跨声速串列转子失速机制的数值研究

为了解决跨声速串列转子的低裕度问题,就必须了解跨声速串列转子的流场结构与失速机制.设计了叶尖切线速度为450m/s,负荷系数为0.56的高负荷跨声速串列转子.基于数值模拟的结果,分析了该串列转子在0.5mm叶尖间隙下的叶尖流场结构与失速机制,并在此基础上分别探讨了叶尖间隙和前、后排叶片周向位置对串列转子特性的影响和失速机制的变化.结果表明:前排叶片的叶尖区域是 影响串列转子稳定性的关键;随着叶尖间隙的增加,串列转子的失速机制也发生变化,从前排叶片叶尖区域的尾迹与径向潜流堵塞后排叶片通道转变为前排叶片叶尖泄漏流堵塞;在较大周向相对位置(后排叶片压力面周向远离前排吸力面)的情况下,串列转子获得最好的效果,随着周向相对位置(PP)的增加,失速部位从后排叶片转移至前排叶片.      

叶片掠对跨声转子进口流动的影响

选择NASA Rotor 37跨声转子作为原型叶片,在叶片90%展高以上通过移动叶型基元的弦向位置构造叶尖掠特征,共有包括原型转子、2个前掠转子和2个后掠转子等5种不同叶型几何的算例.利用数值模拟软件计算得到5种转子的总体特性并获得三维流场.结果表明:叶尖前掠减小了叶片尖部进口的平均攻角,而后掠则使攻角增大.引入周向平均无黏动量方程,计算出由周向平均所产生的周向不均匀源项及径向平衡方程的各项数值,并对比其在5个转子进口的分布规律及其与攻角变化之间的关联.通过改变进口的流动平衡,叶尖前掠使轴向速度增大、周向速度减小,进而使得攻角减小;后掠则在叶尖起到了相反的效应.采用这种准三维方法研究了叶片掠对叶片进口流场的影响.      

周向总压畸变进气下叶片前掠对转子稳定性的影响

以跨声速压气机NASA转子11为原型进行前掠改进,对得到的前掠转子与原型转子内流场进行了定常数值模拟,结果表明:在设计转速下前掠转子的性能有所提高,尤其是近失速流量有明显的降低.在周向总压畸变进气条件下,对转子11和前掠转子进行了非定常数值模拟,两者的性能较均匀进气条件下都出现了不同程度的下降,但前掠转子的近失速流量仍明显低于转子11,这是因为转子11叶尖区域处气流较前掠转子更易堵塞.      

总压畸变对压气机气动稳定性影响的整环数值模拟

为研究周向进口总压畸变对跨声速压气机气动稳定性影响的物理机制,采用整环三维定常数值计算方法对进口总压畸变条件下的NASA 37号转子进行求解。计算结果表明:周向进口总压畸变导致压气机稳定裕度大幅降低,设计转速时稳定裕度仅为均匀进气时的59%;畸变区与转子旋转速度相同时,位于畸变区的转子叶片进气速度、压力较小,当压气机工作点接近稳定边界时,该区域的叶片会出现叶尖泄漏流前缘溢流和尾缘倒流的现象,同时叶尖区域出现严重的吸力面附面层分离,叶尖泄漏流和吸力面附面层分离共同导致压气机失稳;周向进口总压畸变不会改变失稳的始发位置,但会影响失稳的原因。     

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。     

处理机匣情形下的轴流压气机转子失速

为了解在处理机匣作用下的压气机转子失速点流动,采用非定常模拟方法对跨声轴流压气机转子在带气室斜槽处理机匣情形下的流动进行了模拟研究,获得了高、低转速下的转子特性,并针对近失速点流场进行了分析.结果表明,在处理机匣的作用下,转子失速的主要产生原因与实壁情形不同.在失速点,处理机匣有效地抑制了叶尖泄漏流的负面作用,但由于不能更多地吸纳叶尖的低能流体,使得叶片吸力面附面层中向叶尖迁移的低流向动量流体堆积于叶尖吸力面尾缘处,形成严重的流动堵塞,从而导致转子叶尖失速.      

大转角涡轮叶栅复合弯曲定性分析与应用验证

通过定性推导分析了复合弯曲对叶栅吸力面静压分布与端部周向迁移流体折转过程的影响,明确了复合弯曲对大转角高负荷平面涡轮叶栅流场的影响机制,并结合已有仿真结果进行了初步验证。复合弯曲是在反弯叶片吸力面端部进行局部正弯,令叶片压力面反弯、吸力面端部正弯结合叶身反弯的造型方式。研究表明,复合弯曲设计通过改变吸力面低能流体的展向迁移趋势与周向迁移流体的折转趋势抑制了叶栅二次流的发展。一方面,复合弯曲设计调节了叶展中部与叶栅端部附近吸力面逆压梯度与展向静压梯度分布,抑制了吸力面低能流体向脱落涡与壁角涡高损失区的迁移与堆积;另一方面,复合弯曲设计影响了周向迁移流体折转过程,抑制了周向迁移流体向叶栅端部的折转及其折转过程中与吸力面附近流体的掺混。因此,复合弯曲设计能够在常规反弯基础上进一步改善叶栅流场。      

跨声速压气机转子旋转失速现象的非定常模拟

为研究跨声速压气机转子失速机理,全周非定常数值模拟了某跨声速压气机单转子的失稳过程。结果表明:该转子由叶尖Spike扰动诱发旋转失速。在小流量稳定工作状态,压气机转子叶尖区域存在"旋转不稳定"(Rotating Instability,RI)流动现象。压气机节流过程中,转子进出口的流量降低,叶尖区流场非定常波动幅值增大。近失速状态时,RI扰动团的典型流场结构"径向涡"在叶尖区域形成堵塞,导致相邻叶片前缘间歇性地出现溢流现象。随着压气机进一步节流,转子叶尖的负荷达到极值,叶片通道尾缘逆压力梯度过大,出现倒流。尾缘倒流的出现又进一步增加通道内的堵塞,最终形成Spike扰动。失速先兆对应的流场结构是沿叶片前缘额线向相邻叶片压力面周向运动的"径向涡"结构。     

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。     

轴流压气机转子旋转不稳定性检测及机理探讨

为了探究固定通道中叶尖泄漏流非定常性引起旋转不稳定性(RI)的物理机理,以轴流压气机转子为研究对象分别进行试验和数值研究。通过对机匣壁动态压力信号的分析获取其叶尖流场的非定常特征,发现RI仅在靠近失速边界的狭窄的流量范围工况出现,RI的模态随时间变化。在此基础,采用五通道的数值模拟方法对该转子的内部流场进行了研究。结果表明,数值模拟流场中出现的静压扰动的变化规律和频率特征与试验测量结果一致,多通道的数值模拟成功地预测出RI产生的过程。进一步的流场分析表明,固定通道中出现了泄漏流自诱导非定常性,其对通道压力面近叶尖区压力分布的影响使得相邻叶片的泄漏流也出现自诱导非定常性,该过程在叶尖环面沿周向传播导致了RI现象的出现。     

轴流压气机转子叶尖二次涡的试验验证及形成机理

对轴流压气机转子机匣壁面静压进行动态测量,采用小波分析方法处理近失速工况动态压力测量信号,功率谱显示在与二次涡相近的频率上存在较高的能量带,能量峰值沿轴向的衰减与二次涡的变化规律相符,表明二次涡在流场中存在是可能的。针对相同转子进行全通道非定常数值模拟,计算结果表明,近失速工况下,转子圆周每个通道叶顶附近均存在规律一致的二次涡运动。叶片中后段间隙泄漏流与间隙泄漏涡破碎产生的低能流体相互作用,在泄漏涡破碎形成的堵塞区域中形成二次涡。二次涡运动使得近叶顶载荷分布发生变化,从而导致近叶顶流场出现了一种周期性的自维持的非定常流动现象。     

尾迹对压气机转子性能影响的非定常数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法,研究了上游尾迹对轴流压气机转子性能及其尖部非定常流动的影响.结果表明,在一定情况下,上游静子尾迹与转子内部流动的非定常相互作用,有可能改善近失速点的气动性能,如转子压比和效率升高,工作范围增大.其原因主要为:上游静子尾迹使转子尖区一次泄漏涡强度减弱,减少了二次泄漏涡强度或抑制了二次泄漏涡的产生,最终导致尖区损失减少;此外,尾迹使尖区激波位置后移,改变了尖部弦向的负荷分布,最终导致压气机稳定工作范围增大.     

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。     

大涵道比风扇/增压级进气畸变数值模拟研究

为探究进口总压畸变下大涵道比风扇/增压级内部流场的主要特征，基于三维彻体力模型的思想，开发了一套能够实现风扇/增压级内外涵联算功能的三维数值计算程序。利用该程序模拟了某大涵道比风扇/增压级在周向总压畸变进气下的三维流场。计算结果表明：大涵道比风扇单转子不同叶高处的畸变传递特征差异较大，转子出口总压畸变强度由叶根到叶尖逐渐降低，在叶尖处衰减为最小值1.5%；在转子出口相应诱导出的总温畸变强度由叶根到叶尖逐渐升高，在叶尖处达到最大值1.4%；进口周向总压畸变导致风扇转子总压比下降0.5%，而风扇转子出口形成的总压总温复合畸变导致增压级总压比下降2%；总压畸变在增压级中呈逐级衰减趋势，而高温畸变区的周向范围在逐级增加。     

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。     

垂直于叶片弦线方向喷气对转子稳定性的影响研究

以NASA Rotor37为研究对象,采用数值模拟的方法进行叶顶喷气对转子稳定性的影响研究。研究表明,在叶顶垂直于叶片弦线方向喷气可以达到扩稳效果,其扩稳机理在于通过喷口喷射出的高速射流把叶顶泄漏流吹向转子吸力面,减弱了叶顶泄漏流对主流的影响,使得转子叶顶堵塞区域减小,改善了叶顶区域的流通状况,从而得到扩稳效果。在喷气流量对转子稳定性的研究中,喷气流量越大,对增强稳定性越有利。在所选取的1%,1.5%和2%三种喷气流量水平下,2%的喷气流量可以使转子的流量裕度提高4.24%,综合裕度改进量提高5.16%。此外,不同喷气流量对转子的流场影响不同,随着喷气流量的增大,除了可以降低叶顶前缘负荷外,还可以通过将激波位置推向下游,从而有利于减弱流动分离,对转子稳定性的提升更为有利。     

叶尖间隙对高负荷风扇转子性能影响的数值研究

在不同叶尖间隙下,对高负荷风扇转子的特性进行了研究;通过数值方法分析了叶尖间隙对转子特性的影响。结果表明:适当小的叶尖间隙可以使转子获得较好的性能;作为泄漏流的反应,外壁机匣上所形成的静压槽随着间隙的增大、反压的提高而扩大;在不同叶尖间隙下,叶尖附面层和泄漏涡的破裂对风扇转子的失速起不同作用。     

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。