跨声速风扇转子叶尖小翼设计与扩稳机理研究

为了揭示叶尖小翼对跨声速风扇转子气动性能的影响机理,采用数值模拟方法研究了跨声速风扇转子NASA Rotor 67附加不同叶尖小翼的气动特性,并在分析不同叶顶间隙时风扇转子失稳机制的基础上探究了叶尖小翼的扩稳机理。研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在小间隙、设计间隙和大间隙情况下分别使风扇转子失速裕度提高32%,33.6%和70.6%。小间隙时,转子叶尖泄漏涡和叶片吸力面附面层分离是影响风扇转子失稳的关键因素,设计间隙和大间隙时,叶尖泄漏涡导致的大面积阻塞区是影响风扇转子失稳的关键。三种不同叶顶间隙情况下,压力面小翼的扩稳机制均在于有效降低了转子叶尖泄漏涡强度,减弱了叶尖泄漏涡导致的低轴向速度区流体的阻塞程度。     

前掠对高负荷风扇转子叶尖间隙效应的影响

以高负荷两级风扇第一级前掠转子为研究对象,数值模拟了设计转速下多种不同间隙下的特性曲线以评估其性能对间隙的敏感性.结果表明:前掠转子能够显著降低气动性能对叶尖间隙的敏感度,且并不存在工程意义上的最优间隙.这种特性在存在强叶尖泄漏流的大叶尖间隙和近失速工况时更为明显.通过与一个气动性能等效的常规转子进行叶尖区域详细的流场结构对比,对前掠改善间隙敏感度,调整展向气流分布及影响转子叶尖泄漏流动的内在机理做出了解释.      

不同叶尖间隙下的涡轮转子出口 三维流场测量

采用圆锥四孔高频压力探针测量了某涡轮不同叶尖间隙下转子出口的三维时均流场.结果表明转子出口参数均呈现明显的周期特性.叶尖间隙对转子出口流动品质有较大影响;间隙大时,泄漏流显著,对应的机匣二次流动较弱;间隙小时,机匣附近的二次流动较强.泄漏流区域的速度低,对应的相对总压小,损失大;泄漏流导致气流亏转,对应的静压高,膨胀程度小于主流,增大间隙,膨胀比变小,涡轮做功能力下降.      

航空发动机风扇叶尖径向间隙数值分析

采用流-固-热耦合计算方法,综合考虑离心载荷、温度载荷和气动载荷影响,对某改型发动机的风扇转子和风扇机匣进行数值分析,获得了发动机三个典型状态点下,风扇转子和风扇机匣的压力、温度及结构变形分布;通过对风扇转子和风扇机匣两者变形的叠加,获得了风扇叶尖径向间隙分布。计算结果显示:该型发动机在原型机设计点和转速最高状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面发生碰磨;而在温度载荷最大状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面始终存在间隙,这会影响到该状态点下的风扇效率,需在后续设计中予以考虑。     

轴流压气机转子叶尖间隙流动结构的数值研究

为进一步加深对轴流压气机转子叶尖间隙内泄漏流/涡流动结构的认识,针对某台用于高压压气机低速模拟的四级重复级大尺度轴流压气机上的转子,采用定常数值方法开展了详细的研究。首先用已有的试验结果校核了计算方法的可靠性,随后研究了设计点工况下端区复杂流动结构和流动损失的机理,最后比较了无叶尖间隙和不同叶尖间隙大小的轴流压气机转子端区流动结构的差别,以及设计点和近失速情况下叶尖泄漏涡结构、泄漏流/主流交界面、端壁堵塞以及端壁损失的区别。结果表明,在62.5%间隙高度以下的叶尖区域内,从前缘叶尖间隙流出的流体会卷吸成叶尖泄漏涡,且随间隙高度的增加其占据的叶尖泄漏涡的位置由内而外;而在62.5%间隙高度以上,从转子前缘间隙内流出的流体不会卷吸成叶尖泄漏涡,随间隙高度的增加流动受叶尖泄漏涡的影响越来越小,更易出现二次及多次泄漏,且所占据的弦长范围也更宽广;设计状态下,叶尖泄漏涡在向下游发展的过程中会逐步膨胀,并与主流强烈掺混,无量纲流向涡量迅速减小,但无量纲螺旋度值显示其仍能保持集中涡的特征。     

叶尖间隙效应对跨声速压气机性能影响的研究

为了研究叶尖间隙效应对跨声速转子性能的影响机制,以一跨声速级轴流压气机为对象,采用商用软件NUMECA进行三维定常数值求解。结果表明:随着叶尖间隙的增加,峰值效率下降,堵塞流量减小,当叶尖间隙大于0.5τ(τ代表设计间隙)时,峰值效率敏感度曲线与叶尖间隙呈线性关系;综合考虑喘振裕度和峰值效率,该压气机存在最佳叶尖间隙0.5τ,此时的峰值效率和喘振裕度较设计间隙下分别提高约0.22%和3.1%。根据流动特点的不同可以将整个叶尖弦长范围内的叶尖泄漏流分为三个部分,分别为主泄漏区、二次泄漏区和普通泄漏区,且每个泄漏区在叶尖流动结构中的作用各不相同。不同叶尖间隙下压气机的失速过程的主导因素会发生改变。     

某三级低压风扇不同工况叶尖间隙的变化规律及气动影响

通过模型分析结合数值模拟,对某三级低压风扇不同工况叶尖间隙变化规律及其对风扇气动性能的影响展开研究.根据叶尖间隙预估模型计算发现,三级低压风扇叶尖间隙变化具有主要与转速相关,同一转速下从堵塞点到近失速点叶尖间隙的变化并不大的特点.针对这一特征,提出了评估叶尖间隙变化对稳定裕度影响的方案.通过对使用冷态装配间隙和模型预估运行间隙分别进行全工况特性线数值仿真,结果发现:转速越大,叶尖间隙变化导致的影响也增大.在该三级低压风扇100%设计转速,叶尖间隙变化会带来0.5%进口流量、0.5%最大绝热效率以及5%稳定裕度的差异.      

航空发动机转子叶尖间隙及同心度变化规律研究

航空发动机转子叶尖间隙及同心度是影响发动机性能和安全的重要参数。组建了一套电容法测试系统,并成功用于发动机风扇转子叶尖间隙及同心度测量。通过分析测量数据,得到了发动机风扇转子叶尖间隙及同心度随转速和时间的变化规律。结果表明:慢车以下状态时,转速升高,转子叶尖间隙减小,转子向下偏移;慢车以上状态时,转速升高,转子叶尖间隙减小,转子向上偏移;最大状态时,部分测点存在较大叶尖间隙,同心度均不为零。     

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。     

不同转速下叶尖间隙流对跨声速压气机失速的影响

为了研究不同换算转速下叶尖间隙流对转子失速的影响,对不同工况下叶尖间隙流动的特点进行了分析,讨论了压气机转子叶顶两个低速区的形成机理,以及该转子在多种换算转速下的失速机制。研究表明,转子失速是近压力面前缘和吸力面尾缘两个低速堵塞区共同作用的结果。二者的形成都与泄漏涡关系密切,前者是泄漏涡受激波干扰破裂而形成,后者是吸力面气流在泄漏流、吸力面二次流以及激波相互作用下而形成。不同换算转速下压气机失速机制不尽相同:在70%~100%换算转速,压气机叶顶失速主要是由于叶尖泄漏涡与激波相互作用而破裂;在115%换算转速,失速的主要触发因素为径向涡导致吸力面附面层低速气流向叶顶堆积。     

Dual stability enhancement mechanisms of axial-slot casing treatment in a high-speed mixed-flow compressor with various tip clearances

The influence of Axial-Slot Casing Treatment (ASCT) on the performance and stability enhancement mechanisms of ASCT were experimentally and numerically investigated in a high-speed mixed-flow compressor under three different tip clearances. Unsteady simulations showed the compressor stalled through end-wall stall route, i.e. the spike stall inception originating from rotor tip region, which was validated by dynamical measurements. When the ASCT was applied, greater than 20% of Stall Margin Improvement (SMI) could be achieved for the compressor under each tip clearance size. The streamwise velocity contours and flow structures in the tip region and axial slots were deeply analyzed to explore how the so called “suction and injection effects” generated by the ASCT manipulate tip clearance flow and enhance the stability of compressor under different tip clearances. It was found that the dominant stability enhancement mechanisms of ASCT varies with tip clearance size for the mixed-flow compressor. (A) For the small tip clearance, the dominant mechanism of stability enhancement is the blockage reduction generated in the blade passage by the suction effect of ASCT. (B) For the large tip clearance, the injection effect of the ASCT is the dominant mechanism of stability enhancement with ASCT, which plays the leading role in delaying the spillage of incoming/tip leakage flow interface at the rotor Leading Edge (LE) plane.     

涡轮间隙泄漏涡破碎对损失的影响

采用数值方法联合标准k-ω两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了不同间隙高度下GE-E³（Energy Efficient Engine）涡轮第一级动叶顶部间隙泄漏涡（TLV）的破碎特性及其对泄漏损失的影响。首先描述了泄漏涡的破碎现象,并对其动力学特性进行了理论分析,接着研究了间隙高度对泄漏涡结构及破碎特性的影响,最后对泄漏涡破碎与损失的关系进行了探讨。研究结果表明：涡轮叶顶间隙泄漏涡具有不稳定特性,当泄漏涡具有足够的强度可以克服通道涡卷吸形成完整涡结构时,在叶片后半部分逆压区发生了涡破碎现象,带来了额外的涡破碎损失;间隙高度对泄漏涡破碎位置的影响比较明显,在大间隙下泄漏涡趋于相对稳定;叶顶泄漏流产生的掺混损失以泄漏涡的破碎为标志分为两个阶段,大量的掺混损失发生在泄漏涡破碎之后,这也是叶顶泄漏流产生损失的主要部分。     

转子叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能影响机理分析

为研究转子不同叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能的影响机理,分别对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型 优化,并利用商业软件NUMECA进行数值模拟。结果表明：对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型优化后,压气机性能有较 大提高,改型后 0.204-0.408的各类间隙压气机性能优于 0.408-0.204间隙的。相比较平行间隙 PTC 0.204-0.204,渐变式 TTC 0.204-0.408和阶梯式STC 0.204-0.408的失速裕度分别提高1.12%和1.61%,峰值效率基本不变,同时近失速工况下的总压比和效 率也略有提高。叶尖泄漏涡得到抑制,间隙处的流体低速区明显减小,流动损失减小,流场得到较大改善。转子通道的总压比在 85%叶高处明显提高,分别提高了1.01%和3.13%。阶梯式叶尖间隙压气机的静子通道40%叶高处总压损失系数减小达75.4%。 对平行式叶尖间隙进行改型处理能够有效提高压气机性能,且阶梯式叶尖间隙比渐变式的对压气机性能提高的效果更加显著。     

亚声速半开式离心叶轮叶顶间隙的流动特征

针对半开式离心叶轮的间隙泄漏和间隙气流对气动性能的影响,采用数值方法分析了3种叶顶间隙值下叶轮的气动性能、设计工况下的叶片载荷分布、间隙流动气流角以及泄漏涡的分布特征.结果表明:叶轮叶片表面的压力分布规律不受叶顶间隙的影响,但叶片载荷在叶片的中后部有不同程度的减小;间隙处的内泄漏流动本身引起的流动损失较小;与零间隙相比,间隙处的内泄漏气流对流道前半段主流的影响甚微,但在流道中部以后,间隙流扰乱了主气流方向,并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区,造成明显的熵增,带来不可忽视的能量损失.希望所得结果能为建立半开式离心叶轮的间隙气动模型提供参考.      

叶顶凹槽形态对动叶气动性能的影响

 应用数值方法联合标准k-ω两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了GE-E³发动机第1级动叶片顶部凹槽、凹槽内布置流向肋条以及凹槽内布置横向肋条3种不同的涡轮叶顶结构对动叶顶部泄漏流动以及动叶气动性能的影响。首先详细分析了不同叶顶结构间隙内泄漏流场以及损失分布,接着研究了不同间隙下不同叶顶结构对动叶总体性能的影响,最后对凹槽内布置横向肋条叶顶结构的变工况特性也进行了分析。数值研究结果表明:叶顶凹槽内布置肋条增加了间隙泄漏流动阻力,减小了间隙泄漏流量,其中,凹槽内布置正对着泄漏流方向的横向肋条显著降低了叶顶间隙泄漏流量,从而获得最好的气动性能,尤其在大间隙时更为明显;凹槽内布置横向肋条也具有较好的变工况性能;适当的叶顶结构可以在不影响转子叶片做功能力的前提下使得泄漏流利用凹槽和肋条的侧壁向叶片额外输出有用功。     

某型发动机高压12级转子叶尖间隙控制研究

以某型发动机为对象,采用CFD数值模拟,研究了高压压气机12级孤立转子在不同叶尖间隙值下的单通道流动细节,分析和比较了不同叶尖间隙值下该级转子的压比和效率,获得了最佳性能前提的叶尖间隙值,并讨论了最佳间隙下的流场结构.结合ANSYS有限元软件评估了转子叶片和轮盘在热-结构耦合作用下的径向应变.研究结果对改进转子叶尖间隙装配和控制具有较好的参考价值.      

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。