单级环境静叶等离子体流动控制机理仿真研究

在轴流压气机等离子体扩稳研究中,针对单转子压气机流动控制的研究较多,而针对单级环境下静叶流动控制的研究却很少.采用静叶轮毂轴向等离子体激励方式,通过数值模拟方法研究单级环境下静叶流场特性,揭示轴流压气机静叶等离子体流动控制扩稳机理.结果表明:等离子体激励器的轴向位置对单级轴流压气机的扩稳效果影响显著,越靠近叶片前缘,扩稳效果越好;布置在静叶通道后半部的等离子体激励器无法提高压气机的稳定性,而在静叶前缘施加轴向等离子体激励时,近轮毂区气流被诱导加速,主流的轴向速度提高,有效抑制了静叶近轮毂区吸力面的流动分离,静叶近轮毂区的堵塞减小,使得单级轴流压气机的稳定性提高.     

多级轴流压气机静子三维造型优化设计

以Isight为优化平台,通过集成三维造型程序、CFD计算程序与多岛遗传算法,搭建了一套三维造型优化设计系统。以高效高负荷多级轴流压气机的前两级为研究对象,针对第一级静子根区存在的角区分离,对其50%叶高以下的3个主要叶片造型控制参数的径向分布形式进行了优化。结果表明:优化叶型有效削弱了第一级静子的角区分离,根部区域的总压恢复系数最大增加了1.8%,且改善了级间匹配,提高了压气机效率。     

端壁造型技术在亚声轴流压气机级中的应用

为探索利用端壁造型技术来提高轴流压气机性能的可能性,以亚声轴流压气机试验级为对象,对端壁造型技术在压气机中的应用进行了研究.鉴于压气机的逆压工作环境,端壁设计结合了周向(非轴对称)和流向两个方向的造型,具体介绍了造型方法.对端壁造型后压气机级的数值模拟显示:端壁造型技术可以有效减小、消除静子角区分离,进而提高级的效率和压比.      

高亚声速轴流压气机的优化叶型

基于计算流体动力学和数值优化算法,研究了一种压气机叶型优化设计方法.以入口马赫数为0.7的高亚声速轴流压气机叶型为研究对象,采用拉丁超立方实验法选取优化变量并构建了考虑攻角特性的目标函数,通过引入Gamma-Theta转捩模型,考虑了附面层转捩的影响,最终获得了可以有效改善攻角特性和降低总压损失的高亚声速轴流压气机优化叶型.计算结果表明:优化叶型可以显著降低入口马赫数为0.2~0.8时+4°和-4°攻角的总压损失,使设计工况(入口马赫数为0.7)下的低损失攻角增加4°以上,优化叶型最佳稠度降低20%并改善低雷诺数时叶栅的流动特性.      

转子叶尖优化改型对轴流压气机级性能及流场影响

为探索转子叶尖叶型对轴流压气机叶尖端壁区域流动的影响,进一步改善轴流压气机性能,采用近似函数与遗传算法相结合的优化方法,针对1/2+1级轴流压气机在级环境下进行转子叶尖叶型优化设计,并对优化前后轴流压气机级流场进行对比分析。结果表明:转子叶尖优化改型后,轴流压气机级效率提升0.77%,设计转速下全工况范围内效率、压比均得到显著提高;该压气机效率的提高主要得益于叶型损失和泄漏流损失的降低,优化改型后的叶型更能适应叶尖区域的高亚声来流,转子叶尖激波被有效抑制,叶尖泄漏流减弱,叶尖端壁区域流动明显改善。     

引气对多级轴流压气机性能影响的数值研究

首先以单级轴流压气机NASA-Stage 35为研究对象,采用数值模拟方法,对单级轴流压气机引气机理进行研究,并将相关结论应用于某9级轴流压气机的引气研究中.结果表明:引气对单级和多级轴流压气机内部流场的影响基本一致,多级轴流压气机受级间匹配特性影响总体性能变化与单级轴流压气机有所差别.转子端壁引气能够吸除叶尖间隙低能流体并增强转子通道内径向流动,减小叶尖损失,提升级压比和级效率.静子端壁引气能够减小静子端区损失,提升级效率.      

跨声速轴流压气机非轴对称端壁造型优化设计

为探索非轴对称端壁提高跨声速轴流压气机性能的潜力,基于三维数值模拟优化平台,针对跨声速轴流压气机转子进行了非轴对称轮毂优化造型,深入分析了非轴对称轮毂造型对跨声速压气机流场结构及性能的影响机理。结果表明:优化造型后的非轴对称轮毂同时提高了该跨声速压气机的效率和压比,最高效率点效率提高0.31%,压比提高0.31%,并改善了压气机的变工况性能。     

多级轴流压气机出口级转子扩张通道优化设计

为提高多级轴流压气机后面级气动性能,针对某多级轴流压气机出口级转子搭建了基于遗传算法和神经网络代理模型的扩张通道压气机优化设计平台,并对其进行扩张通道优化设计研究。根据优化得到的数据库分析了各设计参数对效率和裕度的影响规律。在优化所得解集中选择了两个扩张通道设计方案,探究了其对效率和裕度的影响规律和机制。结果表明:扩张通道设计可使出口级转子在设计流量点的负荷提高12.1%、效率提高1.28%,同时获得12.50%的裕度改善量。基于当地熵产率损失模型可得,扩张通道转子相较于原型转子,其上下端壁损失增加,叶型损失减小。扩张通道转子近失速点堵塞系数变小是其裕度提升的主要原因。      

多级环境下径向总压畸变影响效应的试验评价

为量化评价径向总压畸变对多级轴流压气机气动性能的综合影响效应,将标准畸变模拟网与叶型探针技术相结合,开展了径向总压畸变对压气机性能与稳定性影响的试验研究.试验结果表明:径向总压畸变会轻度恶化压气机总体性能与稳定裕度,轮毂畸变与轮缘畸变对压气机性能的影响程度较为接近,而稳定裕度受轮缘畸变的影响要大于轮毂畸变,最大偏差达2%.两种径向总压畸变在压气机流道内均会迅速径向掺混,气流在强烈掺混过程中也将产生相应的压力损失.径向总压畸变会改变压气机原有级间负荷的分配,使某级的性能得到改善,该物理现象与转子攻角的变化范围相关联.      

单级轴流压气机叶端区二次流动的研究

为揭示某单级压气机非设计转速下影响效率和稳定性的关键因素,采用实验和数值模拟相结合的方法,系统地研究了该压气机动、静叶通道内的二次流动随工况（即叶片负荷）的变化规律.对于转子,大流量工况叶端区的二次流主要以泄漏流/泄漏涡和轮毂角区分离为主,而到了峰值效率和近失速工况,整个叶高基元的过度扩压导致的叶片失速抑制了轮毂角区失速的发生.静叶叶尖端区的二次流动虽然具有三维性,但到了近失速工况它依然没有发展成为角区失速.静叶叶根的泄漏流动虽然对端壁附面层的低能流体向轮毂吸力面角区的汇聚起到了一定的抑制作用,但它对角区失速的控制效果却受到压气机不同流量工况的影响.近失速工况叶根泄漏流动抑制角区失速的能力不足是导致压气机效率下降的主要因素,而转子叶尖的二次流动造成的对整个叶尖通道的阻塞是限制压气机稳定性的关键因素.      

弓形静子提高压气机抗旋流畸变能力研究

为降低旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性的影响,对双级低速轴流压气机的第1级静子进行了3种不同正弯角的弓形叶片设计.采用整环三维定常计算方法,研究了对涡旋流下压气机的性能和稳定性.结果表明:静子采用合理的正弯曲设计能够提高压气机抗对涡旋流的能力.正弯曲弓形静子能够降低端壁区域的负荷,抑制各排叶片叶根区域吸力面附面层分离的形成以减小损失、提高效率和总压比.静叶弯角为10°时峰值效率增加1.5%,失速边界点流量减小6.95%.流量为18.5kg/s时,效率、总压比分别增加1.7%和0.03%.当弯角过大时,叶中区域负荷上升且摩擦损失增大,反而不利于效率和总压比的提升.      

级间进出口几何角度对压气机气动性能和封严效果的影响

为了削弱级间泄漏流对压气机性能的不利影响,提出了一种基于Coanda型几何进出口的级间结构,并以一个亚声速单级轴流压气机为研究对象,数值模拟了5°,10°,20°三种不同级间进出口几何角度对压气机性能的影响。结果表明:改进后的级间进出口几何结构使得压气机流量和效率均略有提升。分析原因是级间出口泄漏流以较小角度与主流汇合,增大了静叶进口气流的轴向速度、径向速度,使得静子通道流动堵塞程度减轻,总压损失减小,扩压能力增强。同时,新结构还减小了级间泄漏流的流量系数,改善了级间封严效果。5°,10°,20°角度下的压气机效率最大分别提升了0.68%,0.63%,0.62%。     

单级低速模拟轴流压气机实验台改进设计

为了使单级低速台能够更好地模拟高压压气机后面级流动,采用导叶+静子+转子+静子+导叶的五排叶片布局,适当提高轮毂比,以及采用3D打印树脂叶片,对常规三排叶片单级低速模拟大尺寸轴流压气机实验台进行了改进设计研究,并与四级重复级低速大尺寸压气机实验台的第三级结果进行了对比。结果表明:改型设计的单级低速大尺寸压气机的设计点效率达到了89.1%,流量裕度达到了32.9%,与四级重复级实验结果基本一致,而且实现了基本相似的级间参数分布,比传统单级实验台更接近高压压气机后面级的典型流动,从而可以利用该实验台成本低和周期短的优势,开展更多更深入的关于高压压气机后面级流动机理和设计方法的实验研究。     

双级对转压气机全工况优化设计

为全面提升对转压气机气动性能,以某双级对转压气机为研究对象,基于人工神经网络与遗传算法,针对转子2叶片在整机环境下进行全工况优化设计,并对优化前后几何形状、总体性能及流场结构进行了对比分析.结果表明:优化后对转压气机全工况范围内等熵效率及压比均得到提升,同时流量范围有所增大.在设计点整机等熵效率提高0.3%,近失速点整机等熵效率提高1.5%,喘振裕度上升了6.37%,稳定工作范围得到显著扩大.优化后转子1全工况范围内等熵效率和压比特性变化不大,而转子2全工况范围内等熵效率和压比均有较大提高,其中在设计点转子2等熵效率上升1%,近失速点转子2等熵效率上升2.5%;在近失速点,优化后转子1、转子2、出口导叶(OGV)尖部流场显著改善.     

静叶轮毂间隙对压气机角区失速的控制

为了研究静叶轮毂间隙对压气机角区失速的控制作用，以某1.5级轴流压气机为研究对象，采用三维数值模拟方法研究静叶轮毂整体间隙和部分间隙对压气机低工况点和设计点气动性能的影响。结果表明:整体间隙通过产生泄漏流削弱起始于轮毂表面终止于静叶吸力面的“龙卷风”旋涡的能量源，达到了控制角区失速提高压气机低工况点性能的目的，但间隙产生的泄漏损失会降低设计点性能。而部分间隙明显优于整体间隙，部分间隙的位置越靠近尾缘，低工况点性能提高的幅度越大，同时对设计点的损害越小。TAI2方案的低工况点流量增加了0.89kg/s，效率提高了1.25%，而设计点效率不降低。另一方面，只有当部分间隙增大到一定尺寸后间隙泄漏流才足以抑制角区失速团。      

基于多目标遗传算法的多级轴流压气机优化设计

建立了一种多级轴流压气机的多目标优化设计方法。采用流线曲率法计算压气机气动性能，结合多目标遗传算法来进行性能参数优化。针对一台两级轴流压气机，选定优化设计的目标是最大的总压比和最高的总绝热效率。将转子尾缘的稠度和相对气流角以及静子尾缘的稠度和气流角作为设计变量。通过优化设计得到一组在两个目标上均优于初始设计的Pareto最优解，对典型的Pareto最优解和初始设计进行分析、比较，证明了该优化设计方法的有效性。     

压气机静子通道内的流场测量

为了研究根部间隙对压气机静子通道内流场的影响,设计了4根不同长度的“L”型五孔探针和1根四孔探针.通过位移机构带动上述探针,在最大流量和近失速两种工况下,对某双级低速轴流压气机的第1级静子通道内5个不同轴向位置截面进行了流场测量.实验结果表明:静子通道内总压损失主要是由叶尖附近角区分离以及根部泄漏流与主流的相互掺混引起的.静子通道内主要存在着上/下通道涡、叶尖角涡和泄漏涡等旋涡结构.      

InvesInvestigation of the Effects of Airfoil-probes on the Aerodynamic Performance of an Axial Compressor

In order to investigate the effects of the airfoil-probes on the aerodynamic performance of an axial compressor,a numerical simulation of 3D flow field is performed in a 1.5-stage axial compressor with airfoil-probes installed at the stator leading-edge(LE).The airfoil-probes have a negative influence on the compressor aerodynamic performance at all operating points.A streamwise vortex is induced by the airfoil-probe along both sides of the blade.At the mid-operating point,the vortex is notable along the pressure side and is relatively small along the suction side(SS).At the near-stall point,the vortex is slightly suppressed in the pressure surface(PS),but becomes remarkable in the suction side.A small local-separation is induced by the interactions between the vortex and the end-wall boundary layer in the corner region near the hub.That the positive pitch angle of the airfoil-probe at 6.5% span is about 15° plays an important role in the vortex evolution near the hub,which causes the fact that the airfoil-probe near the hub has the largest effects among the four airfoil-probes.In order to get a further understanding of the vortex evolution in the stator in the numerical simulation,a flow visualization experiment in a water tunnel is performed.The flow visualization results give a deep insight into the evolution of the vortex induced by the airfoil-probe.     

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。