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。     

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。     

某轴流压气机叶尖间隙效应实验研究

本文对某低速轴流压气机叶尖间隙尺度对性能的影响进行了实验研究,并通过不同的机匣结构情况研究一种叶尖漏流不敏感机匣。实验表明,不同的间隙尺度对叶轮机总体性能存在十分明显的影响。对绝大部分运行状态,小间隙下的压升和效率均明显高于大间隙的情况。另外,所采用的毛刷式和篦齿式的机匣实验结果表明,不论毛刷式还是篦齿式机匣,在大流量负攻角情况下对性能的影响不大,但毛刷式机匣并不能达到提高失速裕度的目的,而篦齿式机匣在小流量情况下对压升有所提高,但对效率影响不大。     

后面级“机匣处理”对多级轴流压气机性能的影响

一、试验由来和方案选择 由原型压气机演变而来的C型压气机,装于某型发动机后,产生高空接加力停车故障.根据有关飞行试验实测结果表明,系属压气机喘振引起的整机停车、产生停车的转速在=1.03～1.08范围.因此,为深入了解产生该故障的内在机理和找出可行解决办法,进行有关压气机性能试验显得很有必要。     

轴流压气机流线流动稳定性分析

本文基于叶轮机流动稳定性通用理论的理论架构,建立了压气机流线流动稳定性模型。利用所提出的稳定性模型及相关计算方法,对一典型轴流压气机开展了流动稳定性计算。计算结果表明,所发展的流线流动稳定性模型能够有效地捕捉到不同工况、不同展向位置流线的稳定性差异及变化规律。并从理论计算层面上证明了叶根和叶尖附近流动是压气机流动稳定性的薄弱环节,尤其是叶尖附近流动,决定了系统的稳定边界。此外,根据稳定性分析结果以及对不同工况、不同叶高位置流线流向速度分布的观察,将流向速度在前缘附近沿流线的分布归结为三种形式:单调减速、先加速后减速和单调加速。从稳定性角度看,最理想的速度分布是单调加速,其次是先加速后减速,而在前缘之前就开始减速的流线速度分布是对稳定性不利的。     

轴流压气机性能预测及喘振/堵塞流量边界分析

轴流压气机一维分析在压气机设计及性能快速预测领域具有重要作用,本文基于广泛实验得到的冲角、落后角及各类总压损失模型,建立了逐叶片排计算的一维平均中径程序,利用NASA 2级压气机验证了程序计算精度。通过对四类失速边界模型和三种堵塞边界模型的预测结果对比,分析各类模型在不同转速下的适用性,对压气机流量边界的一维预测提供指导,同时基于速度比提出了一种堵塞边界预测方法,取得较好的效果。     

轴流压气机后掠叶栅性能的研究

1、压气机后掠叶栅性能的计算 临界马赫数 M_(kP):根据飞机后掠机翼理论,对于后掠叶栅的临界马赫数,可以由下式 求得: 即:式中V_直和V_后分别表示相同叶型的直列叶栅(后掠角λ=O)和后掠叶栅(后掠角为λ)中的气流速度。这样,后掠叶栅与直列叶栅比较,所提高的临界马赫数,应为。     

两级低速轴流压气机的喷气实验的非定常响应

在轴流压气机的顶部实施了微量喷气来抑制失速，喷气量为压气机流量的 ０．５‰．如此微量的喷气不足以通过稳态方式来改变流动结构，而是通过改变压气机的非定常边界的方法对系统的稳定性产生影响．实施微量喷气后压气机的稳态特性没有发生变化．实验比较了不同的喷射攻角的失速抑制效果并采用常规方法对相应的周向动态压力信号进行了分析．     

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。     

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。     

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。     

弯曲动叶对跨音轴流压气机性能的影响

对具有弯曲动叶的跨音轴流压气机性能的数值研究表明,反弯曲动叶中通道激波沿径向倾斜角度最大,在顶部移向下游,在中部移向前缘,提高了失速裕度,但也增加了中部损失,反弯曲动叶级效率最低。正弯曲动叶中通道激波在顶部前移,失速裕度下降,通道激波近似为径向,负荷沿叶高分布均匀,气动效率最高。通道激波位置合理分布是弯曲动叶改型设计成功的关键。     

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。     

轴流压气机转子叶片的流固耦合分析

本文针对压气机转子叶片流固耦合问题,采用耦合平台MpCCI连接商业CFD软件FINE/Turbo与CSM软件ABAQUS模拟了设计转速下不同流量工况点的流固耦合问题,对比了流场定常计算与流固耦合非定常计算的结果,得到了叶片振动位移频谱振幅图以及效率和压比变化曲线。研究结果表明在失速点附近叶片振动对流场有显著影响,由此可以对压气机的颤振问题进行预测。     

多级轴流压气机性能预测及导静叶调节优化

基于一维流动模型和复合形法/模拟退火法的优化算法,建立了多级轴流压气机性能预测和导静叶调节优化的方法,编制了相应的Python计算程序,获得了NASA-74A跨音速轴流压气机前三级的气动性能图及最优导静叶调节角度。结果表明:该压气机气动性能的预测结果与试验数据吻合较好,喘振边界预测较准;导静叶调节角度的组合优化使各转速下的最高效率提升明显。研究工作表明所建立的性能预测与调节优化方法具有一定的可靠性,对发展多级高负荷轴流压气机的先进气动设计体系及调节技术具有理论参考价值和重要工程应用意义。     

多级轴流压气机稳定性数值研究

本文以某压气机前五级为研究对象,利用计算流体力学方法研究了可转静叶对提高压气机部分转速下喘振裕度的效果,研究表明,可转静叶能够明显地提高压气机部分转速下的喘振裕度。通过分析影响压气机不稳定性的因素,给出了一个扩压参数来衡量压气机稳定性和承载能力,从而指导选取最优可转静叶安装角,使压气机喘振裕度达到最大,并在该参数的指导下,得出了可转静叶的一组最优安装角。     

风扇/轴流压气机裕度定制

从掌控风扇/轴流压气机裕度方法回顾入手,探析美国和俄罗斯裕度控制方法及相应特点,提出将掠因素全面包含入二维特性预估循环,并将对裕度控制机制的朴素认识嵌入CFD结果判读,形成裕度定制方法。     

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.     

多级轴流压气机三维数值优化设计

开发了利用非均匀有理B样条对叶轮机械三维叶片进行参数化重构的叶片造型模块和提供多种优化方法的优化模块;集成上述模块以及自主开发的网格生成软件和流场求解软件,建立了压气机气动数值优化平台.在该平台上对某5级轴流压气机末级静子进行了气动数值优化设计,取得了良好的优化效果,压气机性能得到有效提高.