周向总压畸变在轴流压气机中的传递特性预测新模型

基于轴流压气机分级级特性，建立了一种预测周向总压畸变沿轴流压气机传递的级矩阵分析新模型。应用新模型于2个轴流压气机算例，对其进口总压畸变传递特性进行了详细的数值分析，新模型预测的总压、总温及气流角的周向分布与叶排特性模型结果比较表明，新模型和采用的方法合理、可行。新模型计算结果表明，随着压气机工作点向不稳定边界移动，压气机级出口的总压畸变衰减程度明显降低，并且其级出口周向总温分布不再与转子进口绝对流动角周向分布相对应，其级进口绝对流动角减小、攻角增大，这主要与压气机级特性分布规律变化有关，显然这对压气机性能及稳定工作范围产生不利影响。     

叶片积垢对压气机性能衰退的影响

空气中的粉尘、微粒容易随空气进入压气机,导致叶片、通道壁面等表面粗糙度增大,降低部件的效率和流通能力,进而影响整机性能。通过对某1.5级轴流压气机进行三维CFD数值模拟,采用基于表面粗糙度与随机尺寸的积垢模拟方法,对积垢造成压气机性能衰退的机理进行对比分析,得到积垢后压气机的效率、压比、轴向力的衰退与转速的关系,以及压气机积垢后的流场变化情况。研究结果可为确定压气机清洗周期和预防叶片积垢提供借鉴。     

叶栅端壁附面层叶片力亏损预测模型

本文基于实验结果,提出了一种预测轴流压气机叶栅端壁附面层叶片力亏损的通用模型.该模型的理论性强、物理意义明确.它包含了目前广泛使用的现有诸种叶片力亏损模型且明显减少了模型的经验性.应用于不同轴流压气机叶栅端壁附面层流动的数值分析结果与实验结果的比较表明,本文所建立的新模型通用性更强且精度也得到了进一步的提高.     

进口总压畸变对亚声速轴流压气机流场影响数值研究

文章采用全三维定常、非定常数值模拟,计算3种不同周向总压畸变:1×120°、2×60°以反5×24°周向总压畸变对某亚声速轴流压气机总性能影响,并详细分析了总压畸变对压气机内部转子流场的影响.数值模拟结果揭示了;周向总压畸变对该压气机转子总性能影响不大,而对它的失速裕度影响较大;1×120°周向总压畸变,失速裕度损失最大,约有7%的裕度损失.2×60°以及5×24°周向总压畸变,裕度损失分别为3%和1.5%;畸变区与非畸变区边界上有明显的周向流动,且流动方向为从非畸变区指向畸变区内,当叶片进入畸变区时,叶片载荷减小,当离开畸变区时,叶片载荷增大;进口周向总压畸变使得堵塞流量减小,同时引起出口总温总压畸变.     

叶栅端壁附面层的预测模型研究

本文对轴流压气机叶栅端壁附面层的诸种计算方法进行了详细的研制，基于实验和理论提出一种将叶片力亏损与端壁附面层主流和横流发展相关联的新的叶片力亏损模型，该模型不仅适用于叶栅通道内的附面层计算，而且适用于考虑端部间隙漏流影响的端壁附面层计算，对三种不同叶栅的计算结果表明，采用本文的力亏损模型和端壁附面层计算方法所预测的端壁附面层发展，尤其是叶片力亏损的发展，与实验结果一致性较好，这说明本文不仅通用性强而且更具有强的实用性。     

积垢条件下压气机性能衰退数值模拟

针对轴流压气机在实际工作中遇到的叶片表面磨损、积垢问题,本文以NASA Stage 35单级轴流压气机模型为研究对象,建立了数值计算模型,以压气机的静叶部分为主要研究对象,使用更改静叶叶片表面粗糙度值和不均匀地更改静叶叶型厚度两种不同方法模拟压气机表面积垢情况,得到压气机效率、压比等性能的衰退情况与不同模拟方法的关系,以及压气机不同程度积垢下的流场变化情况。计算结果表明:更改叶片表面粗糙度对压气机的效率性能影响要大于对压比的影响,叶型厚度的变化会明显影响压气机的稳定工作范围。研究结果可为确定压气机清洗周期和运行寿命预估提供借鉴。     

多级轴流压气机内部声共振的噪声特征研究

基于某型多级轴流压气机部件试验,主要研究高压一级转子叶片出现高振幅级叶片振动时,压气机流道内部的噪声特性,重点分析换算流量(ma)的变化和静子导流叶片连动角度(S0)的变化对压气机内部噪声信号的影响。分析结果表明,此现象可能与压气机环形空间中的声共振有关,压气机中发生的所有共振都在一个频率下,即声共振频率呈现锁频现象;此外,谐振最大时,声共振频率处的声能量超过了通常较大的叶片通过频率处的声能量,在整个声压级谱中占主导地位;ma和S0的变化对声共振频率不产生影响,但ma和S0的变化对压气机内部噪声信号特征和转子叶片振动应力幅值影响较大。研究结果对进一步研究声共振现象有一定的参考价值。     

压气机动叶CLOCKING效应对叶片气动负荷的影响

为研究某型燃气轮机中间三级轴流压气机第二级动叶片的CLOCKING效应及其对静叶片气动负荷的影响,采用基于谐函数(harmonic)的非定常计算方法对三级压气机进行数值模拟,分析流场尾迹输运以及叶片非定常气动负荷.计算结果表明,动叶片处于不同CLOCKING位置时,非定常流场具有截然不同的熵输运特点,因而在不同的气流激振力作用下各列叶片气动负荷差别较大.在CLK2位置上,静叶片气动力始终为正值,且波动幅值明显比其它位置小,气动力方向角波动范围最小,且气动力矩波动幅值和方向改变次数最少,具有最稳定的气动负荷.     

轴流压缩系统动态响应的隐式算法

提出了一种分析动态温度扰动下多级轴流压气机动态响应及气动稳定性的隐式计算方法。基于多级压气机逐级特性，给出了压缩系统失稳判别的数值准则。算例结果表明，隐式算法的精度较高，有效地提高了轴流压气机动态响应数值预测的可靠性。     

粗糙度对边界层流动及压气机气动性能的影响

为了研究叶片表面粗糙度对边界层流动及压气机气动性能的影响,本文以T3系列平板转捩实验为对象,通过构建Gauss型粗糙表面来验证等效砂粒模型计算方法的适用性,并采用商业软件ANSYS CFX对NASA Stage35型压气机进行了表面粗糙度的数值模拟研究。研究结果表明:采用等效砂粒模型进行表面粗糙度的数值研究能够满足工程要求;当动叶表面粗糙度ks由1μm增大至100μm时,压气机峰值效率减小3.5%,对应工况点的压比减小0.8%,总温比升高0.4%。同时,粗糙度增加后的压气机最大压比与光滑情况下相比减小4.5%;计算得到了总损失系数ω和效率损失系数ζ与叶片表面粗糙度的关系,具有一定的工程价值。     

进气畸变下轴流压气机级间流场的研究——畸变传递的计算方法和试验研究

本文介绍进口有畸变时多级轴流压气机中非对称流场的数值计算方法,并给出计算与试验结果的比较。本研究在文献[1]给出的二元线化激盘模型的基础上,考虑了切向脉动速度的影响和非定常流效应,并在一台九级压气机的涡喷发动机上作了试验验证。结果表明,新发展的模型计算的结果与试验数据基本吻合。     

超、跨音速单级轴流压气机特性的计算方法

解压气机的特性问题是属于叶片机的正问题。本文采用流线曲率法解主方程。受解的唯一性限制,在解超、跨音速压气机流场时,本文提出了利用叶片机反问题的数学处理方法解决叶片机正问题的方法和步骤,这是本文所具有的特点之一;同时本文还综合实验数据提出了适用于多圆弧叶型和双圆弧叶型的损失模型和落后角模型;提出的方法考虑了子午速度比和阻尼台的影响。所以本文所提供的方法考虑了近代超、跨音速级压气机的特征。经过一台跨音速转子和一台超音速级压气机的算例的特性计算和实验结果的对比,除堵塞流量附近的个别点外、最大误差不超过0.068,所以利用本方法可以得到满意的结果。     

轴流压气机特性预测

对某一预测压气机性能的算法进行了分析研究。该算法是基于20多台压气机数据综合分析得出的一系列半经验公式和修正系数，并结合压气机几何参数来预测压气机性能。在对原算法进行深入分析的基础上，对分解单级特性的算法提出了改进方案。为验证改进方案的可行性和适用性，对2台多级轴流压气机性能进行了计算。结果表明，分解单级特性的改进方案是可行的。     

预测轴流压气机叶栅端壁附面层及叶片力亏损的速度模型

本文应用三种不同的三维附层速度分布模型对轴流压气机叶栅通道端壁附面层及其叶片力亏损进行了详细的研究，考虑了叶片端部间隙漏流的影响。对三种高负荷叶栅的数值分析结果与实验结果比较表明，采用新的叶片力亏损模型后，不同的速度分布模型对叶片力亏损的预测结果影响较小；而对端壁附面层的预测结果产生较强的影响，叶栅端部无间隙叶，本文的速度模型1或3优于模型2；叶栅端部有间隙时，速度模型1最优，由此提高了端壁附面层数值预测的准确性。     

跨声速轴流压气机多叶排反问题优化方法

为提升跨声速压气机的气动性能,以叶轮机械三维黏性反问题设计理论为基础,发展了适用于压气机多叶排三维反问题优化设计方法。描述了压气机多叶排流场计算所采用的数值求解技术,详细推导了反问题优化设计方法和流程。为验证方法的正确性,运用德国宇航中心单级跨声速压气机R030-SUKS/31的实验数据与计算结果进行对比。在对原型叶片表面载荷进行分析的基础上,重新修改叶片表面载荷分布,并通过反问题设计方法计算得到新的叶片几何构型。结果表明,通过修改叶片表面载荷分布,运用反问题设计方法得到的压气机,其进口相对马赫数有所提升,压气机流量和压比分别提高了3.5%和2.0%,气动性能有明显提升,验证了方法的正确性和有效性。     

进气畸变对涡喷发动机工作过程和稳定性的影响的计算分析

本文介绍一种计算方法,可用来计算涡喷发动机在进气畸变下的工作过程。该方法是在涡喷发动机性能模拟基础上,引入平行压气机理论于全台发动机上,提出了称之为全机平行子压气机—混合模型来建立起有进气畸变时发动机的计算方法的。该方法不仅能确定发动机的共同工作点,发动机性能,同时还可算出畸变下的压气机特性。文中具体算例为一台轴流式的、有九级压气机的涡喷发动机。计算求得的发动机工作参数、压气机特性、发动机性能与实验数据吻合良好。     

机匣喷气改善压气机性能的机理研究

压气机机匣喷气可以有效改善涡轮增压柴油机的加载性能。为了研究机匣喷气对压气机性能的影响,建立了带有机匣喷气结构的压气机模型,并对其进行数值分析。计算结果表明:机匣喷气会向压气机引入高能气体,降低压气机的叶片载荷、减小压缩功,并且同时可以增大压气机出口的气体流量,因此可以改善涡轮增压柴油机的加载性能;采用机匣喷气会导致在转子叶片上部(沿叶高方向)区域中形成回流,是降低压气机入口流量和降低压气机定熵效率的主要原因;机匣喷气喷出的高速气流通过引射作用抑制转子叶片上部的回流区域向叶片中下部扩大,同时增大扩压器入口的气流角,减少气流与叶片的碰撞,延迟喘振发生。在喷气压力为0.3 MPa时,采用机匣喷气可使压气机的喘振边界和堵塞边界分别扩展12.3%、5.93%,叶片平均比载荷降低28.4%,压气机出口流量增大了47.4%(压比为1.986)。     

轴流压气机转子叶片预变形设计方法

压气机叶片在工作状态下受气动力和离心力的综合作用而产生的变形,给出了一种基于弱耦合迭代的叶片预变形设计方法。利用该方法以ANSYS与CFX为平台完成了对跨声速压气机叶片的预变形设计。研究结果表明:本文的预变形方法具有高效与高精度的特点,仅需20步迭代计算,即可获得最大残差小于10~(-5)mm量级的冷态叶型数据。该方法可用于轴流压气机及涡轮叶片的预变形设计,确保工作状态下的叶片实现设计构型。     

多级轴流压气机全三维流动特性的数值研究

文中分别以一低转速的2级半轴流式压气机与一高转速的3级半轴流压气机为研究对象,采用混合界面模型对其全流量工况下的流动进行了数值研究.计算采用Jameson的4步RungeKutta时间推进方法结合中心差分格式求解N-S方程,级间采用混合界面方法实现上下游叶排流动信息的传递.研究结果表明:采用混合界面方法产生的"人工"掺混会导致总压损失及界面处流动参数的间断,而且转速对界面处的"人工"的总压损失有明显影响;但是对于低压、低转速的多级轴流压气机,采用混合界面方法能够较为准确快速的预测其多流量工况下的气动性能.     

叶片破损对压气机性能的影响

为了研究叶片破损对压气机内部流场的影响机理,本文针对带有破损的跨音速压气机叶片进行气动性能变化规律和机理研究。通过NASA rotor 37实验结果验证了计算方法的准确性,利用数值仿真研究了叶片破损对压气性能的影响规律,并对2种典型工况下叶片破损前后的流场结构进行对比分析,探讨引起性能变化的具体原因。研究表明：叶片破损会导致压气机的压比降低0.663 1%、绝热效率降低0.787 7%,且压气机的稳定裕度降低更为明显。叶尖破损主要对叶顶流场结构产生影响,使叶顶区域泄漏流增强,当其与激波相互作用时,通道内产生了流动堵塞和流动损失。本文研究成果可为实际服役中的航空发动机特性评定提供理论参考。