高性能高负荷轴流压气机设计参数选取分析

高负荷压气机设计参数的选择由于超出了常规负荷压气机设计参数的选择区间,有必要进行系统的分析以确定其关键气动和叶片几何造型参数的选取原则,从而保证其综合性能能够达到较优的状态。本文首先通过数值模拟方法,建立了基于CDA叶型的覆盖高负荷压气机叶型设计参数选择区间的数值数据库,发展了一套高负荷压气机叶型的损失评估模型,并建立了针对高负荷压气机设计参数合理化选取的低维分析方法。在此基础之上,分析了不同负荷水平的压气机基元级关键气动和叶型造型几何参数对基元级性能的影响。重点分析了在确定级负荷水平下,基元级进口预旋、反力度和叶片稠度选择对压气机效率和裕度的影响,并以此为依据初步确定了这些参数在高负荷压气机设计时的合理化选择区间。研究表明,对于超高负荷设计的压气机基元级,静子的设计难度更高,对压气机效率和稳定性的影响更为明显。     

吸附式叶栅代替串联叶栅气动可行性探索

本文首先以ONERA串列叶栅为研究对象,利用数值模拟的方法对串列叶栅特性及其内部流动进行了分析,在此基础上,设计了与串列叶栅具有同等性能的单列吸附式叶栅,并在设计工况和非设计工况下对改型后的单列吸附式叶栅特性及其内部流场进行了详细分析.结果表明:在相同来流马赫数、出口条件和扩散因子的情况下,单列吸附式叶栅的性能优于串列叶栅,在高负荷压气机设计中用吸附式单列叶栅代替串列叶栅的做法是可行的.     

多级低反动度高负荷轴流压气机及其内部流动机理研究

本文提出了亚音速多级低反动度高负荷轴流压气机的设计概念,并对其可行性进行了理论分析.应用此设计概念,结合附面层抽吸技术,将某11级轴流压气机改为7级,并对具有典型流动特征的末两级进行了详细的数值模拟.数值模拟结果表明多级低反动度高负荷轴流压气机的设计概念是可行的.     

采用复杂三维气动布局的高负荷压气机气动设计研究

通过数值模拟,采用融合多种流动控制手段的三维气动布局设计方法,设计了一对单级高负荷轴流压气机进行对比研究。研究结果表明:从传统压气机设计角度出发,采用复杂的三维气动布局设计方法,设计所得的压气机性能仍具备较大的提升空间。而将压气机内的设计矛盾重新分配,以最大程度地利用流动控制技术,可以显著提升压气机在设计点的气动性能,并明显拓宽压气机的稳定工作范围。     

低反动度附面层抽吸式压气机及其内部流动控制

本文进一步分析了低反动度附面层抽吸式压气机概念,并讨论了该压气机的设计要点和应用范围;分析了抽吸掉的附面层内的低能高熵流体的可能利用途径,以及对于不同的利用方式,效率的评估方法;基于上述概念设计了一台亚声速低反动度附面层抽吸式压气机,详细地分析了该压气机的气动参数选取与分布特点,以及该压气机内部的三维分离流动及其控制规律.     

高速离心压气机的设计与流场数值计算

介绍了一个带有分流叶片的小流量离心压气机的设计过程,这个叶轮的主要设计参数为流量0.215 kg/s,转速95000 r/min,压比1.8。简要介绍了离心压气机设计系统,其中包括初步设计及优化模块,性能仿真模块,叶轮造型模块。使用三维N-S方程对所设计的离心压气机在设计点的性能进行了计算,计算结果表明所设计的离心压气机基本能够满足设计要求。     

多级吸附式压气机末级静子叶型构型方法研究

针对某多级低反力度吸附式压气机末级静子较薄,存在叶片抽吸结构设计困难的问题,设计了三种叶型构型——传统双圆弧叶型、优化叶型以及串列静子作为末级静子主流区叶型备选方案。借助数值模拟的方法,详细对比分析了三种构型方案的变工况性能及其内部流场结构特点。结果表明,当叶型扩压因子超出常规设计范畴时,传统双圆弧叶型设计点处于损失急剧增加的位置;优化叶型通过合理调整叶型内部压力场分布,显著降低了设计点附近及正冲角下的总压损失,但大负冲角下,压力面分离损失加剧;基于原型双圆弧叶型参数设计的串列静子具有更佳的气动性能,在全工况范围内,损失均低于单列叶片。     

一个基于高阶导数的三维叶片成型系统开发

在准三维气动设计的基础上,提出一种基于立方样条曲线直接定义叶型中弧线二阶导数的方法构建二维叶型,根据相应的积叠参数对叶型进行积叠获得三维叶片的叶片成型方法,并开发了相应的三维叶片几何成型系统程序。研究结果表明:该叶片成型系统能够充分保证几何参数的光滑性,这在高负荷压气机设计中对于提高级负荷水平、控制激波结构与激波损失、控制角区二次流损失、拓展压气机失速裕度等方面具有诸多优势。     

高压比旋转冲压叶轮研究

在喷气发动机的发展过程中,通过增大压气机的级负荷来减少压气机的级数,提高整个发动机的推重比(功重比)是一个重要的发展方向,而提高动叶周向速度是提高压气机级压比的重要发展途径.随着高负荷压气机的叶尖来流相对马赫数的进一步提高,利用复杂激波波系来实现增压效应的超音速压气机成为高性能压气机的研究趋势.本文在对比分析超音进气道、Rampressor和传统超音速压气机的基础上,将超音进气道的设计原理引入冲压叶栅的设计当中,提出了将冲压面布置于S1流面的旋转冲压压气机转子方案,并创造性地提出了内压式冲压叶栅的概念及相应的设计方法.采用此类冲压转子的压气机,具有大流量、高负荷、高效率的特点.数值模拟的结果表明,当叶尖速度达450m/s时,冲压叶轮的静压升可以超过4.5,总压升可达2.9,叶轮的效率则为83%左右.     

高负荷叶栅角区分离的叶片端区开槽实验研究

为了契合新一代高负荷压气机的发展需求,基于我们课题组前期提出的叶片端区开槽重构端区流场的新思路,进一步完善了槽道设计方法,并对一高速高负荷叶栅(扩散因子0.55)的角区流动控制进行了实验研究。首先基于控制理念及数值模拟的优化结果,得到了端区20%叶高开设两个槽道的控制方案;进一步采用实验测量了在马赫数0.59来流条件下多个不同攻角时叶片端区开槽的控制效果。结果表明,叶片端区开槽可有效重构叶片端区流场,抑制高负荷工况下开式分离的产生,改善多工况下叶片的气动性能,提高叶片的负荷承载极限;槽道出口产生的射流具有工况自适应性,可有效拓宽叶片有效工作攻角范围。     

附面层吸除对带间隙的高负荷压气机叶栅流动特性影响的实验研究

将附面层吸除技术应用于带间隙的高负荷压气机叶栅中,并在低速平面叶栅风洞里,实验研究了附面层吸除对带间隙的高负荷压气机叶栅流动特性的影响。实验采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面参数,得到了该截面的二次流速度矢量分布,并对叶栅壁面进行了墨迹流动显示。结果表明,采用恰当的附面层吸除设置可以大幅改善流动,降低损失;在吸力面附近和间隙内采用附面层吸除(本文的方案1、2和4)都将削弱间隙泄漏流动的动能,从而影响吸力面再附线和端壁分离线的长度和位置,达到对相应区域三维流动分离的控制,并大幅降低总损失,其中方案1的损失下降达到20.8%。     

某五级高负荷轴流压气机气动性能分析

本文针对某五级高负荷压气机进行了实验和数值计算研究,详细对比分析了该压气机设计转速下的气动性能。首先就总体性能和流场细节对数值计算进行实验校核,结果表明:该压气机数值计算得到的总体性能曲线与实验结果吻合良好,设计点和近失速点的级间总压和壁面静压的数值计算和实验结果吻合良好。进一步气动分析表明;该压气机设计工况下气动性能良好,近失速工况下第五级静叶70%叶展以下部分流动首先恶化,进而引发该压气机失速。     

高负荷轴流压气机的通流计算与分析

高负荷轴流压气机内部流动复杂,气动性能预测难度大。本文介绍了作者开发的一套适用于高负荷轴流压气机性能预测的通流计算程序。程序采用流线曲率法,基于对压气机内部流动规律的深刻认识,结合实际工程经验,建立了对于损失、落后角等的预测模型,以及失速和掺混模型。通过对NASA的跨音转子Rotor 1B、PW三级机组3S1、GE公司E~3机组等多台有代表性机组进行计算,并将计算结果与试验数据进行对比,验证了本通流程序的可靠性。结果表明,本程序是高负荷轴流压气机性能分析预测的有效工具,具有一定工程应用价值。     

轴流压气机等离子体流动控制

作者在国际上较早开展了轴流压气机等离子体流动控制研究工作,经过近十年的研究积累,对轴流压气机等离子体流动控制建立了较为深刻的认识。本文首先简要展示了轴流压气机等离子体流动控制的部分研究进展:以压气机叶栅为研究对象,分析了等离子体激励对叶顶泄漏流抑制的规律和机制;通过数值仿真和实验,研究了等离子体激励对高负荷轴流压气机失速的流动控制规律和机制;以高速压气机叶栅为研究对象,探索了吸力面和端壁等离子体激励对高速压气机三维角区分离的流动控制规律;然后介绍了等离子体激励式压气机的概念;最后给出了对未来研究工作的展望。     

多级轴流压气机通流造型一体化设计研究

多级轴流压气机气动设计的核心是S2通流设计和叶片造型设计。为了提高设计效率、降低时间成本,研究开发了多级轴流压气机通流、造型一体化设计方法。通过将S2通流设计反问题与叶片造型耦合联结,一体化设计获取压气机气动流场参数和流道、叶片几何,并直接与全三维数值模拟相衔接,可快速得到基本满足目标需求的初始设计。通过一体化反演设计具有设计数据与试验结果的美国E~3十级高压压气机前六级,其设计点的流量、绝热效率误差范围均在2.5%内,具有较好的工程精度,验证了研发的多级轴流压气机通流造型一体化设计的有效性与实用性。     

跨音速轴流压气机级三维粘性流场全工况数值模拟

采用一种快速求解三维粘性流场的计算方法求解跨音速轴流压气机级内部流场及全工况特性。该方法以LU-SGS-GE隐式格式和MUSCL TVD迎风格式为基础,结合壁面函数方法和简单的混合长度湍流模型,对三维可压缩雷诺平均Navie-Stokes方程进行求解。叶列间参数的传递采用混合平面方法并应用了微机网络并行计算技术。计算得到了NASA 37号低展弦比、跨音速轴流压气机级70％设计转速下的全工况性能曲线,并重点分析了其中一些典型工况下的内部流场。计算与实验结果的对比表明此方法能快速得到三维粘性流场的流动特性且计算精度较高,可用来模拟跨音速轴流压气机级内的全工况三维粘性流动。     

四级低速大尺寸压气机的试验与数值模拟研究

在上海交通大学自行设计、搭建的低速大尺寸压气机(Low Speed Research Compressor,LSRC)试验台上对带有悬臂静叶的压气机试验件进行总体性能及气动参数的试验研究,以验证低速模拟试验技术。并利用单通道定常数值模拟对其进行计算,与试验结果进行对比,以校验数值模拟方法。四级压气机试验件由高负荷高压压气机后面级经过低速模化设计而来。试验结果表明,该四级压气机级在最高效率点效率达到86.20%,总压比达到1.088,失速裕度为36.64%。单通道定常数值模拟能够较为准确地得到压气机特性及气动参数分布等结果,进一步准确模拟失速裕度及级间参数分布需采用非定常数值模拟方法。     

五级轴流压气机气动设计数值研究

针对某中档功率燃气轮机压气机部件气动性能需求,开展了五级轴流低压压气机气动设计技术数值研究。围绕提高效率和扩大喘振裕度两个根本问题,在气动设计的一维设计、S2通流设计、叶片造型等各个环节进行了参数筛选与性能优化,并通过Numeca软件和Denton程序全三维数值模拟性能确认,设计点气动性能满足并超过了指标要求。为了满足低速运行压气机喘振裕度要求,一维经验统计数值预测前面级导叶调节所能带来的喘振裕度拓展区间,并研究了几级联调的调节规律,以指导五级轴流压气机气动性能试验。本文研究提供了满足性能指标要求的全新五级轴流压气机气动设计,获得的扩喘导叶调节规律可供相似多级轴流压气机导叶联调参考。     

跨音速单转子压气机气动设计的优化

本文发展了一种提高跨音压气机效率的优化设计方法。该方法由快速叶片造型和网格生成、三维NS方程求解器和优化方法三部分组成。以绝热效率为设计目标,只选择两个参数-最大弯度和最大厚度相对位置沿叶高的分布为优化参数,成功设计了一个跨音单转子压气机。在此基础上,进一步考察了叶片端布周向弯曲对跨音单转子压气机性能的影响。     

小型航空压气机CFD设计系统

本文概要介绍了株洲航空动力机械研究所在９０年代中期引进每秒１０亿次运算速度的计算机后,建立了以二维叶片造型和三维粘性数值计算为核心的小发压气机ＣＦＤ设计系统。用新建立的ＣＦＤ设计系统进行了单级和双级压气机设计并进行了试验验证．试验结果证明,使用该系统能够完成高性能小型轴流压气机设计。