轴流压气机流体诱发振动的实验研究

本文介绍了在跨音压气机试验台上对BF-1系列转子开展气动弹性失稳和动态响应的实验研究工作。实验中发现该系列转子存在多种流体诱发振动现象。文中着重对失速颤振现象及结果作了分析。     

多块网格计算跨音压气机带叶尖间隙流场

开发了三维数值模拟程序研究轴流跨音转子叶尖间隙流动,应用高雷诺数k-ε湍流模型加壁面函数的方法,计算了轴流跨音转子NASA Rotor37在设计转速下的流场.叶尖间隙采用分区的H型网格和主流区连续对接耦合计算,没有用间隙模型,也没有考虑Vena收缩效应而减小间隙量.在用有限体积法对Navier-Stokes方程和湍流方程进行空间离散的过程中采用了交错网格的方法将N-S方程与湍流方程紧密地耦合在一起,从而提高了计算精度.计算结果和实验数据进行了详细的比较和分析.结果表明,中部叶展具有与实验结果非常一致的流场特征,根、尖区流场则因涡粘假设和激波问题的存在而使流动细节与实验结果略有偏差.     

求解跨音位流问题的改进SIP方法

本文研究Sankar提出的,用全位势方程求解跨音流场的强隐式方法(Strongly Implicit Procedure)。针对强隐式方法在求解跨音流场中的问题作改进,即采用了新的人工压缩密度计算方法,计算绕孤立机翼、叶栅通道的跨音流场,降低了在跨音位流计算中激波前后的数值振荡,并提高了算法的稳定性,     

大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性

为研究大攻角状态压气机转子内部分离区的脱落和传播过程及转子叶片对其动力响应问题,对某跨声速压气机级进行了非定常数值模拟和双向迭代流固耦合数值模拟。研究结果表明,在近失速状态,转子叶片通道内会周期性地发生2次叶背分离区的脱落和传播现象。第1个分离区主要表现出轴向传播特性,其会对下游流场产生影响;第2个分离区主要表现出周向传播特性,其会作用于周向相邻的转子叶片,对转子叶排自身产生激励作用,进而影响叶片表面压力分布,引起叶片较强的动力响应,对叶片结构强度的影响不可忽略。非定常/流固耦合计算手段能够较全面地预测流场中激励源的频率、幅值与位置等,在压气机设计阶段应对此类预测工作予以重视,以期更准确地预测叶片共振及动力响应等问题。     

轴流压气机内导叶/转子干涉对转子流场的影响

叶轮机械内的转静干涉现象多年来一直是一个研究的热点,然而现有的对于转 静干涉的研究多局限于对流动现象的描述,缺乏理论指导,因此无法在叶轮机械的设计体系 中包含这一非常重要的非定常流动现象,限制了叶轮机械性能的进一步提升.利用流动稳定 性及感受性理论来指导对这一问题的研究,能够找到利用这一现象提升叶轮机性能的规律. 对于一台单级低速轴流压气机内的导叶/转子干涉现象进行了实验研究.利用二维粒子图像 速度仪测量得到了导叶/转子干涉的定量流动细节,及其对于转子流场的影响.结果表明, 转子流场在定常来流条件下也表现出显著的非定常性.在引入导叶/转子干涉之后,转子流 场结构发生显著变化.动叶尾迹强度明显减弱,叶背流动分离得到抑制,叶尖泄漏涡也得到 了周期性的抑制.除了导叶尾迹对动叶流场的干涉作用以及气流角的周期性变化以外,动叶 非定常流动对于不同的导叶/动叶干涉激励频率的不同响应是引起压气机性能变化的主要原 因.      

引气对跨声轴流压气机性能的影响

以单级跨声轴流压气机NASA Stage35为研究对象,根据影响转子和静子通道流动的主要物理现象分别设计了多种引气方案.通过数值模拟比较分析引气与不引气状态下压气机的详细流场,结合实验测量结果,研究转子机匣端壁引气位置以及静子机匣端壁引气量对压气机性能及流场的影响.结果表明:转子机匣端壁引气能够有效控制间隙泄漏流的发展,减小叶尖损失,提升压气机性能.不同的引气槽结构和轴向位置对间隙流动的影响机理不相同;静子机匣端壁引气能够有效减小静子叶排损失,提升压气机效率.      

均匀和畸变进气条件下轴流压气机失速分析

利用逐叶排的非线性模型,模拟了单转子压气机在均匀进气条件下失速的形成和发展过程,对失速特征参数的预测结果与试验结果基本相符.模拟了周向稳态总压进气畸变对单级轴流压气机失速特征的影响,畸变进气对压气机的失速特征参数影响不显著,但是畸变流场与失速流场的耦合作用激发轴向气流振荡增强,使压气机呈现出轴向与周向气流振荡两种失稳模态,它们的相互作用对压气机失稳具有重要影响.     

跨音叶栅流场的相仿律

跨音叶栅绕流参数繁多,为了便于系统研究参数影响,也为了扩展某个气动性能良好的叶栅的使用范围,研究不同流场之间的相仿可能是有益的。多年前VonKarman曾给出了二维孤立翼型的跨音相仿律。然而,由于远前后方边界条件的不对称性,以及叶轮机械流场的周期性 所以叶栅的相仿律和孤立翼型的尚应有所不同。本文指出,为了维持两个叶栅流场的相仿,五个对应跨音相仿参数应分别相等。文中举例表明,相仿性有助于由一个巳知给定叶栅流场迅速得到很多在不同条件下运转的相仿跨音叶栅流场。     

横向气动载荷作用下转子系统动力响应研究

旋转失速会对发动机转子系统产生横向作用力.根据旋转失速时压气机内压力在时间域和空间域的变化规律建立了横向载荷的数学模型,在有限元软件MSC/NASTRAN计算平台上,利用DMAP语言开发了考虑陀螺力矩影响的复杂转子系统动力分析程序.对单、双转子发动机在横向载荷作用下转子系统的动力响应进行了数字模拟.得到了横向载荷作用下转子系统动力响应的一般规律,为发动机转子系统的设计如何考虑横向载荷的影响提供了参考.      

跨音涡轮转子叶尖间隙内流动分析与建模

为明确跨音涡轮叶尖泄漏流动机理，进一步提升涡轮效率，对跨音条件下叶顶喷气对平叶尖及凹槽叶尖性能的影响进行研究，并探讨跨音条件下平叶尖及凹槽叶尖间隙内部的流动状态。结果表明：跨音条件下，叶顶喷气可以增加平叶尖叶栅的气动效率，而刮削涡仍是凹槽内的主控流动结构；喷气流量的增加对平叶尖的总泄漏流量影响有限，但会增加凹槽叶尖的总泄漏流量。在更高负荷情况下，平叶尖间隙内呈跨音速流动特征，具体状态与叶片负荷、叶片厚度有关；凹槽叶尖条件下，泄漏流动在吸力侧肋条上方快速膨胀至超声速状态。基于此，建立可用于跨音条件下的泄漏流量预测模型。     

叶尖间隙对失速颤振影响的实验研究

本文介绍了在跨音压气机试验台上,对BF-1系列转子在两种不同的叶尖间隙(δ_1=1.6,δ_2=0.5mm)下进行颤振实验的情况。文中对实验结果进行了初步分析。实验结果表明,对δ=0.5mm的叶尖间隙,由于二次流损失减少,气流激振能量增加,使叶片失速颤振区的范围扩大,颤振边界前移。     

压气机间隙流与处理机匣作用的三维数值分析

利用Numeca CFD对某一压气机静子叶栅的间隙流动进行流场计算,并将其与具有圆弧斜槽处理结构的间隙及流场计算结果进行对比、分析.详细揭示了叶栅顶部间隙区及处理槽内的流动特征.结果表明,通过采用机匣处理,改变了压气机气流流路,形成叶尖漏流的通道,减少漏流下洗对叶片通道造成的阻塞.叶尖附近主流在叶盆尾缘气流高压作用下进入斜槽,而后气流在叶背前缘以高速由斜槽射入主流,该高速射流有效地扫除叶尖易失速的附面层,从而延迟气流分离,扩大压气机的失速裕度并减少二次流损失.这种籍助于动量交换而形成高速射流对主流的作用可能是机匣开槽结构改善失速裕度的主要原因.      

跨音压气机叶栅流场的附面层修正

本文发展了二维压气机叶栅亚音、跨音流中粘性——无粘相互作用程序。无粘计算在弦向大扰动、弦法向小扰动的假设条件下用跨音松弛法求解;粘性附面层用Nash方法计算。考虑了叶栅尾迹的影响。最后,连同通道区和尾迹区一起,求得了包括冲波影响的叶栅的总损失系数。计算结果表明,在跨音情况下,粘性对冲波强度、位置以及全流场的速度分布都有不可忽视的影响。     

对经验法预测叶片失速颤振的分析及叶片颤振数据库的建立

本文对预测失速颤振发作的经验法中单、双参数法作了介绍,并用相似理论对经验预测法进行了分析。指出单、双参数法不够准确的原因,说明经验法的发展是建立叶片颤振数据库。提出了一种利用微机上的数据库管理系统建立叶片颤振数据库的方法。并将预测的跨音压气机失速颤振边界与实验边界作了对比。     

对旋风扇不同转速匹配对失速关键级影响实验

对低速对旋风扇/压气机级的理论分析表明,对旋转子的失速关键级取决于失速时前后级的流量系数以及前后级固有的临界流量系数.前后级的转速匹配会改变前后级的流量系数,进而改变对旋风扇的失速关键级.在一台低速轴流对旋风扇上进行了不同转速匹配的实验,实验结果验证了这一结论.该实验通过改变前后级转速来研究不同转速比情况下的对旋压气机失速特性.实验中分别测量了前后级在100%,90%,80%,70%,60%,50%转速下,共计36组数据.实验结果表明,在设计转速下第2级转子为失速关键级,并且可以通过调整前后级的转速比来改变失速关键级.另外,在失速时如果前级转子流量系数接近临界值,可以得到明显的失速迟滞回线,否则无法得到迟滞回线.      

同轴旋转倒置圆台环隙间流动特性分析

针对同轴旋转倒置圆台环隙间流体复杂流动问题, 对其环隙间流动特性进行了实验研究。重点进行染色液流动显示实验和PIV流场测速实验, 对实验结果做定性及定量分析, 研究内筒转速和环隙宽度对环隙间流动特性的影响。染色液流动显示实验和PIV流场测速实验分别定性和定量地展现了环隙间螺旋涡的产生及变化过程。对不同内筒转速和环隙宽度下的螺旋涡涡心运动周期进行分析, 结果表明, 内筒转速升高, 周期减小；环隙宽度增大, 周期增大。运用瞬时流动和时均流场解析了环隙间螺旋涡运动产生机制, 探究内筒转速和环隙宽度对3种雷诺应力大小的影响与分布情况。内筒转速变化, 雷诺径向正应力始终最大；环隙宽度变化, 雷诺切应力始终最小。      

跨声风扇转子的BVF气动优化方法

将加功量作为目标函数并结合边界涡量流BVF (Boundary Vorticity Flux)这 个诊断因子,对某高性能跨声风扇转子进行了优化.通过基于局部动力学的BVF诊断可以捕 捉到流场分离流动在叶片表面上的物理根源,可以清晰的显示出激波结构.尽管优化后加功 量增大,但因为BVF分布改善,激波结构和分离流动被良好地控制.三维粘性N-S(Navier-S tokes)程序计算结果表明,风扇转子在近峰值效率工况下压比提高了7.69%,效率提高了1.9 2%,在全工况范围转子性能都得到了较大提升.基于BVF诊断的优化手段在风扇/压气机的优 化中可起到很大的作用.      

不同厚度翼型动态失速涡运动数值研究

在低马赫数下, 对三种不同相对厚度的NACA系列基本厚度翼型在俯仰振荡运动中的动态失速现象进行了数值研究.数值模拟时采用双时间法和LU-SGS隐式解法相结合的模式求解了非惯性坐标系下的非定常纳维-司托克斯(NS)方程组, 空间离散采用Roe格式,并结合刚性动网格生成技术.采用全湍流计算,通过引入BL(Baldwin-Lomax)模型计入湍流影响.计算出的气动力迟滞曲线与实验结果变化趋势符合较好,表明了数值方法的有效性,同时通过比较和分析不同厚度翼型在轻失速和深失速下的流场结构,发现绕翼型的失速旋涡产生和发展规律是明显不同的.      

压气机叶片失速颤振的声学现象

本文介绍了BF-1-1及BF-1-2两个转子在两种不同叶尖间隙(δ_1=1.2mm及δ_2=0.5mm)下叶片失速颤振的特殊发声现象。发声频率为275～285Hz,文中对实验结果作了初步的理论分析。