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。

压气机叶片几何气动性能优化设计方法综述

优化设计可有效减少对人工设计经验的依赖,改善压气机几何气动性能设计的难度,缩短压气机设计的周期。为克服压气机叶片几何气动性能优化设计中高维、耗时、黑箱三大难题,本文回顾近40年来在压气机气动外形参数化方法、数值计算技术、优化算法三个方面的研究进展;总结了机器学习及数据挖掘、基于不确定性的鲁棒性优化设计理论的研究进展;指明优化设计可探索压气机几何形状最佳气动性能极限,并总结和展望了压气机叶片优化设计方法的发展方向。

压气机中介机匣气动优化设计与分析

结合试验设计、三维数值模拟、自适应遗传算法和神经网络响应面模型,构建了优化设计平台,在此基础上完成了中介机匣轮毂和机匣流道的气动优化,分析了优化结果对中介机匣内部流动和性能的影响。研究结果表明:采用先扩张后收缩的流道面积分布规律有助于降低流动损失,其中面积最大处位于支板最大厚度附近;轮毂流道曲率分布对流动损失具有重要影响,通过流道曲率优化能够实现对壁面压力分布的调控,缓解支板尾缘处的流动分离;相较于原型中介机匣,对轮毂和机匣流道同时优化后总压损失降低27.7%。

轮廓度误差对超声速压气机叶栅气动性能的影响

[目的]旨在评估轮廓度误差对压气机气动性能的影响,并为叶片鲁棒性设计提供参考。[方法]建立单峰值轮廓度误差分布数学模型,采用数值模拟方法,研究压力面和吸力面不同轮廓度组合误差对超声速压气机平面叶栅气动性能的影响。[结果]结果表明:吸力面轮廓度误差分布是影响叶栅总压损失的关键因素,随着吸力面轮廓度峰值误差位置向下游移动,总压损失系数逐渐降低;压力面和吸力面误差分布对气流折转角和静压升系数的影响趋势相反。对较低来流马赫数的叶栅,吸力面误差对气流折转角和静压升均起主导作用;对较高来流马赫数的叶栅,压力面误差对气流折转角和静压升影响明显。激波位置和激波强度、激波后扩张通道的流道型线综合决定了叶片表面和叶栅流道内的流动状态,使得近吸力面侧流动损失增大,近压力面侧流动损失减小,其综合效果决定了叶栅损失、气流折转角和静压升的变化。[结论]结果对指导跨声速压气机设计、加工和超差审理均具有重要意义。

基于极限工况的压气机气动噪声排放特性与机理研究

发动机配备涡轮增压器是缓解能源短缺和减少气体排放的有效途径,但其压气机气动噪声排放成为了亟需解决的重要问题。在柴油机涡轮增压器研究中,压气机极限工况下(近喘振和堵塞工况)的气动噪声排放规律及其与内部流动特征之间的关系仍不清晰。为研究压气机在极限工况下的气动噪声排放特性与机理,本文采用试验和数值模拟方法对某涡轮增压器压气机的气动噪声开展分析。试验结果表明:在近喘振和堵塞工况下,压气机气动噪声总声压级随着转速的升高而增大,在低转速下,气动噪声总声压级受压气机工作流量影响较明显;在压气机气动噪声中,叶片通过频率(BPF)噪声占据主导地位,随着转速升高,叶片通过频率噪声对气动噪声总声压级贡献度增大,其占比最高达75.35%。模拟结果表明:在近喘振和堵塞工况下,压气机内部流动存在明显失速现象,其中在近堵塞工况下,压气机旋转域和扩压器域以多重单音噪声为主,叶轮与扩压器间的动静干涉对轴频及其谐频噪声均有较高贡献度;在近喘振工况下,压气机进口和出口以低频噪声为主,叶轮叶片与进气来流存在的干涉作用对诱导产生的低频噪声影响较为明显。

三维跨音速压气机叶栅多目标气动优化设计

提出了一种多目标差分进化算法(MDE),典型函数试验结果表明该算法具有优秀的多目标寻优能力,满足多目标气动优化设计的要求。耦合并行多目标差分进化算法、三次B样条曲面造型方法和CFD求解技术,提出了新的轴流式叶轮机械叶栅三维多目标气动优化设计方法。选择等熵效率和总压比为目标函数,完成了NASA Rotor37转子叶栅的多目标气动优化设计．优化后叶栅的气动性能明显提高,表明该方法具有良好的优化性能和应用前景．

吸附式低反动度超、跨音速轴流压气机气动设计原理及其验证

当增加动叶转角以进一步提升超、跨声速轴流压气机级负荷时,为解决其内部流动问题,提出了吸附式低反动度超、跨声速轴流压气机气动设计原理。分析了在该气动设计原理指导下,级内参数的演变规律与相互影响。利用该气动设计原理完成了一高负荷超声速轴流压气机气动设计,三维粘性数值模拟结果表明,在叶尖切线速度370m/s的前提下,实现了一级压比2.5,效率87%的压气机级设计。

叶片变形对涡轮增压器用离心压气机气动性能的影响及机理

为了研究叶片变形对涡轮增压器用离心压气机气动性能的影响,采用流固耦合方法计算设计转速下近喘振点、最高效率点和近阻塞点三个工况处的压气机性能。研究结果表明:叶片变形主要受离心载荷的影响,其影响占比为92.11%~97.22%,叶片最大变形发生在主叶片前缘叶顶处,叶轮最大应力发生在叶轮轴孔底部;从近阻塞点到近喘振点,气动载荷引起的叶片变形不断增大,约占叶片总变形的2.78%~7.89%;变形后压气机效率和压比分别提高0.3%和0.06%,阻塞流量有所减小;发现气动载荷导致的变形方向与离心载荷导致的变形方向相反,叶片变形主要通过改变叶顶间隙来影响离心压气机的气动性能。研究成果为离心压缩机气动及预变形设计优化提供了参考依据。

载荷分布规律对开槽压气机叶型气动性能的影响

航空压气机叶片通道内流动呈强逆压梯度,为了减小流动损失、扩大稳定工作范围,针对压气机静子叶型提出一种新型开槽叶片,槽道由叶片前缘进气吸力面出气,使用来流速度冲量有效抑制吸力面附面层的发展。采用计算机数值模拟方法,研究不同吸力面峰值等熵马赫数位置的可控扩散叶型开槽对叶栅气动性能的影响。研究结果表明:在设计工况下,开槽可有效抑制吸力面附面层发展,降低叶栅损失,增加气流转角;吸力面峰值等熵马赫数位置越向尾缘,在整个进气角范围内,开槽降低损失程度越大,并且由于攻角越大吸力面附面层越厚,开槽降低损失程度越大。

适用于氢储能及运输的大流量离心压气机进口级优化设计及特性分析

为了提升氢气离心压气机进口级等熵效率,利用自主开发的氢气离心压气机进口级一维优化设计程序,结合BP神经网络与遗传算法,对进口级进行一维优化设计。基于优化结果,采用三维造型软件构建了叶轮模型,并通过NUMECA软件进行了设计工况及变工况下的性能与流场分析。结果表明,优化后的氢气离心压气机进口级在设计工况下压比达1.071,等熵效率高达86.34%,内部气流流动正常,没有明显的气流分离现象,有较大稳定工作范围,气动性能良好。研究结果可为离心压气机进口级的优化设计提供参考。

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片较长使得相对叶顶间隙较小,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。

进出口探针对压气机气动性能以及内部流动的影响

为了研究探针在对压气机进行测量时对压气机气动性能以及流动特性的影响,采用CFD的方法对1.5级轴流压气机在进口及出口安装探针的全周通道进行数值模拟计算。结果表明:探针会减小压气机的稳定工作裕度、等熵效率、总压比以及通流能力;探针的存在对整个压气机沿叶高方向的进口气流参数产生影响,通道激波强度增强,激波附面层干涉加剧,并导致吸力面的流动分离加剧;也会导致导叶局部产生激波,进而引起激波附面层干涉,流动分离加剧,压气机的内部流动损失增加,效率下降;探针产生的低速气流,使动叶叶顶区域的激波前移,形成脱体激波,达到一定程度时,压气机就会失速,进而影响压气机的稳定工作裕度。

高转速高增压比压气机导叶控制装置设计与研究

为充分考核压气机性能、寻求最佳导叶角度控制规律,满足高转速高增压比压气机性能试验所需,亟需压气机导叶角度实时可调导叶控制装置。针对压气机台架试验环境和试验场景,提出了双通道数字式电子控制导叶控制装置架构,开展了部件选型和设计,对装置的重要组成部件——电子控制器的硬件电路进行了设计和仿真。该装置经过安装调零、最优PID参数选取及系统联调,配合高转速高增压比压气机开展多轮性能摸底试验。台架试验结果表明,所设计的导叶控制装置控制稳定,性能良好,能安全可靠地按需实时调节压气机导叶角度,满足压气机性能试验所需。

某微型离心压气机回流器设计与流场分析

通过与某离心压气机匹配的回流器进行设计,及回流器内部流场模拟。根据压气机基本尺寸,对回流器进行二维尺寸设计。根据设计好的尺寸,进行三维建模。根据有限元软件,分别对回流器叶片数为8、9的回流器进行模拟,分析速度及压力流场。结果表明,增加回流器的叶片数,可以使回流器出口的压力分布、速度分布更加均匀,减小流动过程中的损失。回流器叶片数增多,出口的平均压力减小。

轴流压气机叶型气动优化设计

以某轴流压气机动叶根部10%叶高典型截面叶型为研究对象,采用CFD软件计算分析不同气流角下叶型流场损失及气动特性。结果表明:随着入口气流角增加,出口总压损失先减小后增大,接近设计角度时总压损失最小。同时,运用基于自主开发的参数化叶型优化设计平台,采用三维N-S方程流场计算、网格自动生成、人工神经网络与遗传算法寻优相结合的方法对其进行了叶型型线优化设计,通过流场分析,优化效果显著。

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。

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.

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。

高负荷跨音速轴流压气机的叶型优化设计

研究轴流压气机优化设计问题,在高负荷跨音速轴流压气机相应的叶型优化设计工作中,针对压气机等熵效率过低,由于转子叶顶通道出现流动分离,导致损失过大。为提高等熵效率,结合人工神经网络与遗传算法对压气机转子的吸力面50%叶展以上叶型进行调整。优化后的新叶型可以有效地改善叶顶流动结构,抑制分离,在总压比基本不变的情况下使压气机峰值效率提升约1.7试验证明,叶型优化设计有显著效果,同时也指出了单一优化方案的局限性。

跨音速压气机非设计点性能预测

基于二维流线曲率法数学模型,参考公开发表的研究成果,拓展了一种适应于跨声速压气机的损失和落后角模型,并考虑3D和雷诺数的修正,对轴流跨音速压气机转子NASA Rotor37进行了数值计算,得到了设计点与非设计点的特性曲线,并与实验数据进行了对比和分析.结果表明,该方法能较好地预测轴流压气机特性和参数分布,可为压气机的设计和优化提供参考.