叶片加工误差对压气机叶栅气动性能的影响

压气机叶片在加工过程中会造成加工成型的叶片与设计者的初衷有一定的偏差。为了获知偏差对叶片气动性能的影响,结合我国现有的叶片检测方法,采用单因素法数值研究了叶片扭转、轮廓度、前后缘半径、前后缘形状及弦长误差对叶片气动性能的影响规律。研究结果表明,不同位置、不同大小的误差对性能影响不一,其中叶型扭转、轮廓度及前缘(半径、形状)误差是影响性能的主要参数,而尾缘(半径、形状)误差对性能影响不明显。其中0.5°的扭转误差会恶化性能高达46.56%,0.1mm的轮廓误差最高恶化性能达20.40%。所获得的误差影响规律可以用于提供合理的加工技术要求及制定叶片质量评判标准。

加工误差对压气机叶片气动性能影响试验研究

压气机叶片在加工过程中不可避免的会产生一定的加工误差。为了研究加工误差对压气机叶片气动性能的影响,设计并加工了4套平面叶栅用于模拟加工中常见的前缘及轮廓误差,并通过平面叶栅吹风试验获取误差影响规律。研究结果表明,前缘形状误差及正轮廓误差使得性能下降,前者使得叶型损失最高增加了23.4%而后者使得叶型损失最高增加了40.1%;此外负轮廓误差使得叶型性能有所提高,最高使得叶型损失降低16.6%。对应的影响规律可以用于提供合理的加工技术要求及制定合理的叶片检测标准。

端壁倒圆对高负荷压气机叶栅性能及流场影响的机理探究

为了改善压气机端壁区流动状况,减小流动损失,对一大尺度低速(不可压)压气机叶栅设计了五种倒圆结构。通过Numeca全三维数值方法进行模拟,结果表明,在原叶栅失速工况下,损失降低最多的达到了5.22%,但在设计工况下增加了1.12%。分析了此叶栅端壁区性能及流场改善的机理,给出了其余四种结构效果不佳的原因。对于效果最好的叶栅,倒圆的存在将失速因子降低了41.29%,使其能够适应更大的来流攻角范围。近端壁处吸力面的流动分离得到明显抑制,马蹄涡强度和逆流区减小,出口流动更加均匀,二次流能量显著减小,从而在整体上降低了损失,改善了角区流动。

不同轴向引气位置对自循环机匣处理的影响研究

针对转子失速时叶顶的具体流动情况,基于抽吸叶顶堵塞区低速流体的目的,设计了四种新的自循环机匣处理方案,探究其扩稳机理与常规自循环机匣处理的作用差异。数值计算选用Numeca Fine软件包的Euranus求解器,计算结果表明,通过抽吸叶顶堵塞区低速流体设计的自循环机匣处理结构,其达到的扩稳效果高于常规的自循环机匣处理。在优化设计中,当轴向引气位置位于转子叶顶堵塞区核心附近时,达到的扩稳效果最好,最大综合裕度改进量能达到15.00%。此外,本文还分析了自循环机匣处理后转子叶顶流场的差异,得出自循环机匣处理的扩稳机理在于把造成叶顶区堵塞流动的低速气流吸走,抑制了叶顶泄漏流动,改善了叶顶区的流动状况,以此来扩大转子的稳定工作范围。

叶片表面粗糙度对压气机叶栅内三维角区分离及损失研究

在实际使用过程中,压气机容易由于腐蚀磨损等原因导致叶片表面粗糙度增加,这将使得整级压气机的气动性能下降。与此同时,由轮毂横向流所诱发的角区分离也将造成巨大的流动损失。为了探究叶表粗糙度变化是否会促进角区分离的产生,以及粗糙度变化对压气机内损失类型的影响,借助CFX商用软件对低雷诺数扩压叶栅展开数值计算研究。同时,还引入Gamma模型来研究粗糙度变化对转捩的影响。研究发现,叶片表面粗糙度的增加将使得分离转捩和旁路转捩加强,但对逆转捩影响较小。此外,借助损失源分析方法,将叶栅内的损失分为前缘损失、叶型摩擦损失、二次流损失和尾迹损失。结果表明,在角区分离严重且表面等效砂砾粗糙度增加到50μm时,相比于光滑情况,其总损失增加了9.6%。借助拓扑分析,可以发现随粗糙度增加,前缘分离泡不断前移,扰乱前缘部分流动,由此导致的前缘损失随粗糙度变化最为明显。

叶顶引气位置对自循环机匣处理扩稳能力的研究

为了探究自循环机匣处理的引气口位置在叶顶变化时对压气机稳定性的影响,以亚声速压气机孤立转子为研究对象,采用数值模拟的方法对3种叶顶不同引气位置的自循环机匣处理方案进行了扩稳能力的研究。结果显示,引气位置在叶顶沿轴向变化时,3种引气位置获得的流量裕度分别为5.43%,22.77%,18.23%,扩稳能力呈现出先增强后减弱的趋势,引气位置越靠近叶顶低速阻滞区核心,扩稳能力越强。对自循环机匣处理后的叶顶流场进行分析,可知在叶顶引气的自循环机匣处理的扩稳机理在于:通过抽吸叶顶处低速阻滞流体和抑制叶顶泄漏流动来改善叶顶区的流动状况,从而达到扩稳目的。

垂直于叶片弦线方向喷气对转子稳定性的影响研究

以NASA Rotor37为研究对象,采用数值模拟的方法进行叶顶喷气对转子稳定性的影响研究。研究表明,在叶顶垂直于叶片弦线方向喷气可以达到扩稳效果,其扩稳机理在于通过喷口喷射出的高速射流把叶顶泄漏流吹向转子吸力面,减弱了叶顶泄漏流对主流的影响,使得转子叶顶堵塞区域减小,改善了叶顶区域的流通状况,从而得到扩稳效果。在喷气流量对转子稳定性的研究中,喷气流量越大,对增强稳定性越有利。在所选取的1%,1.5%和2%三种喷气流量水平下,2%的喷气流量可以使转子的流量裕度提高4.24%,综合裕度改进量提高5.16%。此外,不同喷气流量对转子的流场影响不同,随着喷气流量的增大,除了可以降低叶顶前缘负荷外,还可以通过将激波位置推向下游,从而有利于减弱流动分离,对转子稳定性的提升更为有利。

自循环机匣周向偏置对轴流压气机非定常流场的影响

以NASA Rotor 35为研究对象,设置了15°,0°和-15°三种不同周向偏置度数的自循环机匣,利用NUMECA软件包进行三维非定常数值模拟,以研究机匣处理对压气机非定常流场的影响。计算结果表明,针对NASA Rotor 35,由通道激波与叶顶泄漏涡相互作用导致的失速,不同周向偏置角度的自循环机匣处理均能够较好地拓宽压气机的稳定工作范围,且几乎不影响压气机峰值效率。其中周向偏置15°的自循环机匣虽然流量裕度改进量最大,但是压气机的压比下降较大。周向偏置后自循环机匣的扩稳能力不再遵循传统上以回流量、喷嘴出口速度和自循环装置内的流动损失来关联扩稳效果的经验规律,而是由桥路和流场耦合的非定常过程导致的。其喷射和抽吸作用对叶顶流场的激励使得叶顶静压分布、泄漏流产生周期性波动,不同物理量峰值在时域上存在相位延迟。

引气对跨声速压气机稳定性的影响

以NASA Rotor 37为研究对象,采用数值模拟方法开展了叶顶引气对转子稳定性的影响研究。结果表明:叶顶引气可以提高转子的稳定性,引气的扩稳机理在于引气口的抽吸作用,这种作用使得转子叶顶低速堵塞区域减小,增强了转子叶顶的流通能力,达到扩稳的目的;引气位置和引气质量流量对转子稳定性的影响具有交互作用,在0.5%和1.0%引气质量流量比下,随着引气位置的后移,转子稳定工作裕度逐渐减小,在1.5%引气质量流量比下,随着引气位置的后移,转子稳定工作裕度却呈现先增大后减小的趋势;引气位置在20%叶片叶顶轴向弦长(C)处时,随着引气质量流量的增加,转子稳定工作裕度先增大后减小,而引气位置在60%C和100%C处时,随着引气质量流量的增加,转子稳定工作裕度逐渐增大。

狭缝喷注-发散冷却的综合冷却效果数值研究

为了研究发散孔阵列上游设置狭缝喷注的狭缝喷注-发散冷却组合方式的综合冷却效果,采用数值模拟方法对其冷却效果进行了研究,并在相同的冷却空气流量下与纯发散冷却方式进行了对比分析。结果表明:狭缝-发散孔组合冷却方式显著改善了发散孔阵列前区的冷却效果,平均冷却效果可以提升12%~16%;该组合冷却方式因狭缝喷注的分流而使得发散孔吹风比相对纯发散冷却有所减小,导致在小吹风比下发散孔下游区域的综合冷却效果低于单纯发散冷却结构,而在吹风比较大时,组合冷却方式与单纯发散冷却结构在发散孔阵列后区的综合冷却效果基本一致;随着狭缝高度的增加,发散孔阵列前区的综合冷却效果有所增强,而在发散孔阵列后区,综合冷却效果却略有下降。

扩压叶栅叶顶间隙流动结构研究

本文对某扩压叶栅叶顶间隙流动结构进行了研究,通过三维数值仿真,对叶顶间隙流场中的旋涡结构构成、空间分布及相互作用关系进行了分析.研究采用Q判据识别流场中的涡,发现叶顶间隙气流的泄漏流动形成了叶尖分离涡、二次涡以及泄漏涡等旋涡结构,其空间位置及空间尺度具有明显差别。叶尖分离涡的堵塞作用对泄漏涡的强度、空间位置造成影响;在叶顶泄漏流动与泄漏涡的共同作用下形成了叶尖二次涡。涡系间存在的相互作用共同构成了叶顶间隙流场框架。

用于叶片减振的压电材料分布拓扑优化

提出一种可用于实际叶盘结构的压电分支阻尼器拓扑优化方法,可以给出总质量受约束的压电材料在叶片上的最佳分布,达到尽可能大的模态阻尼比。通过理论推导说明:压电阻尼器所产生的模态阻尼比仅取决于模态机电耦合系数,且该系数只与压电材料的几何形状以及模态应力场有关。进一步结合压电本构关系,基于应力分量的线性加权给出了有限的压电材料在叶片上铺设位置"优先级"的判断指标。给出了基于叶盘结构有限元模型的压电材料拓扑优化方法,通过替换单元类型和材料参数的方式对压电材料进行布置,并给出了多模态族优化、极化方向设置、电极铺设等问题的解决方案。在一个接近真实的叶盘模型上应用了此优化方法。结果表明,仅使用质量占叶片质量10%的压电材料,就可以为多个模态提供约12%的阻尼比。

基于NIPC的压气机叶片加工误差不确定性分析

压气机叶片加工误差的存在使得叶片实际尺寸偏离设计初衷,对压气机性能造成一定的影响。为了分析加工误差对叶片性能的影响,首先通过三坐标测量仪对大量叶片进行误差检测与分析获取了轮廓误差的真实分布规律,其次运用五点四阶非嵌入式混沌多项式对加工误差影响进行了不确定性量化,最后分析了加工误差对气动性能的真实影响规律。研究结果表明,加工误差的存在使得叶型性能有所恶化,但其影响主要体现在叶型性能稳定性;建议在进行误差影响分析时应充分考虑误差的随机特性并使用标准差等具有统计意义的变量进行分析,相对于传统的影响评价方法能更加客观对误差影响进行评判与描述。

编织角和承载方向对三维四向编织复合材料动态压缩性能的影响

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对三维四向编织碳纤维增强树脂基复合材料的动态压缩性能进行了研究。通过对编织角为20°、30°和45°的试验件分别进行沿纵向、横向和厚度方向的动态压缩试验,得到材料在800~2 000/s应变率范围内的应力-应变曲线,并与准静态压缩试验结果进行对比,研究了应变率、压缩方向及编织角对材料极限强度和弹性模量的影响。结合高速摄影记录的动态压缩过程,进一步分析了不同情况下材料的破坏模式与破坏过程。结果表明:应变率越高,材料的极限强度和弹性模量越大,材料在受压的三个方向上均具有一定的应变率强化效应,且高应变率下表现出比准静态压缩时更明显的脆性;编织角的改变对材料在三个方向上的动态压缩性能均有影响,其中对纵向的影响最为明显;不同方向受压时材料的失效形式不同,且准静态和高应变率下的失效形式也有区别。

发散孔横向波纹隔热屏气膜冷却特性研究

针对航空发动机加力燃烧室的冷却,采用横向波纹隔热屏结构和全气膜冷却相结合的高效冷却方式,利用CFD软件,计算分析了吹风比、波长、波幅等结构、气动参数对气膜冷却效率以及热侧换热系数的影响规律。结果表明:随着吹风比的增加,平均绝热冷却效率变大,当吹风比M>2.0后,绝热冷效不再随着吹风比的增加而进一步增大,存在最佳吹风比M=2.0;波长和波幅的变化对平均气膜冷却效率的影响很小,但是对对流换热系数有很大的影响,对流换热系数随着波长的增大而降低,随着波幅的增大而升高;此外,对流换热系数随吹风比的增大而升高,在气膜均匀覆盖后趋于定值。

三维四向编织复合材料宏观有限元模型冲击损伤仿真及试验验证

三维编织复合材料作为整体编织材料,能够克服层合复合材料层间强度低、易分层的缺陷,相对于金属材料,还具有质量轻、高比刚、高比强度以及良好的抗冲击性能、较高的损伤容限,在汽车、高铁、航海、航空及航天领域中具有广泛应用前景。使用空气炮发射系统开展了钢珠以约210m/s速度冲击三维四向编织复合材料平板的不同位置试验,基于宏观观察和细观观测,分析了三维编织复合材料在受到钢珠高速冲击下的破坏模式和破坏机制。此外,本文建立了三维四向编织复合材料宏观连续介质损伤(CDM)有限元模型,其中模型计算剩余速度和试验测得剩余速度误差在5%以内,试验和数值模拟的破坏形貌也高度一致,验证了所建立的宏观CDM有限元模型的有效性。

不同转速下自循环机匣处理对转子性能的影响

以NASA Rotor 37为研究对象,采用数值模拟的方法研究了自循环机匣处理的引气位置在不同转速下对转子性能的影响。研究结果表明:自循环机匣处理的引气位置和转子转速对转子性能的影响具有交互性,其本质原因在于转子在不同转速下处于近失速状态时,转子叶顶区域的流动状态不同,从而造成引气位置和叶顶堵塞区域的相对位置会随着转子转速的变化而变化,进而对转子的性能影响呈现出交互性。通过对三种转速下自循环机匣处理的引气位置对转子稳定性的影响分析知,引气位置位于转子叶顶堵塞区尾缘处时对转子叶顶区的流动堵塞抑制能力最强,极大地改善了转子叶顶区域的流通状况,对转子的失速裕度改进量最为有利,在100%、90%和70%设计转速下,失速裕度改进量的最大值分别为7.46%、8.52%、6.14%。此外,通过对转子叶顶的流场细节分析得知,不同转速下自循环机匣处理的引气位置位于转子近失速工况的叶顶堵塞区尾缘处时,在叶顶造成的高比熵区最少,对转子效率的降低幅度最小,于效率最为有利。