引气量对多级轴流压气机性能影响的数值研究

以NASA 74A压气机前3.5级为研究对象,利用源项法探究级间引气量变化对压气机总体性能和内部流动的影响。结果表明:引气量越大压气机总体特性变化越显著,10%引气量下压气机流量范围拓宽25.72%,相比于未引气的压气机最高效率点效率增加5.6%,压比增加2.76%,而引气后进口气流冲角减小以及叶背处流动分离减弱所带来的气体流通量的增加是效率提升的主要原因;引气使得压气机稳定裕度升高,当最佳引气量8%时其稳定裕度增大21.80%;引气提高了压气机进口流量,但两者变化量不完全一致,在最高效率点处引气,引气量与进口质量流量增加量基本相等,然而,当低于最高效率点流量时,小流量点的增加量大于引气量,而大流量点则相反,这决定了出口流量的增减,影响了压气机总压比;引气对于气流周向角度影响更大,对径向角度的影响主要集中于引气位置附近。

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。

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。

基于多目标遗传算法的高压压气机气动布局优化研究

为了提升高压压气机设计点效率,通过多目标遗传算法开展高效率高压压气机的一维气动布局研究。确定了遗传算法种群的相关参数和高压压气机一维优化方案参数的限制条件与控制形式;分析了高压压气机的流路形式,切线速度、负荷系数、进口绝对气流角等参数的一维分布形式。结果表明,当高压压气机流路为近等中径形式,叶尖切线速度在294~352 m/s范围时效率较高。负荷系数轴向分布形式对压气机设计点效率无明显影响,但是一级转子负荷在0.275以上时,高效率的方案占比较高;在避免末级静子气流折转角过大的前提下,中间级转子进口绝对气流角降低亦可有效提高压气机的工作点效率;压气机最优方案的设计点效率达到88.46%,喘振裕度达到16.29%。研究结果可为高压压气机气动布局优化提供参考。

可调静叶角度精度对多级压气机气动性能的影响

为了获得可调静叶的角度精度对多级压气机的气动性影响情况,对某11级高压压气机的S1、R2和S2共三排叶片开展了全三维数值模拟研究,通过调整S1静叶开、关角度值分析可调静叶角度偏差的量化影响。研究结果表明:可调静叶调节精度越高,则压气机越匹配设计点工况,气动性能则越好;可调静叶角度精度为±1°时对压气机的效率影响不大;但可调静叶角度精度在关闭3°时,效率损失最大达0.31%,静叶根部压力面流动分离明显增大。

倾斜式周向槽机匣处理对压气机稳定性的影响

为分析倾斜周向槽机匣处理对跨声速轴流压气机NASA Rotor 37稳定性的影响,采用数值仿真方法研究了光壁机匣和倾斜周向槽机匣的扩稳效果。结果表明:经过周向槽机匣处理后,叶尖泄漏流被诱导进入周向槽,抑制了低速区的发展且泄漏流经过周向槽流出后能够吹除低能区,改善低速区造成的流道堵塞情况,扩大压气机的稳定工作范围;在设计转速下,5种不同形式的周向槽机匣处理都能够提高压气机的稳定裕度,其中,CT3的扩稳效果最好,稳定裕度提高2.86%,而峰值效率降低最少,仅降低0.7%;通过正交试验优化设计方法发现,样本9对于提升转子的稳定裕度效果最为明显,能够将稳定裕度提升2.95%,但会使峰值效率降低1.56%;当周向槽轴向倾斜方式不同时,会使得周向槽的周向截面及槽内流动发生改变,从而对压气机的稳定裕度和峰值效率造成影响。

高流量裕度离心压气机叶片表面微坑结构研究

压气机工作稳定性对发动机整机的工作稳定性及性能影响有诱导及放大作用,因此要求压气机的流量裕度越宽越好,以适应发动机变工况下的工作稳定性。基于“高尔夫球效应”提出一种在主流叶片吸力面部位分布微坑的新型叶片结构,采用CFX流体动力学软件对某型离心式压气机叶轮流动进行数值模拟,研究在主流叶片吸力面不同部位添加半径为0.25~0.30 mm的微坑结构对结构性能及流量裕度的影响。结果表明:在主流叶片吸力面前缘和尾缘添加微坑可提升流量裕度,当微坑半径为0.30 mm时流量裕度效果最好,分别提升3.01%和3.15%;新结构叶片结构的使用增加了压气机流量裕度,为离心压气机叶轮的设计提供参考依据。

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%。

端壁自适应射流对跨声速压气机近失速工况性能影响的数值研究

为了提升压气机的稳定工作裕度和近失速工况性能,提出了一种在压气机静叶端壁施加端壁自适应射流的被动控制方法。利用数值模拟方法开展了不同出口轴向位置和出口偏航角的端壁自适应射流结构对跨声速压气机级性能影响的研究。研究结果表明:端壁自适应射流结构能够有效提升压气机的稳定工作裕度,并能提高近失速工况的总压比和等熵效率,在目前综合表现最佳的端壁自适应射流方案中,稳定工作裕度改进量为27.99%,近失速工况的总压比和等熵效率分别提升了0.61%和1.07%,峰值点效率略微下降0.55%。端壁自适应射流结构能够在一定程度上抑制低能流体回流,缓解流道堵塞,降低总压损失,提升叶片负荷,射流出口位于角区分离起始位置附近的作用效果较好。

交替静叶布局对轴流压气机气动稳定性的影响

为揭示交替静叶布局控制角区分离的流动机理,提升压气机性能,实现压气机的扩稳,采用了数值模拟方法对某高负荷跨声速压气机展开交替静叶设计研究。通过改变静叶叶尖进口几何角,调整叶片的布局方式,得到一种改叶型弯角交替静叶,在此基础上结合叶片弦长进一步优化,得到另一种改弦长交替静叶。数值研究表明:改叶型弯角交替静叶布局压气机的稳定裕度相对原型提升了34.7%,改弦长交替静叶使改叶型弯角交替静叶的压气机稳定性进一步提高,但会造成压比和效率的小幅下降,即以损失部分性能的代价换取了压气机稳定性的提升,改弦长交替静叶压气机在前者基础上将稳定裕度进一步提升了9.7%。新型的静叶布局使得相邻流道的流场结构产生差异,在周向上形成上、下角区分离交替分布的格局,促进了相邻流道出口流体的汇聚。叶型弯角的改变使角区低能流体区引入了更多高能流体,抑制了低能流体在角区堆积,提升了静叶的扩压能力。而弦长改变的同时增加了叶片前掠,阻隔了部分气流,实现了气流的重新分配,一定程度上平衡了两侧气流流量的不均匀性,从而改善了该压气机的气动稳定性。

基于Isight的压气机三维叶片鲁棒性优化

以Isight软件为基础,搭建叶片鲁棒性优化平台,基于构建的RBF神经网络模型和蒙特卡罗方法对压气机Rotor37进行鲁棒性优化。优化结果表明:压气机性能曲线整体向左上方移动,裕度几乎不变,选取的两个优化工况处效率的均值分别提高了0.24%和0.46%,方差分别降低了16.3%和15%。

102J防喘振阀的Margin值优化研究

根据中海石油化学股份有限公司化肥二期102J机组防喘振阀FV1015的运行工况,分析机组防喘振阀不能关闭的原因,给出优化的建议,对优化后机组运行进行风险评估,并总结出防喘振阀的节能效果。

叶顶喷气对跨音速轴流压气机稳定裕度影响的数值研究

为了研究叶顶喷气机匣处理方式对轴流压气机稳定裕度的影响,针对Rotor37开展了叶顶喷气的定常数值研究。相关文献指出,喷嘴出口气流角、喷嘴轴向位置、喷嘴覆盖比率及喷嘴进口总压4个参数对稳定裕度的影响最为显著。因此,本文着重对这四个参数构建响应面,同时结合主流的单通道计算模型,详细分析了它们之间的交互关系及相应的参数变化对压气机稳定性的影响,并拟合出回归方程。结果显示,在最佳参数设置下,单通道计算模型中压气机的稳定裕度最大可以增加8%左右。在此基础上,又对四通道压气机计算模型进行了气动计算与分析,发现叶顶喷气射流会按照与压气机旋转相反的方向作用于相邻的叶片流道,抑制该流道泄漏涡的产生,进而改善该流道内的流动。研究表明,采用叶顶喷气方法可以降低叶片前缘载荷,改变压气机的失速类型,从而增加压气机的稳定裕度。

实验探究周向进气畸变对局部喘振型跨声速轴流压气机进气的影响

为深入探究失速点变化机理,采用实验方法探究了三种不同周向畸变强度的进气边界对压气机失稳演化的影响机理。在试验过程中,通过增加动态测试点以测量转子叶尖的静压和静子尾缘的总压,并在压气机出口容腔内增加测点以检测系统响应。结果表明,当进口存在周向畸变时,失稳点流量的减小是由于压气机的失稳演化过程从局部喘振转变成了突尖波。在均匀进气时,该压气机失速演化过程为局部喘振,扰动以低频轴对称的形式出现在静子叶根区域。当进口存在周向畸变时,静子叶根处仍会出现不稳定低频扰动,但由于周向畸变的存在使其不再具备轴对称性,因此该低频扰动无法进一步发展,最终由于转子叶尖出现了突尖波导致压气机失稳。本研究主要结论为周向进气畸变可以通过改变压气机失速过程进而影响压气机失速点变化。

扭转度误差对跨声速压气机叶片性能的影响

在压气机叶片加工过程中,受切削力等因素影响扭转变形不可避免。为探究扭转度误差对叶片气动性能的影响,将实测某压气机叶片扭转度误差数据应用于Rotor 37转子,创建误差叶片,通过数值模拟获得其设计转速下的性能参数。结果表明:相较于原叶片,“欠偏转”叶片特性曲线整体向小流量工况移动,反之,“过偏转”叶片特性曲线则向大流量工况移动,且各方案对应误差叶片的气动性能均合格;在设计工况下,随扭转度误差变化,总压比较等熵效率变化更显著,其中“欠偏转”叶片总压比减小,最大变化量为0.85%;此外,相较于原叶片,“欠偏转”叶片稳定工作裕度增大,其最大变化量可达12.29%,同时,“欠偏转”叶片通道激波延后,流动损失减小,且叶顶低速区范围减小,即在公差范围内,负扭转度误差对气流流动状态具有一定改善作用。

叶片开缝和边界层抽吸耦合控制压气机失速裕度的数值研究

为了进一步优化压气机的整体性能,提出三种叶片开缝和边界层抽吸的耦合流动控制方案。首先,利用数值模拟的方法,研究叶片开缝或边界层抽吸对跨声速轴流压气机流场结构的影响机理。然后,详细研究了边界层抽吸分别与三种不同叶片开缝的耦合流动控制方案对压气机整体性能的影响。研究结果表明,与叶片开缝或边界层抽吸的单独应用相比,三种耦合流动控制方案都使压气机实现了更宽的稳定裕度。全叶片开缝与边界层抽吸的耦合方案稳定裕度改进量为1.27%,中间叶高开缝的耦合方案和上半叶高开缝的耦合方案稳定裕度改进量分别为1.67%和1.35%;在近失速点处,相比较全叶片开缝与边界层抽吸的耦合方案,局部开缝与边界层抽吸的耦合方案应用后,总压损失和效率降低;上半叶高开缝的耦合方案在三种耦合方案中稳定裕度最高,所以叶片开缝和边界层抽吸的耦合方案是可行的。

真实进气条件下发动机稳定裕度损失评估

为了确定航空发动机压缩系统在进气总压畸变条件下的稳定裕度损失,开展了基于平行压气机模型的稳定裕度损失评估方法研究。通过对试飞中实测的总压畸变图谱进行等效转换,转换结果作为平行压气机模型的输入,得到畸变条件下压缩系统的稳定边界,再通过试飞数据确定压缩系统的流量,从而确定畸变时刻压缩系统的稳定裕度损失。对某型涡扇发动机进行计算,得到周向总压畸变强度为3.3%时风扇的稳定裕度损失为3.8%。通过对两种不同畸变强度的周向总压畸变的计算结果的对比,表明该方法可用于确定总压畸变条件下的稳定裕度损失。

叶尖片削对压气机转子强度振动影响研究

统计结果显示,振动问题在航空发动机的故障中占比很高,而压气机转子叶片振动故障,在发动机使用过程中时有发生,且危害性较大。因此,在设计过程中应采取有效措施避免振动问题,提升航空发动机质量,提高航空发动机寿命。在压气机结构设计中,常通过改变叶型来调整频率裕度,需要在性能分析与强度振动计算之间来回迭代,费时费力。基于上述情况,本文提出了一种调整叶片频率的方法——叶尖片削,即在转子叶尖切去部分叶型,可以实现快速调频。以某型压气机第1级叶片盘为例,分析了不同尺寸的转子叶尖片削对叶片频率、叶片根部最大当量应力、盘心最大当量应力、叶尖变形的影响,结果叶片频率裕度有提高外,其余方面影响均较小。同时,性能数值仿真结果显示叶尖片削对压气机性能几乎没有影响。

双喷气自循环机匣处理对对转压气机性能的影响

为发展适用于对转压气机变转速比工况下的扩稳技术,基于某两级对转压气机设计出一种新型双喷气自循环机匣处理结构,能够实现在不同转速比下提高对转压气机的失速裕度。在设计转速比下研究了轴向喷气位置对自循环机匣处理扩稳能力的影响,并选取扩稳性能最佳的双喷气自循环机匣处理方案探究其在变转速比工况下的扩稳潜力。研究结果表明,在设计转速下,双喷气自循环机匣处理主要改善后排转子的叶顶流场,失速裕度最大提高8.40%;在非设计转速比下,双喷气自循环机匣处理可将失速裕度提升8.71%~9.74%。双喷气自循环机匣处理的双射流将叶顶泄漏流和主流的交界面推向下游,同时改善了两转子的叶顶流场品质,从而推迟失速的发生。

可控转速机匣转动方向对高负荷压气机级稳定性的影响

可控转速机匣是一种新型的机匣处理方法,将机匣设计为可转动环段与固定环段两个部分,可转动环段会对转子叶顶区域的气流施加周向附加作用力并改变叶顶区域的周向压力梯度,进而对压气机级的稳定工作裕度产生影响。针对可转动环段在不同转动方向下的数值研究结果表明:当可控转速机匣与转子转动方向相反时,叶顶区域周向压力梯度的增大,加剧了转子的叶顶泄漏程度,泄漏涡及其破碎后气流的流动轨迹向相邻叶片压力面偏移,导致静子进口冲角逐渐减小至负冲角,压气机级失速提前。而当可控转速机匣与转子转动方向相同时,叶顶区域的周向压力梯度减少,降低了叶顶泄漏流动的原始驱动力,同时转子叶顶区域的泄漏涡及破碎后气流的流动轨迹远离相邻叶片压力面,通流能力增强。但静子进口冲角的增加使得静子吸力面分离加剧,限制了其扩稳能力的进一步提高,压气机级的稳定工作裕度最大可提升45.44%。