欠频响压力探针测量压气机动态流场的结果分析

压气机内部流动具有很强的非定常特征,尤其是小尺寸发动机叶片通过频率高达30～80 kHz,而动态压力探针的响应频率只能与叶片通过频率相当,采用其测量不易获得具体的高频流场结构.为了研究这种欠频响情况下测得流场与真实流场的差异,以某低速压气机为对象进行了模拟研究.采用频响为420 Hz的动态压力探针及频响大干33 kHz的单斜丝热线探针,测量了叶片通过频率为303 Hz的转子出口流场.修正了动态压力探针的容腔效应对测得流场的影响,校验了在测试系统响应频率较低时,修正后流场与热线测得的参考流场之间的差异.对比结果表明:原始流场压力信号的部分频率成分产生了较大偏差,出口截面流场的周向位置有较大误差.经修正后,周向位置较为准确,泄漏堵塞区域形态以及强度都与参考流场的更为接近,但由于尾迹区存在部分高频,修正后结果与参考流场的差异仍较明显.     

低速轴流压气机转子尾迹三维动态测量

对一台低速轴流压气机的转子尾迹进行了三维动态测量,采用锁相平均、方均根和功率谱密度等分析方法对低速轴流压气机转子在节流过程中尾迹流场的稳态和动态特征进行了研究.结果显示:在绝对坐标系下,转子尾迹有高总压和高方均根特征,且在不同叶高的强度不同;转子尾迹与主流的掺混作用导致平均总压升系数的快速衰减;功率谱密度分析表明,在接近失速点时,转子尾迹90%叶高以上出现0.5倍叶片通过频率的特征频带且其功率随着流量减小而增大.      

两种动态压力测量装置试验对比研究

针对齐平安装与准无限长管两种动态压力测量装置的结构特征,设计了多种动态压力探针。采用正弦压力发生器进行动态压力特性标定,量化了工程应用中两种结构的不同感压管腔对动态压力测量误差的影响,并在发动机总压畸变试验中进行了对比研究。结果表明,齐平安装结构中,传感器安装引起的小容腔对动态压力测量误差影响不大;准无限长管结构中,感压管腔的存在会导致动态压力幅频特性波动、相位滞后,且波动量与感压管腔长度正相关,相位滞后与感压管腔大小呈线性特征。     

楔顶双孔探针测量跨声多级压气机转子出口三维动态流场的方法

发展了1种楔顶圆柱双孔高频压力探针测量三维动态流场的方法,并应用于某跨声速多级轴流压气机转子出口流场测量.该探针测量方法基于4孔针测量原理,通过旋转探针在3个角度测量的方法实现,并采用最小二乘拟合方法对探针气动校准数据进行处理,对拟合误差进行优化,得到最佳拟合阶次,进而获得精度较高的求解流场参数的近似函数.相比国内外同类探针,该楔顶圆柱双孔高频压力探针尺寸小、频响快、测量范围宽、测量精度高.借助高速锁相数据采集技术,利用该探针测量了某跨声速多级压气机转子出口三维动态流场,测量结果反映了该转子流动特征,提供了转子出口气流偏转角、俯仰角、总压、马赫数分布,并为优化压气机级间匹配指明了方向,为压气机流场诊断提供了一套行之有效的测量手段,验证了该高频压力探针测量技术的工程应用价值.      

跨声轴流压气机转子尾迹的总压平均方法

对一台跨声轴流压气机转子的尾迹流场进行了数值模拟研究和总压实验测量,结合理论分析方法,研究了面积平均和质量平均这两种常用的总压平均方法在跨声轴流压气机转子尾迹测量中的联系与差异.结果表明:在靠近转子尾缘的测量截面,由于转子尾迹流场中存在总压高而轴向速度低的区域,导致面积平均总压大于质量平均总压;而随着尾迹与主流在下游逐渐掺混均匀,面积平均总压又小于质量平均总压.两种总压平均方法的这一规律性关联可以在研究压气机转子尾迹特征尤其是进行数值计算和实验测量结果对比分析时提供一些有价值的参考.      

不同校准装置对引压管腔动态特性校准

为了探索引压管腔在动态压力校准中各校准方法的一致性与数据准确性,确立了以简单直管形式引压管腔开展动态特性校准的研究。采用理论和仿真的手段分析并建立了引压管腔模型,理论模型和仿真结果一致性极高。利用3种正弦压力校准装置对同一引压管腔进行了动态校准组合试验,结果表明:3种校准方法所得的动态特性与理论分析趋势一致,对于引压管腔基频的校准各试验之间偏差小于0.55%,但与基频理论值最大偏差为-3.17%。该研究将会为未来引压管腔结构设计和动态特性的补偿修正提供了一定参考依据。      

基于四孔压力探针技术的涡轮转子出口流场测量

利用位移机构移动四孔压力探针,对小展弦比涡轮转子出口不同试验状态下的流场进行了测量.试验前对四孔压力探针进行了标定,试验中利用同步锁相技术进行数据采集,采用等相位平均法进行数据处理,再通过插值算法对探针压力数据做进一步处理,准确得到了转子出口具有周期特性的马赫数、偏转角、俯仰角、总压、静压、速度等流场参数.测量结果清楚表明:泄漏流区域的速度低,对应的相对总压小,损失大;间隙大时,泄漏流显著,导致气流亏转,对应的静压高,膨胀程度小于主流.     

探针支杆对压气机转子性能及流场影响的数值模拟研究

为了研究探针支杆对压气机转子性能及流场的影响,以低速轴流压气机单转子为研究对象,利用定常和非定常计算方法分析了在转子叶片上游50%弦长位置处安装探针支杆后转子整体性能及流场结构的变化。结果表明:支杆的存在会使压气机转子设计点静压升下降1.09%,损失增大8%;近失速点静压升下降0.8%,损失增大4.2%。同时支杆尾迹会周期性改变泄漏涡的形态与强度,不会改变泄漏涡破碎导致的泄漏涡脱落频率。支杆尾迹造成的非定常效应使叶尖区域局部总压升有所升高,在近失速工况下,总压升提高更显著。     

不同环境因素对引压管腔动态特性影响

为了探索引压管腔在动态压力校准和使用中不同环境因素对动态特性的影响,推导了管腔传压模型和谐振频率关系式,确立了影响管腔动态特性的参数,包括静态压力、温度、气体介质等。采用引压管腔专用实验装置进行了不同环境参数状态的实验验证,结果表明:静态压力仅会影响管腔在谐振频率附近的输出,随着静态压力的增大而非线性增大,对动态特性并无明显改变;温度会改变管腔的谐振频率和动态特性,随着温度的升高,谐振频率增大但输出幅值随之减小;气体介质的不同会彻底改变管腔动态特性,主要取决于介质的声速。该研究为引压管腔在使用环境下数据的评价和数据修正上提供了一定参考依据。     

转子后总压旋态误差的研究

总压测量时,测点气流的真实总压是p~*(不考虑探针的干扰),而探针感受到的压力是p_(?)转子后旋态使气流方向有大幅度变化(如图1,在近场尾迹中可达40°),因此一般p_(?)不一定与真实压力恒等,测试系统最后得到指示压力P_(?)工程上一般要求总压的质量平均值p_m~*,而在指示端得到的是指示压力的时间平均值芦p_(H(?)),故旋态误差为     

上游叶片尾迹对转子叶片非定常表面压力频谱特性影响的研究

为了研究上游叶片尾迹对轴流压气机转子叶片非定常表面压力的影响,采用在叶片表面埋设微型压力传感器的方法,测量了一个单级低速轴流压气机转子叶片的非定常压力分布。对转子叶片非定常压力分布的分析显示:转子叶片压力面非定常表面压力主要受上游叶片尾迹影响,其主导频率为上游叶片尾迹频率及其倍频,压力波动幅度随上游叶片尾迹的衰减而沿流向减弱。转子叶片吸力面非定常压力受叶片附面层和上游叶片尾迹共同影响,其主导频率为上游叶片尾迹频率及其倍频,但是在吸力面前部气流加速区压力波动幅度沿流向增大,而在吸力面后部气流减速区压力波动幅度沿流向减小。在存在尾缘分离的情况下,在分离区附近产生较大压力波动。尾缘气流分离产生的压力波动频谱中含有上游叶片尾迹频率及其倍频的分量,但其频谱可能比较复杂,并非单一地受上游叶片尾迹影响。      

压气机动静叶干扰的非定常流动特性

采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法计算动叶尾迹对静叶干扰的流场信息。利用涡量分布揭示动叶尾迹在静叶通道内的演化过程,利用压力梯度识别激波结构及波振源,运用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法对静叶通道内流场的时空结构进行模态分解。结果表明:流场中存在3处波振源,分别位于动叶尾缘、静叶前缘和静叶尾缘处;发现静叶通道内流场的频谱具有多峰值现象,模态分解的第1阶流动代表动叶尾迹在通道内随时间迁移,对应频率为动叶通过频率(blade passing frequency,BPF)是通道内旋涡非定常波动的主导频率;第2阶流动是动叶通过频率的2倍频流动,旋涡的空间尺度为1阶模态的1/2,为更小尺度的扰动。      

转静干涉下转子叶片的非定常压力频谱

分别采用多通道模型和相位延迟方法的单通道模型对一压气机转子叶片因转静干涉引起的表面非定常压力进行了分析.对比了转子叶片表面非定常压力的时域和频域信息,并对其高阶主导频率进行了分析.结果表明:相位延迟方法与多通道法计算结果吻合,转子叶片非定常压力的峰值频率为叶片通过频率及其倍频,叶片中部以上区域2倍叶片通过频率的非定常压力幅值约为1倍频的2倍,分析认为这是由尾迹输运和激波振荡导致的,可为深入分析叶片由振动导致高循环疲劳失效的成因提供参考.      

转、静子轴向间距对转子叶片振动应力的影响

采用数值模拟方法,分析了转、静子轴向间距对转子叶片振动应力的影响.利用CFD程序对进口静叶尾迹作用下的压气机转子叶片排非定常流动进行了数值模拟,并采用所编写的程序将气动载荷转化为有限元模型上的动态压力载荷,进行了结构瞬态响应分析.结果表明:在所考查的轴向间距下,随轴向间距的增大,转子叶片振动应力呈减小趋势,这主要是由于造成压力载荷波动的尾迹强度沿流向是减弱的.      

进口动态总压流场对燃机稳定性裕度影响

为了得到某燃机发生喘振的原因,在燃机进口进行了动态流场测试,对流场中存在的较大涡旋尺度、较大瞬间动态压力畸变以及与进口涡壳共振产生的转速基频脉动等动态流场特点进行了详细研究,获得了进口动态总压流场特点.试验数据和资料分析表明:进口动态流场的特点使发动机稳定裕度损失加大,从而造成发动机喘振.      

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。