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平均载荷系数0.5一级的双模式压气机设计研究与验证

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推进技术 2024年

作者：黄磊郭昶宏田小红张军潘小娟楚武利中国航发四川燃气涡轮研究院西北工业大学动力与能源学院西华大学智能空地融合载具及管控教育部工程研究中心

为全面提升压气机的研制能力，本文对平均载荷系数0.5一级的带单双外涵两种模式（双模式）核心驱动风扇的四级压气机开展了设计技术研究与验证。针对其平均级载荷系数高、两个模式性能变化大等特点，开展了双模式高负荷压气机设计、低... 详细信息

为全面提升压气机的研制能力，本文对平均载荷系数0.5一级的带单双外涵两种模式（双模式）核心驱动风扇的四级压气机开展了设计技术研究与验证。针对其平均级载荷系数高、两个模式性能变化大等特点，开展了双模式高负荷压气机设计、低损失大流量范围导叶设计以及低损失大攻角范围可调静子设计等技术研究工作，并在此基础上完成双模式核心驱动风扇与四级压气机的设计，开展0.8～1.0相对转速的三维特性分析，全面研究单双外涵两种模式下各级的匹配情况。试验结果表明：单双外涵两种模式下，压气机流量、压比、效率达到设计指标。单外涵模式1.0相对转速，最高效率0.874，双外涵模式0.924相对转速，最高效率0.87，两种模式下压气机流量调节范围达到31.4%。各级匹配良好，突破了双模式核心驱动风扇与压气机一体化匹配设计和平均载荷系数0.5一级的高负荷压缩部件设计等关键技术，为下一代发动机的核心压缩部件设计奠定了基础。

关键词：高负荷压气机双模式核心驱动风扇大攻角低损失导叶

基于数据驱动的扭转度偏差影响压气机性能的不确定性量化

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航空学报 2024年

作者：姬田园楚武利张皓光郭正涛孟德君西北工业大学动力与能源学院中国航发沈阳发动机研究所

为研究引入扭转度偏差维数变化以及相关性变化对压气机性能量化结果的影响，以某压气机转子叶片扭转度偏差测量结果为基础，采用基于数据驱动的非嵌入式多项式混沌方法，量化研究了叶片扭转度偏差对单级轴流亚声速压气机气动性能的不确... 详细信息

为研究引入扭转度偏差维数变化以及相关性变化对压气机性能量化结果的影响，以某压气机转子叶片扭转度偏差测量结果为基础，采用基于数据驱动的非嵌入式多项式混沌方法，量化研究了叶片扭转度偏差对单级轴流亚声速压气机气动性能的不确定性影响，并进行了敏感性分析。研究结果表明：各工况点处压气机性能标准差均随着引入扭转度偏差维数的增加而减小。通过量化对比发现，考虑叶顶和叶根两个截面上的扭转度偏差，足以保证压气机性能标准差以及性能概率分布形式的收敛性。而在敏感性分析中发现，引入的扭转度偏差维数越多，可以更准确的判别压气机性能最敏感的扭转度偏差区域。随着各截面上扭转度偏差之间相关性逐渐增强，各工况下压气机性能的波动程度也逐渐增强，压气机性能对各扭转度偏差的一阶敏感性指标的差距也逐渐减小，但压气机性能对各截面上扭转度偏差敏感程度的排序并没有改变。

关键词：数据驱动扭转度偏差不确定性量化敏感性分析压气机

叶顶间隙和减振阻尼台对多级轴流压气机性能影响的数值模拟

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航空动力学报 2023年第3期38卷 665-673页

作者：陈燕滕鑫楚武利西北工业大学动力与能源学院西安710072 西北工业大学陕西省航空动力系统热科学重点实验室西安710072

以某多级轴流压气机为研究对象,采用数值模拟的方法研究了叶顶间隙和减振阻尼台对压气机气动性能的影响。研究揭示了叶顶间隙变化对叶顶泄漏流动的影响规律,分析了各级转子叶顶间隙变化对多级轴流压气机性能影响的相对大小。研究发现针... 详细信息

以某多级轴流压气机为研究对象,采用数值模拟的方法研究了叶顶间隙和减振阻尼台对压气机气动性能的影响。研究揭示了叶顶间隙变化对叶顶泄漏流动的影响规律,分析了各级转子叶顶间隙变化对多级轴流压气机性能影响的相对大小。研究发现针对所研究的多级轴流压气机,第5级转子叶顶间隙的变化对压气机性能的影响幅度最大,当叶顶间隙从0.390 mm增加到1.007 mm时,级效率下降了1.72%;而其他级的效率下降幅度较少,最大降幅不超过0.6%。此外,研究了第1级及第5级转子叶片阻尼台对多级压气机性能影响,分析了阻尼台对流场结构及流通能力的影响,揭示了阻尼台影响性能的机理。研究结果表明,当存在阻尼台时,多级轴流压气机的峰值效率、峰值压比以及堵塞质量流量都会下降,其中峰值效率下降了1.6%,峰值压比下降了1.2%,堵塞质量流量下降了1.2%;尤其是第1级和第5级效率明显下降,第1级级效率下降约5.2%,第5级级效率下降约1.6%。在阻尼台存在的地方总压损失大,密流值会降低,流通能力会下降。

关键词：多级轴流压气机叶顶间隙减振阻尼台气动性能流场结构

叶片安装角偏差对动叶性能影响的不确定性研究

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西安交通大学学报 2023年第4期57卷 49-59页

作者：李玉楚武利姬田园西北工业大学动力与能源学院西安710129

为了揭示叶片安装角偏差对压气机性能的影响,基于非嵌入式混沌多项式法结合数值模拟,以NASA Rotor37为研究对象,进行了叶片安装角偏差的不确定性量化分析。在峰值效率工况和近失速工况下,进行气动性能统计分析,获得了不同输出参数的均... 详细信息

为了揭示叶片安装角偏差对压气机性能的影响,基于非嵌入式混沌多项式法结合数值模拟,以NASA Rotor37为研究对象,进行了叶片安装角偏差的不确定性量化分析。在峰值效率工况和近失速工况下,进行气动性能统计分析,获得了不同输出参数的均值、标准差和概率分布,探讨各性能参数与安装角偏差间的相关程度并进行流场分析,深入研究安装角偏差波动对内部流场规律的影响。结果表明:安装角偏差对气动性能的影响程度与所处工况有关,近失速工况下,绝热效率受安装角偏差影响的敏感性更大,绝热效率的相对波动幅度相比较峰值效率工况增加了22.95%;总压比与安装角偏差呈较强线性负相关,绝热效率与安装角偏差呈较强线性正相关;不同工况下流场敏感区域有所不同,峰值效率工况下,激波及波后叶尖间隙泄漏流动轨迹受误差不确定性的影响程度较大;近失速工况下,波后间隙泄漏涡破碎区域和吸力面分离流动对安装角不确定性较为敏感;流场中不同区域的损失受安装角偏差影响程度不同,其中尾缘处的损失对安装角偏差的不确定性最为敏感。

关键词：压气机转子安装角偏差不确定性量化非嵌入式混沌多项式

基于因果网络分析的扩压叶栅波浪形前缘控制机理

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航空学报 2023年第19期44卷 34-50页

作者：董杰忠楚武利张皓光罗波晏松西北工业大学动力与能源学院西安710129

分离与涡运动是限制压气机性能提升的关键,波浪形前缘结构能有效扩大压气机工作范围。在扩压叶栅上实施波浪形前缘造型,通过多目标优化算法构造以牺牲微小设计点性能为代价,大幅度降低失速点损失的波浪形前缘造型。采用数据挖掘方法—... 详细信息

分离与涡运动是限制压气机性能提升的关键,波浪形前缘结构能有效扩大压气机工作范围。在扩压叶栅上实施波浪形前缘造型,通过多目标优化算法构造以牺牲微小设计点性能为代价,大幅度降低失速点损失的波浪形前缘造型。采用数据挖掘方法——因果网络分析探究在波浪形前缘控制参数的变化下,扩压叶栅内部流场流动机制。优化结果表明当幅波比在0.05~0.15区间时,有更适合于流动控制的前缘涡涡量强度,且能在牺牲最少设计点性能的情况下,使失速点损失获得大幅下降。通过因果网络模型与流场分析验证,从涡运动的角度出发,波浪形前缘产生前缘涡对,前缘涡对的发展通过不同途径削弱了通道涡和尾缘涡流的发展;从分离的角度出发,波浪形前缘通过改变前缘气流不均匀度与二次流动能,改善低能流体堵塞来减弱角区分离所引起的损失。

关键词：压气机分离与涡运动波浪形前缘多目标优化因果网络分析

叶顶间隙偏差对叶片气动性能影响的不确定性研究

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推进技术 2022年第10期43卷 129-141页

作者：姬田园楚武利戴雨晨张耀峰西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072

在压气机叶片加工过程中,实际加工得到的叶片外形与设计叶型不可避免会存在一些偏差。为研究叶片叶顶间隙尺寸波动对性能的影响,以Rotor 37为研究对象,采用三维定常数值模拟方法,基于非嵌入式混沌多项式中二维正态分布变量产生方法,分... 详细信息

在压气机叶片加工过程中,实际加工得到的叶片外形与设计叶型不可避免会存在一些偏差。为研究叶片叶顶间隙尺寸波动对性能的影响,以Rotor 37为研究对象,采用三维定常数值模拟方法,基于非嵌入式混沌多项式中二维正态分布变量产生方法,分别对叶片前缘叶顶间隙和尾缘叶顶间隙进行尺寸波动干扰,研究了叶顶间隙不确定性对气动性能和流场的不确定性影响,评估了公差带内叶顶间隙偏差与气动性能变化的相关性,并探究了叶顶间隙变化对叶片稳定裕度的影响机理。研究发现,叶顶间隙偏差对等背压条件下叶片质量流量、等熵效率和总压比的平均水平几乎不会造成影响;叶顶间隙偏差所造成的气动性能分布标准差随工况点向不稳定边界的逼近而逐渐增大。同时,叶顶间隙不确定性会导致样本稳定裕度均值有所降低,不确定性分析中稳定裕度均值相对原型叶片下降了2.42%。流场结构方面,叶顶间隙偏差主要影响80%叶高以上部分流场;叶顶间隙偏差对叶顶区域泄漏流产生的影响,导致了叶片稳定裕度的变化。

关键词：叶顶间隙加工偏差非嵌入式混沌多项式气动性能不确定性量化

端壁造型与附面层抽吸耦合流动控制对压气机叶栅的性能影响

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推进技术 2023年第2期44卷 51-62页

作者：陈华寅楚武利董杰忠张振华李玉西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072

为改善轴流压气机性能,抑制角区分离,采用数值模拟方法探究端壁造型(PEW)与附面层抽吸(BLS)两种流动控制措施在不同工况下对高负荷压气机叶栅的气动性能影响。使用神经网络作为代理模型,采用多目标遗传算法进行全局寻优,选取得到的5种... 详细信息

为改善轴流压气机性能,抑制角区分离,采用数值模拟方法探究端壁造型(PEW)与附面层抽吸(BLS)两种流动控制措施在不同工况下对高负荷压气机叶栅的气动性能影响。使用神经网络作为代理模型,采用多目标遗传算法进行全局寻优,选取得到的5种最优端壁造型结构,与3种不同弦长位置的抽吸缝进行组合。结果表明:兼顾设计工况及近失速工况叶栅气动性能,采用吸力面70%弦长位置抽吸与通道前中部下凹、近压力面上凸的造型组合最优。设计工况下,附面层抽吸抑制了弦长中部转捩泡的生成,有效降低了尾迹损失,此时最优组合减小了12.7%的总压损失。近失速工况下,端壁造型通过控制端区横向二次流,缓解堵塞,抑制了角区分离进而降低尾迹损失,此时最优组合减小了15.5%的总压损失。

关键词：压气机叶栅角区分离端壁造型附面层抽吸优化造型

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叶片单一与耦合误差对轴流压气机性能的影响

航空动力学报 2023年

作者：楚武利何旭东杨吉博刘凯烨西安航天动力研究所西北工业大学动力与能源学院

由于加工工艺等因素的限制，在实际的加工过程中，理论叶型与实际叶型之间总会存在微小误差。针对跨声速压气机转子Rotor 37，采用数值模拟和NIPC（非嵌入式多项式混沌方法）相结合的方法，研究轴向位置度误差与安装角误差对压气机气动... 详细信息

由于加工工艺等因素的限制，在实际的加工过程中，理论叶型与实际叶型之间总会存在微小误差。针对跨声速压气机转子Rotor 37，采用数值模拟和NIPC（非嵌入式多项式混沌方法）相结合的方法，研究轴向位置度误差与安装角误差对压气机气动性能的不确定性影响。结论表明：对于轴向位置度和安装角服从零均值标准正态分布的加工误差，两者单一变化或耦合变化时，转子气动性能对各误差敏感性基本一致，只有个别参数有区别。轴流压气机气动性能与各个误差的相关性有强弱之分，加工时应当关注强相关性的性能参数。叶片耦合误差对压气机的影响为叶片轴向位置度误差和安装角误差的影响的叠加。

关键词：跨音速轴流压气机加工误差不确定性安装角误差耦合误差

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叶片厚度偏差对转子性能影响的不确定性分析

航空动力学报 2023年

作者：姬田园楚武利张振华陈华寅西北工业大学动力与能源学院

为研究叶片厚度偏差对转子性能的影响，以Rotor37为研究对象，采用非嵌入式混沌多项式作为不确定性量化方法，量化评估了叶片厚度偏差对转子气动性能和流场结构的不确定性影响。研究发现：对于厚度偏差概率分布为对称分布且均值为0的叶... 详细信息

为研究叶片厚度偏差对转子性能的影响，以Rotor37为研究对象，采用非嵌入式混沌多项式作为不确定性量化方法，量化评估了叶片厚度偏差对转子气动性能和流场结构的不确定性影响。研究发现：对于厚度偏差概率分布为对称分布且均值为0的叶片组，其气动性能的平均水平较原型叶片变化不大，气动参数的波动程度则与厚度偏差分布的标准差呈正相关；加工精度较高时转子性能改变量与厚度偏差之间为强线性相关。同时，叶片吸、压力面厚度偏差对转子气动性能产生的影响存在明显差异，叶片吸力面厚度偏差对叶片等熵效率以及质量流量的影响程度更大，而压力面厚度偏差对转子总压比特性影响更明显，两者对转子性能单独造成的不确定性影响在其共同作用时会部分相互抵消。

关键词：加工偏差压气机转子非嵌入式混沌多项式不确定性量化气动性能