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转子尖部角区分离对高负荷压气机性能影响的实验与数值研究

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推进技术 2024年

作者：于贤君侯景韬安广丰刘宝杰北京航空航天大学航空发动机研究院北京航空航天大学航空发动机气动热力国防重点实验室

为了探究转子尖部角区分离对高负荷压气机性能及内部流场的影响，以设计负荷系数为0.46的单级高负荷压气机为研究对象，通过实验与数值计算研究了转子叶尖间隙为0.6%与1.3%叶高的两种情况下高负荷压气机级特性与内部流场细节，分析了转... 详细信息

为了探究转子尖部角区分离对高负荷压气机性能及内部流场的影响，以设计负荷系数为0.46的单级高负荷压气机为研究对象，通过实验与数值计算研究了转子叶尖间隙为0.6%与1.3%叶高的两种情况下高负荷压气机级特性与内部流场细节，分析了转子尖部角区分离对于高负荷压气机性能的影响规律及其流动机制。结果表明，转子叶尖间隙为0.6%叶高时，小流量工况下转子尖部吸力面出现了明显的角区分离；而转子叶尖间隙为1.3%叶高时，小流量工况下转子尖部流动由泄漏流主导。随着小间隙下转子尖部角区分离的增强，转子尖部堵塞与损失剧烈增长；同时，由于转子吸力面径向迁移的增强，小流量工况下转子近轮毂区域损失降低、负荷升高。相应地，压气机级总压升随流量减小表现出“先平缓，再升高，最后快速下降”的特点，级效率随着小流量工况总压升的进一步升高快速下降。

关键词：高负荷压气机角区分离转子实验研究数值模拟

高负荷压气机旋转不稳定诱发转子叶片非同步振动的实验研究

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推进技术 2023年第2期44卷 75-82页

作者：汪松柏张少平余华蔚吴亚东陈勇曹志鹏上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 中国航发四川燃气涡轮研究院四川成都610500

为揭示高负荷压气机旋转不稳定诱发转子叶片高振幅值非同步振动的发展过程及其产生机理,本文从实验角度出发,详细揭示了一种由旋转不稳定涡激发转子叶片非同步振动瞬态过程中流体主动作用至被动响应的变化趋势。研究结果表明,在叶片振... 详细信息

为揭示高负荷压气机旋转不稳定诱发转子叶片高振幅值非同步振动的发展过程及其产生机理,本文从实验角度出发,详细揭示了一种由旋转不稳定涡激发转子叶片非同步振动瞬态过程中流体主动作用至被动响应的变化趋势。研究结果表明,在叶片振动触发前,第一级转子叶尖分离涡扰动已存在,但其频率与叶片固有频率未耦合。随级负荷进一步升高,分离涡频率小幅波动,诱发其与叶片一阶固有频率耦合,激发转子叶片高振幅值振动。气流扰动周向模态数由流体主动作用时的高模态发展为被动响应时的低模态。

关键词：高负荷压气机旋转不稳定转子叶片非同步振动压力脉动

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高负荷压气机叶栅的叶身/端壁融合研究

工程热物理学报 2014年第2期35卷 242-246页

作者：彭学敏季路成伊卫林刘艳明北京理工大学北京100081

叶身/端壁融合(BBEW)是有潜力支撑风扇/压气机负荷最大化的原创技术.本文以大折转亚音叶栅和超音速叶栅两类趋向负荷极限叶栅为案例,在二面角原理指导下,采用数值方法对比研究了第一类(增大二面角型)和第二类(变曲率过渡曲面)BBEW改型... 详细信息

叶身/端壁融合(BBEW)是有潜力支撑风扇/压气机负荷最大化的原创技术.本文以大折转亚音叶栅和超音速叶栅两类趋向负荷极限叶栅为案例,在二面角原理指导下,采用数值方法对比研究了第一类(增大二面角型)和第二类(变曲率过渡曲面)BBEW改型。结果表明,两类BBEW改型均能有效削弱或消除高负荷压气机叶栅角区分离,且具有良好的工况适应性。其中,第一类BBEW改型虽外形上类似叶片倾斜,但作用机理却截然不同,附面层交汇作用超过叶片力作用.

关键词：叶身端壁融合角区分离二面角高负荷压气机数值模拟

高负荷压气机的轮毂型线三维气动优化及其CFD验证

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推进技术 2023年第5期44卷 74-85页

作者：方垍洧陈焕龙李杰灵颜廷松哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

针对高负荷压气机难以控制角区的二次流、叶片表面存在大规模边界层分离等技术瓶颈,本文提出了一种三维端壁型线的气动优化方法,对高负荷压气机轮毂型线优化进行了研究,并对所采用的方法进行了验证,开发了相应的优化系统。结果表明,所... 详细信息

针对高负荷压气机难以控制角区的二次流、叶片表面存在大规模边界层分离等技术瓶颈,本文提出了一种三维端壁型线的气动优化方法,对高负荷压气机轮毂型线优化进行了研究,并对所采用的方法进行了验证,开发了相应的优化系统。结果表明,所采用的端壁型线优化方法能有效抑制附面层分离,降低吸力面转角区域二次流的强度和规模。因此,叶片通道控制流动方向和优化流动条件的能力得到了扩展。压气机级的整体气动性能,如失速裕度和等熵效率也得到了提高。优化后,在通流能力较好的情况下,压气机级的气动效率达到了88.59%,提高了1.05%。本文提出的方法和相应的系统很好地促进了压气机气动设计系统的发展,具有良好的工程应用前景,为压缩系统获得更突出的通载能力和更好的流动结构提供了新的思路和解决方案。

关键词：气动优化端壁型线高负荷压气机附面层分离端壁二次流

变攻角下端壁非定常脉动抽吸对高负荷压气机叶栅性能的影响

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推进技术 2019年第10期40卷 2206-2215页

作者：张洪鑫陈绍文李伟航王松涛王仲奇哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心

为进一步探究非定常脉冲抽吸控制高负荷压气机叶栅流动分离的机理,考察非定常脉动抽吸在变攻角下的适应性和可行性,采用非定常数值方法,系统研究了变攻角下,非定常脉动抽吸对流场性能的影响,并将其与传统的定常抽吸进行了比较分析。结... 详细信息

为进一步探究非定常脉冲抽吸控制高负荷压气机叶栅流动分离的机理,考察非定常脉动抽吸在变攻角下的适应性和可行性,采用非定常数值方法,系统研究了变攻角下,非定常脉动抽吸对流场性能的影响,并将其与传统的定常抽吸进行了比较分析。结果表明,在设计攻角下,保证相同的时均抽吸量,非定常脉动抽吸控制效果明显优于定常抽吸;在时均抽吸量ms=0.4%时,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸都展现出更好的性能,在最优频率时,损失减小了9.4%,静压升提高了12.9%,相比于定常抽吸损失减小了4.2%,静压升提高了4.7%。在变攻角下,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸控制效果相比于定常抽吸仍具有较大优势;但大攻角下,非定常脉动抽吸和定常抽吸控制效果均有所下降。

关键词：非定常脉冲抽吸高负荷压气机时均抽吸率流动分离攻角

采用复杂三维气动布局的高负荷压气机气动设计研究

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工程热物理学报 2016年第11期37卷 2325-2331页

作者：丁骏王松涛刘勋王仲奇哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心哈尔滨150001 中船重工第七〇三研究所哈尔滨150078

通过数值模拟,采用融合多种流动控制手段的三维气动布局设计方法,设计了一对单级高负荷轴流压气机进行对比研究。研究结果表明:从传统压气机设计角度出发,采用复杂的三维气动布局设计方法,设计所得的压气机性能仍具备较大的提升空间。... 详细信息

通过数值模拟,采用融合多种流动控制手段的三维气动布局设计方法,设计了一对单级高负荷轴流压气机进行对比研究。研究结果表明:从传统压气机设计角度出发,采用复杂的三维气动布局设计方法,设计所得的压气机性能仍具备较大的提升空间。而将压气机内的设计矛盾重新分配,以最大程度地利用流动控制技术,可以显著提升压气机在设计点的气动性能,并明显拓宽压气机的稳定工作范围。

关键词：高负荷压气机流动控制方法压气机设计数值仿真

自适应康达喷气控制在高负荷压气机中的试验研究

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航空学报 2023年第22期44卷 182-195页

作者：张健张敏杜娟黄伟亮聂超群华北电力大学能源动力与机械工程学院北京100096 中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室北京100190 中国科学院先进能源动力重点实验室北京100190 中国科学院轻型动力创新研究院北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 江苏大学能源与动力工程学院镇江212013

未来航空发动机的发展要求其压缩系统级负荷不断增大,由此将使得压气机内部出现较强的角区分离、附面层流动分离等二次流。提出了一种新型的自适应康达喷气流动控制(ACJC)方法,更加智能且高效地抑制压气机内部流动分离并提升压气机的扩... 详细信息

未来航空发动机的发展要求其压缩系统级负荷不断增大,由此将使得压气机内部出现较强的角区分离、附面层流动分离等二次流。提出了一种新型的自适应康达喷气流动控制(ACJC)方法,更加智能且高效地抑制压气机内部流动分离并提升压气机的扩压能力,进而拓宽高负荷压气机稳定、高效运行范围。为构建自适应康达喷气流动控制系统并在高负荷压气机上验证其控制效果,首先,选取了扩压因子为0.66的压气机静叶叶栅为研究对象,并优化设计了单缝康达喷气静叶叶栅;然后,基于数值计算结果采用方差分析法、主成分分析法和神经网络算法建立了单缝康达喷气静叶叶栅来流攻角预测模型和最佳喷气量预测模型;最后,搭建了基于自适应康达喷气流动控制系统的试验平台,验证了其对高负荷叶栅流动分离控制的有效性和准确性。试验结果表明:在不同攻角和不同来流马赫数条件下,自适应康达喷气流动控制系统能够实时准确地预测来流攻角,并瞬间做出喷气量实时调节与反馈。此外,在5°来流攻角下,当来流马赫数为0.4、0.5和0.6时,相比于无康达喷气叶栅,康达喷气的引入使得总压损失系数分别降低了11.5%、9.8%和8.0%。

关键词：航空发动机高负荷压气机自适应康达喷气流动控制总压损失

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孔式抽吸对带间隙高负荷压气机性能的影响

推进技术 2014年第9期35卷 1202-1208页

作者：孙士珺陈绍文王春雪王松涛哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001 北京动力机械研究所北京100074

实验研究了端壁孔式附面层抽吸对带间隙的高负荷直列叶栅流动特性和气动性能的影响,通过三种附面层抽吸方案与原型方案的对比分析,探讨了附面层抽吸抑制间隙流动、减小损失的机理。对叶片表面和下端壁进行了墨迹流动显示,并利用五孔探... 详细信息

实验研究了端壁孔式附面层抽吸对带间隙的高负荷直列叶栅流动特性和气动性能的影响,通过三种附面层抽吸方案与原型方案的对比分析,探讨了附面层抽吸抑制间隙流动、减小损失的机理。对叶片表面和下端壁进行了墨迹流动显示,并利用五孔探针对叶栅出口气动参数进行了测量,对比分析了叶栅流道内的流场特征和损失分布。结果表明,在间隙内布置抽吸孔能有效降低间隙流动动能,削弱间隙流与主流之间的相互掺混作用,减小因间隙流动引起的端壁区域流动分离,从而达到对三维流动分离的抑制,有效降低损失,且最大降幅达16.7%;间隙流动引起的流动分离和损失在流道中占主导地位,尽管在端壁沿周向合理布置抽吸孔能在一定程度上抑制近端壁的附面层或二次流发展,但这种局部效应仍不能显著改善叶栅的整体性能;端壁上不合理的抽吸控制策略反而可能影响主流的正常流动,导致损失增加,其中方案4损失增加了约3%。

关键词：高负荷压气机孔式附面层吸除间隙端壁流动特性气动性能

复杂三维气动布局在高负荷压气机中应用的数值模拟

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中国电机工程学报 2017年第7期37卷 2031-2039页

作者：丁骏王松涛杜鑫李燕飞王仲奇哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心黑龙江省哈尔滨市150001 中国船舶重工集团公司第七〇三研究所黑龙江省哈尔滨市150078

为了充分发挥主被动控制技术融合的复杂气动布局在高负荷压气机中的应用潜力,通过数值模拟的方式,设计了多台采用不同气动布局方式的单级高负荷压气机进行对比研究。研究结果表明,在静叶中融合应用三维叶片造型技术时,端弯叶片前缘所呈... 详细信息

为了充分发挥主被动控制技术融合的复杂气动布局在高负荷压气机中的应用潜力,通过数值模拟的方式,设计了多台采用不同气动布局方式的单级高负荷压气机进行对比研究。研究结果表明,在静叶中融合应用三维叶片造型技术时,端弯叶片前缘所呈现的反弯形态会导致静叶损失增加,但端部气流角更好的匹配保证了压气机失速裕度的提高。在端弯叶片设计基础之上叠加应用正弯造型可以抵消由于端弯而导致的前缘反弯形态,并有效降低总压损失,进一步提高失速裕度。通过调节进口预旋,动叶的逆压梯度降低,效率得到较大幅度的提升。此时静叶将承担更多的静压升,可以通过叠加应用附面层抽吸技术来保证静叶的正常工作。在正弯曲造型的静叶栅中叠加应用仅在吸力面角区抽吸的主动流动控制结构,在负攻角的来流条件下,分离流动控制效果相对不明显。

关键词：高负荷压气机弯曲叶片端弯叶片附面层抽吸数值仿真