某型多级轴流压气机三维CFD流场分析及气动优化

以某11级轴流压气机为研究对象,通过三维计算软件对某型压气机整机建模及流场进行了数值模拟,分别计算了设计工况、变工况及改变导叶安装角等工况的特性,得到了压气机流量－压比特性曲线、流量－效率特性曲线,与压气机的性能试验数据进行了对比,其误差在可允许范围内.同时对压气机的每一级的数据行了分析,总结了该压气机的气动设计规律.通过流场分析得到出口导叶的流场分布不合理的结论,并通过对其母型机的流场分析,提出了改进的方案.这些工作对压气机的设计开发提供了宝贵经验.     

叶型探针对跨声压气机性能影响的数值模拟

为揭示叶型探针对跨声压气机气动性能影响的物理机理,采用三维数值模拟方法,通过构建带多点实体探头的1.5级压气机计算模型,详细研究了设计转速下压气机在安装探头前后性能特性与内部流场的变化规律。结果表明:级间局部静叶安装探头后,压气机下堵点流量减小0.1%,最高效率降低0.4%,失速点流量增大0.15%;由压气机工作点改变所引起的静叶攻角变化是影响叶片表面两侧探头绕流尺度的重要因素,并且探头绕流影响程度与静叶气动负荷存在较高的关联度;探头大尺度绕流加剧下游转子叶背根部附面层径向迁移与分离是导致该型压气机气动失稳提前的主要原因。     

出口测量探针布局对轴流压气机气动性能试验的影响研究

为了研究出口测量探针布局(探针数量及所处轴向位置)对压气机气动性能试验的影响,针对含测量探针的三级轴流压气机开展全周非定常数值计算。结果表明：出口测量探针将改变上游的流场结构,在末级叶片进出口截面对应探针的周向位置处形成局部高总压区和气流角偏移区,该区域覆盖有3～4个叶栅通道;随着探针与末级叶片轴向距离增加,高总压区的强度减弱,但作用范围增加;增加出口探针数量并未明显改善压气机试验性能评估精度,与无探针条件下的压气机性能相比,压比偏高0.6%,效率绝对值偏高1.8%;为减少试验中基于探针测点得到的压气机性能试验误差,不仅需考虑探针对测量截面流场的影响,更应根据测量截面流场不均匀性合理布局探针。     

某三级半压气机顶隙变化影响的数值研究

采用NUMECA软件FINE/Turbo模块对某三级半压气机热稳态模型在不同顶隙条件下的内部流场进行了数值模拟,给出了不同间隙对整级和各级气动性能的影响,计算结果表明:叶顶间隙的变化改变了压气机运行特性曲线,适当小的间隙可以获得更高的效率和压比,各级的特性匹配不佳,前两级匹配还有改进的余地.     

航空发动机高压压气机吸雨特性分析

为了评估高压压气机吸雨对其气动性能的影响,利用压气机一维计算方法,结合能够反映气水混合物在压气机内部流动物理现象的两相流计算模型,以E3十级高压压气机为研究对象,在来流含水的状态下进行了一维特性计算,研究分析了不同含水量对压气机气动性能的影响。研究结果表明:水滴粘附在叶片表面形成的水膜及水在流动过程中的蒸发作用对压气机性能存在不可忽视的影响。     

增压级末级流路和末级静叶安装角优化设计

为了改善增压级流场特性、提升包括增压级在内的低压压气机部件的性能水平,本文开展了增压级末级流路和末级静叶安装角的优化设计。通过优化增压级末级动叶和静叶的进口马赫数,验证了末级流路大曲率变化特征对于叶片根部流场的影响;通过优化末级静叶的安装角,降低了内涵支板对上游流场的堵塞效应;在此基础上,实现了低压压气机部件性能水平的提升。三维数值求解结果表明,低压压气机部件设计工况的效率提升了0.30个百分点;末级静叶进口静压的最大值下降了约2 000 Pa,进口静压的周向不均匀性明显降低。本文的研究成果在大涵道比航空发动机压缩部件的气动设计中具有重要的工程应用价值。     

多级轴流压气机一维性能预测程序开发及应用

为了实现对轴流压气机气动性能的准确预测,基于平均流线法建立了多级轴流压气机一维气动性能预测方法,编制了相应的Matlab程序,该方法允许针对不同类型压气机选择适用的经验模型。通过计算得到了某四级亚音速轴流压气机和某八级高速轴流压气机的气动性能,对比分析发现,一维性能预测结果与实验/三维CFD模拟结果吻合较好,效率与压比计算偏差均保持在较小范围内,预测结果精度较高。为进一步提高压气机气动性能预测的准确性,发展了一种经验模型自动校准方法,采用该方法对选取的四级亚音速轴流压气机和八级高速轴流压气机模型进行校准,校准后对各转速下气动性能的预测精度均有所提高。研究工作表明,所建立的多级轴流压气机一维气动性能预测方法以及模型自动校准方法具有一定的准确性和可靠性。     

展弦比对船用燃气轮机低压压气机跨音级性能影响研究

为了揭示展弦比对压气机跨声速级气动性能的影响机理,进一步提高舰船燃气轮机低压压气机的气动性能,采用数值模拟方法研究了展弦比对某船用燃气轮机低压压气机跨声速级气动性能的影响.结果表明:展弦比对压气机性能的影响受到扭曲规律和反动度等参数选择的影响,对于不同的扭曲方式和反动度分别存在着效率最优展弦比和喘振裕度最优展弦比,且在...     

某燃气轮机低压压气机加级设计方法研究

以某燃气轮机低压8级压气机为母型,开展加零级改进设计。通过对母型机进行分析,合理地选取匹配点,对压气机零级进行了一维、二维气动设计,最后对零级压气机叶片进行三维造型。数值结果表明:新设计压气机在设计转速7 450 r/min下,流量为123 kg/s,总压比为6.125,等熵效率为88.3%,喘振裕度为32.8%,达到了设计指标;新设计零级与母型机流场匹配较好;通过对压气机变工况性能进行分析,各主要运行工况喘振裕度满足10%设计要求。     

动叶正弯对压气机性能影响的数值研究

对某多级高亚音轴流压气机的第七级动叶叶片进行了正弯设计的参数研究,得到了适用于所研究压气机的弯动叶气动性能变化规律,数值研究结果表明:对于正弯叶片,弯角和弯高存在一个最佳数值.动叶正弯改善了压气机级的气动性能,提高了整级的效率和压比.     

雷诺数对压气机性能影响的数值模拟

采用加入AGS转捩模型的Spalart—Allmaras湍流模型对低雷诺数条件下NASA37跨音速压气机转子内部流场进行数值模拟。分析了雷诺数对NASA37压气机转子内部流场特性和性能的影响,探讨了雷诺数对压气机气动性能的影响机理和影响规律。结果表明,随着雷诺数的降低,叶片表面吸力面附面层分离增大,压气机的效率和增压比都逐渐下降,稳定工作范围减小,特别是当雷诺数低于临界雷诺数时,压气机的工作性能和稳定性都发生明显下降。     

静叶端弯对某两级轴流压气机气动性能的影响

利用数值模拟的方法,研究了静叶采用前缘增弯对某多级重型燃气轮机压气机中间两级气动性能的影响。计算结果表明,在近失速点处,原型静叶角区存在较大尺度的闭式分离泡。应用端弯叶片技术后,端壁回流区消除,角区分离尺寸减小,在保证设计点处气动性能不变的前提下,两级压气机的喘振裕度增加了12.85%,峰值效率提高了约0.67%。     

多级轴流压气机级间参数测试的叶型受感部设计

针对某重型燃气轮机压气机的模化机级间测试需要,完成了压气机4级叶型受感部的设计,测点按流线布置在各级静叶前缘处,能够进行动叶出口的总压、总温测量,用于分析压气机的性能及内部流场特性。     

轮毂泄漏流对跨声速压气机转子性能影响的数值研究

为揭示转子前缘轮毂间隙泄漏流对高负荷压气机气动性能影响的物理机制，采用轮毂间隙边界条件模化处理方法，开展了轮毂泄漏流对跨声速压气机转子性能影响的三维定常数值模拟，分析了不同轮毂泄漏流量下压气机轮毂壁面流场结构与流态变化特征。研究结果表明：轮毂泄漏流会恶化压气机流通能力，影响程度随着泄漏量增加而逐渐增大。在近峰值效率工况下，当泄漏流量达到0.50%时，压气机流量约减小0.74%。当轮毂泄漏流达到一定强度后，反而呈现出部分正面效果，使得压气机压比或效率得到一定程度改善。轮毂泄漏流通过影响轮毂壁面流场结构空间分布来对压气机气动性能施加影响，尤其是鞍点的位置决定着轮毂间隙下游回流区和顺流区的影响范围以及轮毂壁面横向潜流强度。     

燃气轮机惯性级分离装置的气动特性研究

气动特性是燃气轮机惯性级分离装置工作性能的宏观指标,进气通道的气动性能越差,压气机效率、压比及燃气轮机的功率越低。对燃气轮机一种惯性级导叶进行气动损失特性研究,分别对进口流速工况为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m/s的流道进行研究。首先从数值模拟的角度对二维流道流场模拟,得出数值模拟气动损失数据。然后从试验研究的角度对该惯性级导叶气动损失特性测试。分析数值模拟与试验研究的结果,得出:不同进口流速下,两者总压损失都近似成线性关系;气动阻力损失系数都基本保持不变,但两者存在一定的偏差;数值建模参数假设的误差是导致偏差的主要原因。     

增压器压气机叶片结构/振动一体化优化设计

以废气涡轮增压器压气机叶轮为研究对象,创建了压气机叶片的三维参数化模型,通过全三维流场仿真分析,得到压气机的气动性能及叶片表面的压力分布.在不改变叶片形状、保证压气机气动性能的情况下,对叶片的静强度及振动特性进行了一体化优化设计.以叶片4个关键截面的叶顶、叶根厚度为设计变量,以离心力及气动压力作用下叶片的最大Mises应力、叶片的一阶动频为约束,以叶片体积为目标函数,在iSIGHT优化平台上集成了I-DEAS、ANSYS软件,采用混合整型优化和自适应模拟退火算法的组合优化方法,在满足叶片静强度小于屈服强度和一阶动频大于3倍工作频率的条件下,叶片体积(质量)减小了14.7%.     

压气机叶片多工况气动优化设计研究

采用数值优化方法对跨声速压气机转子叶片进行了多工况气动优化设计,并对设计前后的几何形状、总体性能及流场的变化进行了详细的分析对比。结果表明,压气机转子前缘激波后掠可以有效地降低损失。优化后叶片的变工况性能非常好。各个工况点的质量流量基本不变,并且叶片稳定工作范围有所扩大。     

跨声速压气机转子多目标气动优化设计研究

采用数值优化方法对跨声速压气机转子NASA rotor37进行了多目标的数值三维气动优化设计,并对设计前后的几何形状、总体性能及流场的变化进行了详细的分析对比.结果表明,利用多目标遗传算法或者多目标模拟退火算法进行多目标的气动优化设计所得出的分布是基本一致的.各性能参数及流场结构的变化还是主要来源于前缘激波结构的变化.     

压气机分层优化气动设计体系研究

基于压气机分层次气动优化设计思想,结合了优化算法、CFD(计算流体力学)技术与压气机气动设计程序,利用商业软件,建立了压气机气动优化设计平台,将气动优化设计思想融入到了压气机气动设计多个阶段,以实现压气机气动设计使性能最优化的目的.应用商业通用优化平台进行了轴流压气机一维、S2反问题气动优化设计,并采用NUMECA提供的全三维优化设计平台对压气机进行了全三维气动优化设计.计算结果表明:分层气动优化设计是提高压气机气动性能的有效手段,先进的优化算法在气动设计的各阶段都能够比传统设计手段更大限度地实现压气机性能的最优化.     

畸变进气条件下风扇三维非定常流动数值模拟

分析畸变进气情况下轴流风扇/压气机三维流场和性能的三维可压缩模型.该模型利用流线曲率法求得叶片对气流做功的叶轮机源项,然后通过求解带源项的三维非定常Euler方程,对风扇/压气机内部三维流场和性能进行模拟.利用该模型对某一跨音速风扇转子的三维流场和性能进行了数值模拟分析,特别是分析对比了在进口无畸变和进口有畸变情况下的风扇内部三维流场和气动性能.研究结果表明,该三维理论预测模型能有效地分析进气畸变对轴流风扇性能及其稳定性的影响.