某多级压气机畸变传递过程中相关参数影响研究

进口畸变是诱发航空压气机内部流动失稳的关键因素,极大地限制了压气机的性能及稳定运行范围.在畸变条件下采用数值模拟及模型分析相结合的方法,建立了一个模型,以某型三级压气机为研究对象,研究畸变传递过程中相关参数影响,计算了畸变强度和畸变范围沿压气机轴向的分布情况.结果表明在进口总压畸变相同的条件下,转速越小,压气机出口畸变强度越小,出口总压分布相对较均匀,出口畸变范围也越小;总压总温畸变,进口畸变范围越大,压气机出口畸变强度越大.不论是总压畸变还是总温畸变,对于该三级压气机,径向畸变的衰减程度比周向畸变衰减程度大.     

某单级压气机对组合畸变响应特性的数值模拟

发动机压缩系统的气动稳定性主要取决于飞行时发动机抗畸变的能力.畸变主要来自发动机进口的总压、总温及其组合畸变.它们在数量关系上不确定,在地面又很难模拟实现.采用数值计算方法,从理论上定量地研究组合畸变在压气机中的响应特性,通过建立某单级压气机三维模型,并采用无限叶片假设和用体积力模化叶栅特性的方法进行简化求解三维非定常欧拉方程,研究了总压与总温的组合畸变在某单级压气机中的传递过程.计算结果表明:组合畸变经过转子时总压畸变强度和总温畸变强度明显大于单独作用时的畸变强度,分别增大了13%和13.5%,但畸变范围基本没有变化.     

进气畸变对大涵道比发动机压气机中介机匣性能的影响

大涵道比涡扇发动机中的压气机中介机匣内存在流动分离,由此造成的损失和出口流场畸变对航空发动机的性能有重要影响。通过根部安装20%高度的扰流器以模拟径向进气畸变,对一台大涵道比涡扇发动机的压气机中介机匣开展了畸变影响气动性能的实验研究。实验结果表明：进气畸变导致进口截面的总压恢复和损失系数相较于均匀进气分别下降了0.684%和增加了9.74%;总压和和总温在通道整体高度40%以下区域亏损严重;在出口截面,进气畸变导致总压波动幅度大且40%高度以下存在低压区;出口总温由于气流的掺混明显高于均匀进气条件,出口速度明显降低。畸变气流通过中介机匣后,总温和总压分布较进口的畸变度下降且分布更加均匀;相较于进口畸变总压约30%的波动量,在出口处已经减小到了约10%。可见中介机匣对进口径向畸变沿流向的发展有明显改善作用。     

某型航空发动机对插板式进气畸变的响应

为得到较为准确的发动机对进气畸变的稳定性响应模型,首先分析了由实验所得到的某型航空涡扇发动机进口扰流插板产生的稳态总压畸变和紊流分布。相对于压气机转子进口,将周向分布的稳态总压畸变和截面脉动压力处理成为一组不同频率的压力激励波形分布。通过频谱分析得到:在发动机失稳前,稳态畸变形成的波形频率最低,幅值最大,是引起发动机失稳的主要原因。对该组合畸变激励波用一阶响应模型进行动态修正并使用平行压气机分析模型,得到了经修正的压气机喘振边界和得到改善的发动机进气畸变响应模型。最后分别计算了高、低压压气机逐步失稳的工作点移动过程。结果表明:与压气机出口实验失稳波形十分接近,该模型准确可行。     

整体涡旋流畸变下的压气机失速机理分析

为了研究跨声速压气机在整体涡旋流畸变下的失速机理,采用数值仿真方法对Stage35进行了整级数值模拟,研究了叶片通道流场中触发压气机失速的关键因素,分析了不同转速下,叶顶泄漏涡和径向涡在旋流畸变条件下的变化情况。结果表明:同向整体涡能抑制叶背流动分离,使径向涡体积减小,叶顶泄漏涡减弱,叶顶通道堵塞程度减小,压气机稳定裕度增大;出现反向整体涡时,叶背气流分离加剧,径向涡体积扩大,低转速下,泄漏涡增强,堵塞区面积增大,高转速下,泄漏涡变化不大,但径向涡体积扩大引起流体向叶尖堆积,形成大面积的吸力面尾缘低速区,更容易导致压气机失稳。     

非轴对称弯掠静叶对畸变流场影响的数值研究

为探究非轴对称弯掠静叶在压气机中应用的可行性以及弯掠静叶参数对畸变流场的改善效果,以扇形叶栅试验件为研究对象,采用计算数值模拟方法,研究非轴对称弯掠静叶几何参数对畸变流场的影响.在受进口畸变影响较为严重的位置,设置正弯、反弯、前掠、后掠静叶,构成不同非轴对称静叶造型方案,探究其对静叶流场的改善.结果表明:最佳反弯方案Nbow-0.5-10可使流场损失减小2.75%;前掠对于根部损失可起到较好的抑制作用;后掠对根部损失改善效果略逊于前掠,但有利于减小主流区的损失.     

轴流压气机进口总压畸变的端区流动响应数值研究

为了探究进口周向总压畸变对压气机性能的影响,以及不同畸变角下压气机端区流场对畸变响应的区别,对跨声速轴流压气机一级动静叶进行全周非定常数值模拟,分别采用均匀来流,畸变角为30°、90°和120°的畸变来流这4种进口条件。进口畸变使压气机的性能明显恶化,并且随着畸变角的增大恶化加剧。畸变角为120°时,随着动叶扫过畸变区,动叶叶顶区域激波的结构和强度发生改变,叶顶间隙泄漏涡的轨迹和强度也发生周期性变化。畸变也会对下游静叶流动产生影响,使静叶叶顶和角区分离加重。当畸变角为90°时,所影响的动叶流道数减少但流场对畸变的响应规律没变。当畸变角减小到30°时,畸变经过动叶完全衰减,静叶流场几乎不受影响。研究结果揭示了压气机性能改变和叶顶、叶根端区流动结构动态特征与畸变来流间的关系,可为提高压气机抗畸变能力提供理论基础。     

几何参数变化对离心压气机性能的影响

以某离心压气机为研究对象,依据一维平均流线法计算了不同换算转速下的特性,获得了具有较高参考价值的性能曲线。为了进一步匹配不同换算转速下的几何参数,分别优化分析了叶轮叶片出口角、导流叶片进口预旋角以及叶片扩压器安装角等参数对离心压气机性能的影响。结果表明:后弯叶片角度提高10°,100%转速下压比降低最多达9.9%;90%转速下最高效率降低最多达1.5%。前弯叶片角度提高10°,90%转速下压比提高最多达7.4%;80%转速下效率降低最多达1.4%。进口导流叶片预旋值的调节对设计转速下峰值效率影响不大,其值在以5°为梯度由正到负的变化过程中,压比逐渐升高且较原始值最大改变量多达2.7%。叶片扩压器安装角在±8°为梯度调节时,设计转速下压比最多有2.7%的下降量,峰值效率点变化不明显。     

非轴对称静叶对畸变条件下压气机流场影响的数值研究

为探索非轴对称静叶在压气机中应用的可行性及其对畸变流场的改善作用,采用非定常数值模拟方法,研究非轴对称静叶对均匀和畸变进口条件下压气机性能的影响,并对流场结构进行分析.结果表明:非轴对称静叶可以改善静叶端区流动,降低损失;畸变条件下,非轴对称压气机最高效率和压比高于轴对称压气机;非轴对称压气机稳定裕度较原型压气机有所提升.     

下游部件对压气机性能影响的分析

采用流线曲率法对一台三级轴流压气机在三种不同出口流道情况下的流场进行了分析，在变工况计算中还以设计点数据为依据应用了“流场诊断”技术。分析表明，压气机的外特性——压比和效率随流量的变化关系及喘振边界——受到了下游部件结构比较严重的影响，内部流场所受的影响在末级叶片上特别显著。这可归结为出口流场径向畸变的影响。从本质上看，它比入口流场畸变问题更难解决。     

进气道旋流畸变地面模拟与测量试验

基于飞行试验的应用特点,提出了进气道旋流畸变测试方法和评定指标,以某发动机试车台为试验平台,搭建了旋流模拟与测量系统,进行了整体涡旋流、对涡旋流、局部涡旋流的模拟与测量试验,验证了旋流模拟、测量方法与评价指标的有效性.建立三维数值模型进行了相应工况数值计算,并将试验结果和数值计算结果进行分析对比,发现结果吻合良好,误差较小.研究结果表明:研制的旋流发生器可模拟出不同涡结构和强度的旋流畸变,其中整体涡强度可达17°;提出的旋流测量方法行之有效且精度较高,旋流评定指标合理可行,能够较为直观地反映出旋流流场的强弱和结构,可应用于飞行试验.研究结果为后续型号进气道旋流畸变试飞提供了技术储备.     

基于实验的插板式进气畸变稳态压力场估计

扰流插板引起的进气畸变流量随插板高度升高具有收敛到某一点的趋势。截面平均总压和周向低压区内平均总压与进气流量成线性关系。据此,可以预估周向畸变指数。低压区周向角只与插板高度成线性关系。截面稳态畸变压力分布可以分成高压区、掺混区、低压区,且分布各有特点,边界明显。     

不同导叶预旋角下离心压缩机径向间隙区雷诺应力的测量

使用X热膜技术,研究了离心压缩机设计流量下3个不同进口导叶预旋角对径向间隙区雷诺应力的影响.结果表明:进口导叶为-20°时,径向间隙区的湍流强度和雷诺应力最大,0°预旋角其次,20°预旋角最小;湍动能大的区域,相应的雷诺剪应力也较大.在3个预旋角下,10％和50％叶高处的时间平均径向雷诺应力均明显大于切向雷诺应力,显示出明显的流动各向异性,叶轮出口处的时间平均径向雷诺应力为切向雷诺应力的1.5倍以上,但在扩压器进口处减少到1.25倍左右;90％叶高处的时间平均径向雷诺应力和切向雷诺应力值相差不到10％,流动更接近各向同性.0°预旋角下流动的各向异性最强.研究显示,需要更好的湍流模型来预测流动中复杂的混合过程.     

加速型IGV对高负荷轴流风扇性能影响研究

目的 为了进一步提升小型高负荷轴流风扇在微小空间的高通流及高负荷能力,提出一种加速型进口导叶(IGV)结构设计方案。方法 采用三维设计软件Pro/E设计不同加速型IGV,通过数值模拟方法研究其对风扇不同流量系数下的压力系数、全压效率以及流道损失的影响。结果 采用加速型IGV使得风扇流道内通流能力增强,叶片尾缘气流延缓分离,下游流动更加均匀;随着进口气流加速程度的提高,设计工况点全压效率基本呈单调递增的趋势;相比无加速IGV风扇,当IGV加速程度为1.1、1.2时,在设计工况点,风扇压力系数提升百分比为1.61%,1.24%,效率分别提升了3.49%,5.05%;IGV的加速程度从1.0增至1.5时,风扇效率提高6.69%。结论 在小型高负荷轴流风扇中,加速型IGV与无加速IGV相比,加速型IGV对风扇压力系数以及效率的提升具有更优的效果,并且IGV加速程度也并非越大越好,当加速程度为1.1、1.2时风性能表现最优,为小型高负荷轴流风扇的研究提供相关设计参考。     

机翼变形误差对发射后截获性能的影响研究

研究了机翼变形角误差对空空导弹发射后截获性能的影响.根据某型导弹挂机后计算的载机机体坐标系与导弹弹体坐标系的相对角误差量,仿真计算了机翼变形角误差对导弹发射后截获概率的影响.仿真结果表明,机翼变形角误差对导弹发射后截获性能影响大,必须对其进行补偿,否则载机在大机动情况下发射导弹,导弹将不能截获目标.并据此提出了对机翼变形角误差的补偿方法和解决途径.研究结果对空空导弹的工程研制具有参考价值.     

叶片式旋流畸变发生器生成旋流角的影响因素

为提高叶片式旋流畸变发生器的设计效率,研究叶片式旋流畸变发生器生成旋流角度的影响因素,应用某型CDA叶型(可控扩散叶型)设计了一组整体涡旋流畸变发生器,并利用CFD计算研究了不同几何参数和外界条件对旋流角生成的影响。结果表明:旋流角的大小受叶片稠度和安装角的影响最大;相对而言,畸变发生器外径以及旋流向下游的发展对旋流角生成的影响较小;在所研究的亚音速范围内,马赫数与旋流角近似呈指数函数关系。综合以上影响因素,给出叶片式旋流发生器生成旋流角的拟合公式,利用拟合公式设计了对涡旋流畸变网,试验数据表明拟合公式可信度较高。     

双钩波形板气水分离特性的试验研究

为研究双钩波形板的气水分离特性,在高入口湿度和高雷诺数条件下进行了冷态试验,并对疏水进行分区段计量,试验结果表明：（1）双钩波形板的出口湿度随着入口湿度和雷诺数的增加而增长,考察双钩波形板的分离性能应重点关注它们在高入口湿度以及高雷诺数状态下变化情况。（2）在高雷诺数的状态下,第二区段疏水量的占比呈现聚集的趋势,最大值小于45%,因此有必要提高第二区段的疏水量占比;第三区段在高雷诺数及高入口湿度时起到了重要作用,结构的优化应增强该区段波节的液滴捕集能力;第四区段的疏水量占比在高雷诺数下呈快速增长的状态,取消该区段的波节对分离性能不利。