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。      

评估周向槽机匣处理扩稳效果的新指标

在分析周向槽机匣处理扩稳装置结构的基础上, 采用三维粘性数值分析方法对带周向槽机匣处理的叶栅通道进行了计算, 获得一些有益的结果。首次提出用通过处理槽的气流流通量评估周向槽机匣处理的扩稳效果和扩稳能力, 分析讨论了处理装置的各种结构尺寸参数对扩稳效果的影响, 并得到大量实验结果的证实。为工程设计压气机机匣处理装置提供了理论依据。      

倾斜式周向槽机匣处理对压气机稳定性的影响

为分析倾斜周向槽机匣处理对跨声速轴流压气机NASA Rotor 37稳定性的影响,采用数值仿真方法研究了光壁机匣和倾斜周向槽机匣的扩稳效果。结果表明：经过周向槽机匣处理后,叶尖泄漏流被诱导进入周向槽,抑制了低速区的发展且泄漏流经过周向槽流出后能够吹除低能区,改善低速区造成的流道堵塞情况,扩大压气机的稳定工作范围;在设计转速下,5种不同形式的周向槽机匣处理都能够提高压气机的稳定裕度,其中,CT3的扩稳效果最好,稳定裕度提高2.86%,而峰值效率降低最少,仅降低0.7%;通过正交试验优化设计方法发现,样本9对于提升转子的稳定裕度效果最为明显,能够将稳定裕度提升2.95%,但会使峰值效率降低1.56%;当周向槽轴向倾斜方式不同时,会使得周向槽的周向截面及槽内流动发生改变,从而对压气机的稳定裕度和峰值效率造成影响。     

吹气型周向槽机匣处理扩稳机理的研究

实验证明在周向环槽中加入切向吹气可以比原型处理机匣获得更大的稳定裕度.分别对带吹气型周向槽机匣处理与原型机匣处理的孤立转子进行全三维数值计算, 计算得到的总性能特性线同实验符合良好.通过详细地对比分析两种机匣处理的叶顶区域流场, 揭示了吹气型周向槽机匣处理比未吹气的原型机匣处理获得更大的稳定裕度和提高效率的机理.      

周向槽机匣处理对某跨音转子性能的影响

为了研究处理机匣对压气机稳定性的影响并探讨其中的流动机理,采用数值模拟方法研究了一系列深度不同的周向槽处理机匣结构对跨音压气机转子Rotor37性能的影响。结果表明:叶尖泄漏涡与激波干涉后形成的堵塞区是诱发失速的主要原因。采用周向槽机匣处理可以显著增加转子的稳定裕度,且裕度增量与槽深度呈"双峰"关系;尺寸最优的浅周向槽和深周向槽可分别获得6.7%和7.3%的稳定裕度增加,而前者的效率损失更小。该处理机匣的扩稳机理在于减弱甚至移除了泄漏涡破碎形成的堵塞区。最后从动量方程的角度对深浅槽的扩稳机理分别进行了分析。     

周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究

为了验证周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的效果，本文在GE-E³高压涡轮第一级的机匣上引入周向单槽式机匣处理，通过数值模拟手段研究了周向单槽的轴向位置、槽宽和槽深对叶尖泄漏流调控的影响及周向单槽调控叶尖泄漏流的物理机制。结果表明：周向单槽的引入虽然会使叶尖泄漏涡尺寸变大，但会显著降低叶尖泄漏涡及机匣通道涡的强度，使得涡轮转子通道内流动总损失降低，涡轮级效率提高。在设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽，可以使涡轮转子通道内的流动损失相对减小9.10%，涡轮转子的效率提高0.40%，级效率提高0.85%。同时发现设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽结构，在非设计工况时也有良好的控制效果。     

周向槽机匣处理的三维理论分析

本文首次采用三维定常不可压 N- S方程数值分析了带周向槽式机匣处理的叶栅通道。从数值模拟这一角度分析了周向槽机匣处理的扩稳机理 ,描述了作用的流动图画和物理模型 ,为分析设计机匣处理装置提供了新方法     

周向槽机匣处理对跨声速轴流压气机影响分析

设计了一种周向槽机匣处理结构,并利用全三维定常数值模拟方法,研究了该机匣处理结构对某跨声速轴流压气机转子性能和流场的影响。结果表明,数值模拟结果与实验结果符合良好,该周向槽处理机匣使压气机转子的失速点流量减小了11．5％．有效地扩大了其稳定工作范围,但是同时也使得其峰值效率下降了0．82％。对压气机转子内部流场的分析表明,周向槽处理机匣扩稳的主要机理在于其对叶尖间隙泄漏涡与激波干扰后形成的低速流团的抑制,以及对叶片吸力面附面层径向涡在机匣面堆积形成的低速流团的吸除。     

轴向位置变化对槽式机匣扩稳效果的影响

采用试验与数值手段研究周向槽处理机匣轴向位置对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行三种不同轴向位置的周向槽处理机匣试验.试验结果表明三个轴向位置的机匣处理均扩宽压气机的稳定工作范围,轴向位置不变时扩稳效果最好,轴向位置前移次之.数值计算所获得的裕度改进量变化趋势与实验的符合良好.通过详细地分析处理机匣轴向位置变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽处理机匣轴向位置对压气机性能影响的流动机理.      

周向槽机匣处理的二维理论分析

本文在分析周向槽机匣处理二维简化模型基础上 ,采用边界元方法为分析提供边界条件 ;发展了一个不含迭代过程的计算任意回转面上叶栅流场的快速准确程序。文中详细分析了处理机匣各种几何尺寸及叶排参数对扩稳效果的影响 ;建立了一套便于工程设计与分析周向槽机匣处理的快速实用的定量方法。     

跨声压气机周向槽处理机匣非设计工况研究

设计了某单级跨声压气机周向槽处理机匣,利用全三维定常数值模拟方法研究了三种典型转速下的机匣扩稳机理;对比分析得出处理机匣扩稳性能与压气机工况、处理槽位置的关系:转速越高,处理槽扩稳效果越好,而且位于叶尖弦长中部的处理槽更有效.当转速降低时,扩稳效果减弱,靠近尾沿的处理槽更为明显.研究表明,该压气机在降转速过程中存在一个扩稳机理的转变:在高转速下扩稳以抑制间隙涡破裂为主,而低转速下则以抑制叶尖吸力面附面层分离为主.      

Rotor 37顶隙泄漏流的演化、影响及机匣处理

在详细研究顶隙泄漏流的结构及其演化的基础上,分析了Rotor 37的失速机理,并对不同深度、宽度和位置的环向沟机匣处理方式进行了比较研究.研究发现:在该研究的顶隙高度下,发生在叶尖尾缘附近的大面积流动分离是造成压气机失速的直接原因.因而布置在叶片中段和尾缘的环向沟有利于提高压气机的喘振裕度.同时还发现,环向沟的深度对于其产生作用并没有明显的影响,而其宽度的影响则较为明显.      

带周向槽叶尖处理机匣轴流压气机容总压畸变特性

基于叶尖处理机匣轴流压气机叶排实验特性，应用畸变传递的矩阵分析模型，对轴流压气机叶尖处理机匣容总压畸变特性进行了详细分析，并建立了处理机匣对总压畸变及其沿轴流压气机叶排衰减特性影响规律。计算结果表明，叶尖处理机匣虽能有效提高转子叶排抗总压畸变能力，但对其后的静子叶排抗畸变产生了明显不利影响，这对设计合理的扩大轴流压气机稳定裕度处理机匣结构尤为重要。     

非轴对称处理机匣的周向处理范围的实验

为了解决传统处理机匣对压气机"扩稳降效"的现象,打破处理机匣结构的轴对称传统,并设计了5种不同周向分布范围的非轴对称处理机匣.实验结果显示压气机的稳定裕度随非轴对称处理机匣的周向处理槽数的增多而单调增加,而效率则随处理槽数的增多先增加后减小.当非轴对称处理机匣的周向处理范围为120°时,能使压气机的稳定裕度和效率均有所增加,起到"扩稳增效"的效果.初步分析其原因是非轴对称的机匣结构改变了压气机叶尖的非定常流动.      

离心压气机周向槽机匣处理方案的对比分析

为了提高一带小叶片离心压气机50%设计转速下失速裕度,设计了两套周向槽机匣处理方案,对实壁机匣和处理机匣压气机流场进行了数值模拟分析.计算结果表明:①第一套方案可以使压气机失速裕度提高10%,并且对压气机压比和效率影响很小,没有带来较大的压比和效率损失;②第一套方案对离心叶轮大叶片75%左右轴向弦长前尖部流场的改善是失速裕度提高的主要原因;③第二套方案没有提高压气机失速裕度,主要是由于开槽的位置不恰当和周向槽过深的原因.      

槽式机匣槽宽变化对扩稳效果影响的试验与数值研究

 采用试验与数值手段研究周向凹槽槽宽变化对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行3种不同槽宽的周向槽处理机匣试验。试验结果表明3种不同槽宽的机匣处理都提高压气机的失速裕度,最小槽宽的扩稳效果最好,其他两宽槽次之。数值计算所获得总性能与试验结果符合良好。通过详细地分析凹槽槽宽变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽槽宽对压气机性能影响的流动机理。     

周向槽机匣对轴流压气机转子畸变响应特性的影响

基于给定的进气周向总压畸变谱,应用全三维数值计算方法,研究了周向槽处理机匣对NWPU-1轴流压气机转子容畸变特性的影响,初步揭示了其在进气周向总压畸变条件下的失速机理。结果表明,在均匀进气条件下,周向槽处理机匣对叶尖间隙泄漏涡形成和发展的抑制是其扩稳的主要原因;在进气周向总压畸变条件下,该轴流压气机转子失速的主要原因是畸变引起的攻角变化,造成部分叶片的负荷过重,由于周向槽处理机匣的作用主要在叶尖部分,所以并不能有效的扩大该压气机转子的稳定工作范围。     

预旋对周向槽处理机匣扩稳能力的影响

以Rotor 67转子为研究对象,通过数值模拟的手段分析了周向槽(CG)提高转子失速裕度(SM)的机理,并在此基础上研究了周向槽处理机匣与转子前预旋的匹配问题。结果表明:在Rotor 67转子中,叶尖泄漏流与激波相互干渉产生的低速区是转子失速的重要原因,而周向槽内气流离开时形成的与泄漏涡(LV)方向相反的涡会抑制泄漏涡的周向发展,是周向槽的扩稳机理之一。通过分析周向槽处理机匣在不同预旋条件下扩稳效果的变化,显示在不同流量点、不同预旋条件下,随着转子叶尖负荷位置的变化,起主要扩稳作用的处理槽不同,并在此原则下,提出了一种周向槽设计的思路。