周向非均匀叶尖间隙对轴流压气机性能的影响

以跨声速单级轴流压气机为研究对象,通过改变转子外机匣椭圆度产生周向稳态非均匀叶尖间隙布局结构,在高转速压气机试验器上详细开展了周向非均匀叶尖间隙对压气机性能特性与稳定边界影响的试验研究。同时,结合转子叶尖间隙流场动态压力精细化测量,揭示了周向非均匀叶尖间隙触发压气机内部流动失稳的物理机制。试验结果表明:转子叶尖周向非均匀间隙对压气机流量、压比和效率基本没有产生影响,但对气动稳定性具有显著影响。随着转子机匣椭圆度增大,稳定工作边界逐渐向右下方偏移,压气机稳定工作范围不断减小;不同转速下,压气机稳定裕度损失程度并不相同,高转速工作区域的压气机稳定裕度损失程度要大于中低转速工作区域的;周向非均匀叶尖间隙会导致原有转子叶片气动负荷沿径向重新分布,弱化转子叶片尖部气动加功能力;设计转速时,相比于小间隙情况,大间隙下的泄漏涡与通道激波相互作用,使得相邻叶片压力面侧的高静压低速区域扩大,加重对转子通道的堵塞作用。     

轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验技术

为了揭示轴流压气机叶片排的非定常流动特性，同时与压气机气动性能和气动稳定性相关联，开展了轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验研究，并对该试验的试验技术和参数测试方法做了相应介绍。试验结果表明，该试验技术对进行轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验是行之有效的。     

周向局部处理机匣对压气机影响的数值研究

为了分析周向非均匀处理槽对压气机的影响,对一台单级跨声速轴流压气机进行了周向局部处理机匣与全周处理机匣的非定常数值研究.结果显示,具有相同处理槽数的周向局部处理机匣比全周处理机匣能获得更好的压气机性能.由于处理槽的周向非均匀性,前者给叶尖流场产生大尺度的周向非均匀特征,因而能提供后者所不具备的低频非定常作用.此外,提供了高、低频两种非定常作用的周向局部处理机匣能够同时改善叶尖泄漏涡与尾缘分离涡.      

非均匀栅距对轴流压气机流动影响的数值研究

本文进行了非均匀栅距叶片排的轴流式压气机流场数值研究,进口导叶采用了不同的非均匀栅距结构,探讨了不同工作状态下对压气机性能及动叶非定常气动力的影响。数值研究中采用LU-SGS隐式解法与双时间方法相结合,求解圆柱面二维流动的雷诺平均非定常N-S方程。数值研究的结果表明,进口导叶非均匀栅距结构对压气机气动性能影响不大,但对动叶表面受到的非定常气动力有一定影响。采用不同的非均匀栅距进口导流叶片排结构型式,动叶表面的非定常气动力的分布是不同的。不同工作状态下的计算结果显示,即使采用相同的非均匀栅距结构,非定常气动力的分布特性也是不相同的。     

叶尖间隙对跨声速压气机叶片气动阻尼的影响

为了分析叶尖间隙对压气机气动阻尼的影响,基于相位延迟边界条件,建立了跨声速转子的气动阻尼计算模型,研究叶尖间隙对其流场及气动阻尼的影响。计算该转子在设计间隙条件下的气动性能、叶片模态以及颤振边界,和实验数据吻合较好,比较不同叶尖间隙(1.6%,3.2%,5.0%叶尖弦长)的转子气动性能,发现间隙增加使转子效率和压比均有显著的下降;对叶片表面非定常压力研究表明,叶片非定常压力对叶片振动的响应具有强三维特性,同时叶片间相位角(IBPA)和叶尖间隙流对其有显著的影响,由于叶尖间隙增加使叶尖流动的影响加强,导致叶尖区域由于振动造成的一阶谐波压力幅值相对减小,大间隙趋于恶化压力面的稳定性而对吸力面的影响在不同的叶片间相位角时不同;对于气动阻尼,在不同的叶片间相位角区域,叶尖间隙对其影响有显著的差异,甚至会产生截然相反的规律,特别是在设计状态,对于该转子,大间隙提高了叶片最不稳定状态的气动阻尼。     

非对称激励对叶栅流场时空结构及特性的影响

基于非定常耦合流动的研究采用导叶非对称周向分布时,可以通过非对称尾流撞击效应实现比对称周向分布更好的气动性能.为了探索非对称激励下的非定常耦合流动特点,首先以单个槽道的时间非均匀射流激励形成的间歇耦合流动研究为基础,分析了时间非均匀激励对二维叶栅流场时空结构的影响.然后通过对采用非对称导叶的某低速轴流压气机的叶中截面二维流场进行1/4周的数值模拟,分析了周向非均匀分布导叶对下游转子流场时空结构的影响,最后通过实验对前面所得到的结论进行验证.认为通过周向非均匀导叶实现流场的耦合流动时,激励区的长度决定了激励效果的好坏,而缓冲区内加入离散导叶可以提升转子流场时空结构品质改善压气机性能.      

高压压气机径向间隙分析

针对航空发动机高压压气机,综合考虑气动载荷、离心力载荷、温度载荷耦合作用,建立了压气机径向间隙分析模型,获得了3个典型工况下的流场特征以及叶片的变形、应力分布,高压压气机转子叶尖径向间隙沿轴向变化的分布规律以及轴流压气机转子与机匣的间隙范围.计算结果显示在设计点和转速最高点,斜流压气机转子叶尖与机匣发生碰磨,与试验结果一致,验证了计算方法的正确性,也为建立合理有效的压气机径向间隙分析方法提供了思路.     

轴流压气机转子近失速工况点叶尖区流动非定常性分析

为了揭示某轴流压气机转子近失速工况点叶尖区域流场的非定常变化及其形成机理,采用定常和非定常数值模拟方法对其内部流场进行了全三维的数值模拟。通过和已有的试验测量结果进行对比分析表明,预测的总性能及基元性能与试验结果取得了很好的一致性。近失速工况点的非定常模拟结果表明,压气机的总性能及叶片承受的扭矩出现了周期性的波动,其波动周期约为转子通过频率的2.5倍。进一步详细分析叶尖区流场的瞬态流动结构发现,间隙泄漏涡在近失速工况下出现了泡式破碎,破碎的泄漏涡、主流以及来自相邻叶片的间隙泄漏流相互作用形成了另外一个特征明显的旋涡(命名为叶尖二次涡)。该旋涡的形成、发展和运动是压气机的总性能出现周期性波动的主要原因。     

跨声速压气机转子叶尖间隙流动失稳试验研究

以跨声速单级轴流压气机为试验对象,通过在机匣表面安装高频响应动态压力传感器测量转子叶尖间隙流场,观察了不同转速下转子叶尖间隙泄漏流动结构随工作状态变化的响应特征。试验结果表明:100%转速时,叶尖间隙泄漏涡通过脱体激波后会突然膨胀而出现涡破裂现象,在转子通道内形成大面积的高静压低速堵塞区,对转子叶尖区域通道造成严重堵塞,迫使叶尖间隙泄漏流在相邻转子叶片叶尖前缘发生溢流,最终触发压气机内部流动失稳。80%转速时,叶尖间隙泄漏涡对叶片通道主流区堵塞影响较小,通道激波对进口来流产生阻滞作用,气流在进入转子叶片通道进口前严重分离,使得整个转子叶片通道完全被堵塞,最终触发压气机内部流动失稳。     

畸变进气下压气机叶片非定常载荷的数值模拟

为了分析畸变进气在轴流压气机转子叶片表面产生的非定常激振力，采用二维无粘线化非定常流理论，建立了周期性气流条件下叶片表面非定常气动力的计算模型，根据实测的畸变实验数据，对某发动机的第一级叶片表面非定激振力进行了计算分析，结果表明在叶片的不同径向位置，非定常压力的分布规律不完全相似，而作用在叶片表面总的非定常气动力在叶尖部位最强。     

反叶片角向缝机匣处理影响轴流压气机性能的机理

采用试验和非定常数值模拟方法研究了反叶片角向缝机匣处理对亚声速轴流压气机性能的影响.试验与数值计算结果均指出反叶片角向缝机匣处理后,转子在降低12%左右最大等熵效率的基础上获得30.1%左右的失速裕度改进量.详细的转子叶顶流场分析表明反叶片角向缝机匣处理改善了叶顶间隙泄漏流动,消除了实体壁机匣时叶顶通道低速泄漏流形成的堵塞,因此转子稳定性得以提高.同时转子叶片与处理缝的相对位置变化会影响处理缝的扩稳能力.处理缝中回流、处理缝形成的喷射流与叶顶通道主流的相互作用都造成较大的流动损失,进而使转子等熵效率降低.反叶片角向缝机匣处理前移约55%叶顶轴向弦长的数值研究结果表明,与反叶片角向缝机匣处理比较,反叶片角向缝机匣处理前移获得的失速裕度改进量降低约10.4%,但等熵效率的恶化程度降低近64%.      

轴向倾斜缝机匣处理影响压气机性能的机理

为了揭示缝式机匣处理影响轴流压气机性能的流动机理,对带轴向倾斜缝机匣处理的轴流压气机转子进行全三维非定常数值模拟,试验与数值结果均表明机匣处理在有效地扩大压气机稳定工作范围的同时,也使压气机等熵效率减少。通过详细地分析压气机内部流场,揭示了该机匣处理对该压气机转子性能及流场影响的机理,即倾斜缝内的回流具有抽吸或吹除端部低能流体的能力,在倾斜缝中形成的喷射流的作用下,叶顶通道内的低速气团得到了有利的激励,从而推迟转子的失速。但也使转子叶顶加功量下降,同时缝内的回流及其与叶顶主流的相互作用带来大的流动损失,最终降低压气机转子等熵效率。     

带周向槽机匣处理的压气机内部流动数值模拟与试验

采用试验和数值模拟的方法研究了周向槽机匣处理对轴流压气机性能以及内部流场的影响。在单级轴流压气机试验台上对实壁机匣和周向槽机匣结构进行了详细的实验测试。同时,对每一种机匣结构的内部流场进行了全三维数值模拟,数值模拟结果与试验结果符合良好,相比于实壁机匣,试验以及数值模拟结果均表明周向槽机匣处理结构能够扩大压气机的稳定工作裕度,而对效率的影响不大。对内部流场的详细分析表明周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡形成和发展的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因。      

低速轴流压气机叶尖非定常流动试验

利用动态压力传感器对一低速轴流压气机转子的叶顶间隙流场进行详细的试验测量,通过对信号特征的分析,对压气机节流过程中叶顶间隙的非定常流动发展演变规律进行了研究。结果表明：压气机完全失速时,叶尖存在一以46.5%转子转速周向传播的失速团;节流过程中,叶尖前缘处的动态压力信号中存在非定常波动的特征频率带,其变化规律与叶顶流场压力非定常波动的能量迁移有关;随着压气机流量减小,叶顶泄漏流影响区域向前缘移动,失速团在叶顶前缘附近产生,并向尾缘方向扩展,最终覆盖叶片全部弦长;近失速工况时,叶顶间隙相邻通道内泄漏流相互作用,造成通道中的低压区“一前一后”交替分布从而形成一个空间上周期约2个叶片通道的扰动波。     

间隙流触发压气机内部流动失稳机制及周向槽扩稳机理

利用高频响动态压力传感器对某低速轴流压气机转子的失速先兆和顶部流场进行了详细的测试,探明该压气机内部存在与叶顶间隙泄漏流相关的突发型失速先兆,对压气机转子内部流场进行了单通道定常和非定常数值模拟,详细分析了压气机内部流动失稳过程中顶部流场结构的变化,揭示顶部间隙泄漏流触发轴流压气机内部流动失稳机理.在此基础上,利用周向槽处理机匣结构对顶部间隙泄漏流进行控制,并探讨了周向槽处理机匣结构提高压气机稳定工作裕度机理.      

进口畸变下新型处理机匣改善压气机性能的机理研究

为了揭示进口畸变下,处理机匣改善压气机性能的机理,采用全通道非定常计算方法研究了进口畸变时新型处理机匣-自适应流通处理机匣对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中进口总压畸变通过在进口径向段布置栏杆实现。数值结果表明,进口畸变后采用自适应流通处理机匣能够提高转子的性能,其中效率的增加效果比总压比的明显,并获得近6.8%的综合失速裕度改进量。通过详细地分析压气机内部流场表明,处理机匣后使部分叶顶通道吸力面附面层分离起始位置向后缘移动,最大后移距离约为11%叶顶弦长,削弱了叶顶通道由气流分离造成的不良影响,并抑制叶顶间隙泄漏流从相邻叶片叶顶前缘的溢出,当喷气装置对准叶片通道时,其抑制前缘溢流的效果才是最佳的。     

静叶片时序效应对压气机叶片非定常气动负荷的影响

采用数值方法对两级低速压气机中径处的流场进行非定常模拟。研究第二排静叶在两个典型周向位置上的叶片气动负荷,分析各列叶栅气动负荷的非定常波动以及静叶时序效应对叶栅气动负荷的影响。对各列叶栅的非定常气动力和气动力矩进行频谱分析,探讨叶列间的非定常气动干扰。结果表明,时序效应对静叶片气动负荷的影响明显高于动叶片的。时序效应能够提高压气机的性能与叶片寿命.      

高负荷跨声速压气机动静叶干扰下叶片气动负荷研究

通过数值方法模拟了某型高负荷跨声速压气机在工作点的非定常流场，对级内动静叶的气动干扰进行了深入分析。通过气动力和力矩的变化对动静叶干扰下的叶片非定常气动负荷进行了详细的分析，研究了尾迹和势流干扰下叶片气动负荷的变化规律，结合频谱分析进一步认识了气动负荷各周期分量，研究结果有助于对高负荷压气机内动静叶非定常气动干扰的认识。     

自适应流通机匣处理改善压气机性能的机理

为了探索自适应流通机匣处理形式影响跨声压气机性能及流场的流动机理,文中采用非定常数值模拟方法研究了自适应流通机匣处理对NASA轴流Rotor37气动性能的影响。数值计算结果表明:自适应流通机匣处理能有效地延迟失速并在大部分流量范围内略微提高压气机的效率。通过详细的流场分析表明,该机匣处理能有效地增大叶顶区的气流进气角度,抑制了间隙泄漏涡在叶顶通道内的发展,同时阻止泄漏涡涡核在通过激波后破碎,提高了转子顶部通道的流通能力,进而减少叶顶区的流动损失。