处理方法。

V型叶尖结构对风力机叶尖区域气动噪声影响的实验研究

针对叶尖部位是影响近尾迹流动和声辐射的主要区域,提出V型叶尖结构,对其气动特性和叶尖区域声辐射的特征进行测试。结果发现:V型叶尖结构风力机在输出功率减小0.95%~3.50%的范围内,使得改型后风轮旋转基频及其谐波关系的频率所对应的旋转噪声减小2.7%~4.5%。同时对叶尖涡的脱落频率所对应的叶尖涡噪声产生影响,使之降低了2.8~9.0 d B,找到V型叶尖的高度是影响风轮旋转噪声和叶尖涡噪声降低的主要因素。

基于USB3.0的多通道叶尖间隙数据采集系统设计

动叶片与发动机机匣之间的叶尖间隙参数是反映航空发动机工作性能和运行安全的关键状态参数之一。多级多叶片叶尖间隙同时进行测量时,叶尖间隙测量数据量巨大,多通道数据快速处理与传输至关重要。设计了基于USB3.0的4通道叶尖间隙数据采集系统,提出了全采集和在板处理两种数据处理方法。利用FPGA高速并行处理多路ADC量化数据,通过USB3.0总线将预处理后数据传输至计算机,以进行数据后处理、显示与存储。通过实验验证了数据采集系统的有效性,USB3.0接口的数据传输带宽可达400 MB/s,系统理论上可扩展至32通道叶尖间隙信号输入。数据采集系统可同时满足叶尖间隙离线数据分析和实时在线监测的不同测量需求,设计方法在叶尖间隙测量工程应用方面具有重要意义。

叶尖小翼对轴流风机气动性能及噪声特性影响的数值研究

为了控制轴流风机叶顶泄漏流造成的气动损失和噪声,在轴流风机叶片顶部添加了融合式叶尖小翼结构,并对风机的气动性能及噪声特性进行了数值研究。采用大涡模拟结合声类比方程的数值方法,研究了叶尖小翼对轴流风机流场和声场的影响。通过对风机叶尖流场和声场进行分析,对比不同外倾角的融合式叶尖小翼周围的涡场结构以及表面声压脉动,分析了不同外倾角小翼对叶尖泄漏流的控制作用以及叶尖小翼对风机气动性能和噪声特性产生的影响。结果显示:叶尖小翼结构可以有效抑制叶尖泄漏涡以及叶尖分离涡的发展,降低轴流风机的气动噪声,提高轴流风机静压效率;使用20°外倾角的叶尖小翼,风机静压效率提高了1.1%,噪声降低了5.0dB;叶尖泄漏流造成的气动噪声主要是宽频噪声,叶尖小翼可以明显降低轴流风机的宽频噪声;通过优化叶尖小翼的外倾角可以在不损害风机气动性能的同时实现较好的降噪效果。

一种改进的轴流涡轮叶尖对泄漏流影响的数值研究

结合基于压力修正的采用雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,通过改进涡轮叶尖表面结构以期减小叶尖间隙泄漏损失,即在传统叶尖边缘镶嵌肋条的基础上倾斜压力面肋条,对这种改进叶尖的某一轴流涡轮转子的泄漏流场进行了数值研究,并详细分析了不同肋条高度和肋条深度对泄漏流场的影响,最后计算了涡轮效率。结果表明:通过改进的涡轮叶尖对泄漏流动进行被动控制,压力面斜肋条可以阻碍泄漏流动,同时叶尖区域回流区也减小泄漏流动,从而涡轮效率提高;肋条高度对涡轮效率有较大影响,且有个最佳肋条高度值,在最佳肋条高度下涡轮效率提高0.215%;肋条深度对流场影响不大,但小肋条深度可以稍微提高涡轮效率。

叶尖形式对潮流能水轮机性能及尾流的影响

以水平轴潮流能水轮机作为研究对象,采用试验与仿真相结合的方法,研究叶尖优化处理对于水轮机水动力性能、尾流恢复及叶尖涡控制的影响。结果表明:叶尖优化模型能有效减弱叶尖处从压力面向吸力面的回流,大幅减轻叶尖涡整体的强度,对加速水轮机尾流的恢复、提高水轮机的水动力学性能具有积极作用。研究显示与基础叶片水轮机模型相比,叶尖优化水轮机模型的获能系数整体增加1.92%。

跨音涡轮转子叶尖间隙内流动分析与建模

为明确跨音涡轮叶尖泄漏流动机理,进一步提升涡轮效率,对跨音条件下叶顶喷气对平叶尖及凹槽叶尖性能的影响进行研究,并探讨跨音条件下平叶尖及凹槽叶尖间隙内部的流动状态。结果表明:跨音条件下,叶顶喷气可以增加平叶尖叶栅的气动效率,而刮削涡仍是凹槽内的主控流动结构;喷气流量的增加对平叶尖的总泄漏流量影响有限,但会增加凹槽叶尖的总泄漏流量。在更高负荷情况下,平叶尖间隙内呈跨音速流动特征,具体状态与叶片负荷、叶片厚度有关;凹槽叶尖条件下,泄漏流动在吸力侧肋条上方快速膨胀至超声速状态。基于此,建立可用于跨音条件下的泄漏流量预测模型。

周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究

为了验证周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的效果,本文在GE-E3高压涡轮第一级的机匣上引入周向单槽式机匣处理,通过数值模拟手段研究了周向单槽的轴向位置、槽宽和槽深对叶尖泄漏流调控的影响及周向单槽调控叶尖泄漏流的物理机制。结果表明:周向单槽的引入虽然会使叶尖泄漏涡尺寸变大,但会显著降低叶尖泄漏涡及机匣通道涡的强度,使得涡轮转子通道内流动总损失降低,涡轮级效率提高。在设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽,可以使涡轮转子通道内的流动损失相对减小9.10%,涡轮转子的效率提高0.40%,级效率提高0.85%。同时发现设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽结构,在非设计工况时也有良好的控制效果。

涡扇发动机涡轮带冠叶片叶尖间隙测试

航空发动机叶尖间隙参数的在线高精度测量是保证发动机运行安全和气动效率的关键。涡扇发动机低压涡轮叶片为叶顶带有篦齿结构的带冠叶片,传统电容式叶尖间隙传感器为圆形芯极结构,其测量精度易受变工况下篦齿轴向窜动影响。因此提出一种矩形芯极的电容传感器结构方案,基于双极板电容原理,建立矩形芯极下的叶尖间隙测量模型。仿真分析轴向窜动对不同结构传感器方案的影响规律。开发矩形芯极传感的带冠叶片叶尖间隙测量系统,搭建测试平台,开展实验室环境下的标定和测量实验。仿真和实验结果表明:新型的矩形芯极传感器可提高传感器的抗轴向窜动能力;1~3 mm量程内,叶尖间隙测量误差小于65μm。