跨音压气机机匣冷却流动控制方法研究

近年来轴流压气机非绝热效应逐渐得到学者们的关注,已有研究表明,采用冷却可以提高压气机整体性能。本文在跨音轴流压气机中针对壁面冷却机理进行探讨,并分别针对跨音转子Rotor 37以及某F级燃气轮机压气机首级模化1.5级实验台开展壁面冷却流动控制方法数值研究。在保证压气机相同进口流量时,在单排跨音转子Rotor 37动叶上游机匣处采用壁面冷却,能够有效减小当地音速及增大流速,从而增大叶顶区域激波前相对马赫数,进而增强激波,提高压气机在设计工况点的增压能力。进一步,在1.5级压气机中考察多排环境下壁面冷却作用,冷却分别应用于机匣及进口导叶上,研究结果表明,壁面冷却同样可以提高压气机气动性能。对比机匣冷却与进口导叶冷却两种方式,可知其机理不同,在跨音压气机中机匣冷却具有简便易行且效果显著的特点。     

积垢对离心压气机叶轮气动性能的影响

建立表征离心压气机叶轮积垢分布的粗糙度模型,在叶片表面生成三维、非均匀分布的粗糙带,数值研究干净和积垢状态下叶轮的气动性能和内部流场,并通过敏感性分析,找到对叶轮气动性能影响最大的积垢区域。结果表明:积垢叶轮的多变效率和总压比较干净叶轮均有显著下降;随着流量增大,性能衰减愈发明显;离心压气机叶片前缘靠近叶顶部位为气动性能对积垢的最敏感区域.研究工作为离心压气机的鲁棒设计优化奠定了理论基础。     

多级轴流压气机气动特性优化

采用轴对称特性优化程序对四级轴流压气机进行气动特性优化,研究分析叶片几何参数变化对设计工况及(n)=1.0、0.9转速线上性能影响.指出在多级轴流压气机气动设计过程中,设计工况性能优化将对非设计工况性能产生关联,因而在追求设计点性能同时必须兼顾各折合转速线上性能.实施非设计工况下设计参数优化有望带来多级轴流压气机性能整体提升.     

采用新型非轴对称端壁提高压气机转子性能的数值研究

为进一步改善压气机转子内部的流场结构,探索二次流减少机理,对轴流压气机转子—NASA Rotor37进行了非轴对称端壁造型。本文以商用软件NUMECA为设计平台,发展出一套完整的非轴对称端壁优化设计流程。通过对优化区域及优化方向的控制,设计出一种带有凹槽的非轴对称端壁造型,并对凹槽在轴向的最佳位置进行了讨论。压气机内部流场结构采用三维流线进行分析。结果表明:凹槽改变了槽内以及周边流体的流动轨迹,降低了通道内的横向压力梯度,阻碍了端壁附面层低能流体向吸力面的聚集;同时,凹槽的存在提高了压气机的气动性能和叶片的扩压能力,使二次动能和总压损失系数分别减少了9.52%和6.5%。     

叶轮机械叶栅多目标多学科设计优化算法

提出了基于多目标寻优的叶轮机械叶栅多学科设计优化算法,方法包括:采用并行多目标差分进化算法作为优化求解器来搜寻叶栅多学科设计优化问题的Paxeto解集,采用非均匀B样条方法对叶片型面进行参数化处理,通过求解Reynolds-Avergaed Navier-Stokes方程评估叶片的气动性能,耦合气动计算得到的叶片表面压力,应用有限元分析方法预测叶片的强度性能.为证明本文方法的实用性,选择叶片的等熵效率和叶片应力为目标函数,完成了NASA Rotor 37转子叶栅的多学科设计优化,结果表明本文提出的多学科设计优化算法具有良好的优化性能.     

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。     

基于本征正交分解的气动优化设计外形数据挖掘

气动外形的全局优化设计会产生大量的过程数据,其中隐含的设计知识具有较高的挖掘价值.数据挖掘有助于获取直观、可定性描述的设计知识.本文采用基于本征正交分解的数据挖掘方法从气动优化设计的过程数据中获取设计知识,数据挖掘对象为跨音速压气机转子叶片NASA Rotor 37的优化过程数据,该数据由基于粒子群方法的绝热效率最大化优化设计产生.结果表明:基于本文数据挖掘方法获取的设计知识能够直接反映气动外形的变化规律,为叶片的气动外形设计提供参考;数据挖掘的设计知识成功地验证了优化设计结果的有效性.     

基于实测扭转度误差对叶片气动合格性探讨

在叶片实际加工过程中,不可避免会产生扭转度超差叶片,为探究其气动合格性,以跨声速叶片Rotor37为研究对象,首先将加工公差[-0.5°,+0.5°]添加至设计叶片,采用数值模拟的方法确定气动性能合格范围,分析性能变化规律;而后基于实测扭转度误差均值及标准差,创建加工合格以及超差叶片,总结其气动合格性。研究结果表明：受扭转度误差影响,叶片特性曲线整体偏移,因此在选择近失速及峰值效率工况参数衡量稳定裕度的前提下,“欠偏转”叶片稳定裕度减小,而“过偏转”叶片的增大;以加工公差为参考,叶片超差区域与未超差区域的通流面积和攻角变化趋势相反,即两区域对叶片性能的影响存在抵消作用,使得存在超差叶片气动合格的情况。     

跨音压气机基于前掠和小翼联合扩稳方法研究

针对NASA的Rotor37转子,采用数值方法详细研究了气动前掠和压力面叶尖小翼两种控制方法对其总体性能和叶尖流场结构的影响机制。数值结果表明,单独采用前掠和同时采用前掠和小翼联合作用分别使压气机稳定工作范围提升20.1%和27.7%,且对压气机的效率和增压比影响较小。气动前掠一定程度上抑制了间隙区泄漏流引发的气动损失及低速区范围,但是会导致尖区边界层分离及损失明显增加。相比之下,压力面叶尖小翼对由泄漏流诱发的低速区和吸力面边界层分离区均有较好的抑制效果,从而实现压气机稳定工作范围的明显提升。此外,气动前掠和叶尖小翼的作用效果也表明,转子叶顶的静压差虽然是间隙泄漏流的直接驱动力,但不是影响泄漏流强度和作用范围的唯一因素。     

级环境下某1.5级压气机动叶气动优化设计研究

针对跨音速压气机通道内部由于激波以及叶片角区内低能流体聚集产生附面层分离导致的流动失稳问题,本文基于叶列间流动匹配与控制叶型中弧线曲率的优化设计思想,以E~3高压压气机的前1.5级为蓝本,在级环境下对其转子叶片开展气动优化设计研究。研究结果表明,基于叶型中弧线曲率控制技术的叶片气动优化设计技术能够有效减少优化变量的数目,有效地改善压气机叶片设计点与非设计点的气动性能。     

扩压叶栅中采用带切向孔叶片的研究

数值模拟了低速条件下大转角压气机叶栅中采用带切向孔叶片对叶栅性能的影响.结果表明,与常规不开孔的叶栅相比,采用带切向孔叶片的压气机叶栅通流能力提高1.3%左右,叶栅总损失降低17%左右.气动性能的改善一方面来源于切向孔附近叶片负荷的降低,横向二次流动减弱;另一方面,穿过切向孔在吸力面表面形成的射流增加了吸力面角区内低能流体的能量,提高了其抗分离能力.针对本文算例,从提高做功能力和减小损失的角度看,切向孔应布置在80%轴向弦长以前为好.     

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。     

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。     

对涡旋流对跨声速压气机转子Rotor67的影响

为研究对涡旋流畸变对压气机的影响,本文基于一种新设计的旋流畸变发生器,利用CFD技术,开展了对涡旋流畸变与NASA Rotor67跨声速转子的数值仿真研究。在100%换算转速下,对比分析均匀进气以及旋流进气条件下的压气机压比、效率特性线以及流场分布情况。结果表明,对涡旋流会引起压气机增压能力和效率的下降,并降低压气机稳定工作裕度。在100%换算转速、旋流进气条件下压气机峰值效率点处的流量值较之均匀进气条件下降低2.33%,峰值效率降低2.44%,该点处压比降低0.25%。压气机失速点流量增加0.99%,压气机稳定工作流量范围下降。     

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。     

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。     

低速扩压叶栅中分流叶片的作用与设计

本文采用数值方法,研究在几何大弯角扩压叶栅中,分流叶片的主要设计参数(长度和周向位置)对叶栅气动性能的影响。对比具有不同分流叶片轴向长度和周向偏置的叶栅气动性能,结果表明:分流叶片的主要气动作用是增加气流折转角,提高叶栅的做功能力,而不增加叶栅内流动损失。分流叶片长度大于主叶片表面流动分离区长度时,分离叶片才能起到作用。分流叶片向主叶片吸力面偏置15%节距,对抑制边界层分离的作用更好,流动损失较低。     

高压比离心压气机叶片扩压器设计准则研究

本文对某带叶片扩压器的高压比离心压气机进行数值研究,提出Vt和Vm沿子午流道规律变化的叶片扩压器气动参数设计准则,采用该设计准则的优化结果表明,在保持原型扩压器进出口半径的条件下,压气机压比基本不变,但最高效率提高1.55％,工作裕度扩宽22.22％.同时,本文提供气动参数设计准则相应的快速优化设计流程.该气动设计准则...     

跨音速轴流压气机叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机制和扩稳效果研究

本文将叶顶微喷气方法应用于 NASA Rotor37 跨音速轴流压气机转子,在近失速工况,利用数值模拟方法研究了不同喷气量时叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机理和叶顶微喷气的扩稳效果.结果表明,喷气使得叶顶区域的叶表压力随喷嘴与叶片相对位置的变化沿弦向发生波动,抑制了叶顶泄漏流的自激非定常波动,使叶顶泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游移动,实现了提高压气机性能和稳定性的目的.采用喷射气流的无量纲总动量可关联亚音速和跨音速轴流压气机不同喷气方案的扩稳效果,该无量纲总动量与来流总动量和喷射气流高度成反比,而与叶高和喷射气流总动量成正比.     

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。