级间引气对多级轴流压气机性能和流场影响的低速实验研究

基于北航四级低速大尺寸压气机试验台,在二级静子出口进行周向槽引气,采用分别保持引气位置上游流量不变和引气位置下游流量不变两种比较方式,针对不同引气流量大小对压气机性能和内部流场的影响进行了实验研究。结果表明,级间引气会影响压气机压升特性和失速裕度,影响程度与引气量大小有关。级间引气对引气位置上游转子流场的影响表现在上游压气机工况的变化上,上游转子流场的展向分配并不受到引气的影响。引气位置下游受到引气和上游压气机工况变化的共同影响,且引气量越大,影响程度越大。此外,级间引气可以改善下游叶片叶尖区域的流动环境,增强叶尖处流通能力,提高下游压气机失速裕度。     

级间引气对多级轴流压气机性能的影响

为了验证多级轴流压气机级间引气对其性能的影响,建立了在设计过程中优化改进级间引气的依据,基于数值模拟和试验的方法,研究了级间引气对某总压比20以上的10级轴流压气机总性能和匹配特性的影响。结果表明：引气对压气机各级的单级特性影响较小,但改变了压气机进口总流量和引气上下游的流量分配及级间匹配,进而影响了压气机的总性能。在多级轴流压气机设计转速状态下,前面级处于流量堵塞工况,与第7级引气相比,第4级引气可显著增大压气机的流量,改变压气机匹配特性,引气位置越远离压气机进口对总流量的影响越小。试验结果表明：第4级引气增加或者减少2%,总流量相应增加0.8%或者减少1.3%。相比第4级增加引气,第4级减少引气对压气机性能影响更为显著。试验得到的引气对压气机总性能、各级工作点匹配影响与数值模拟的一致。     

大级间引气对轴流压气机级间性能的影响

级间引气能够显著改变压气机的级间性能匹配,是压气机设计中常用的性能调试方法。通过对一台9级压气机开展引气结构设计、大级间引气试验测量和基于试验测量数据的子午流面参数计算,研究了大级间引气对轴流压气机级间性能的影响。研究结果表明：当级间引气量从13%变化到24%时,压气机堵塞流量变化较小,喘振裕度减小;过大的引气量会导致引气位置后面级出现较大的流动分离和效率降低,级间匹配变差,从而使得压气机总压比降低,喘振裕度下降。     

级间引气条件下轴流压气机特性预测方法

为了确定级间引气对多级轴流压气机特性的影响，便于在燃气轮机整体性能分析时简化引气模型，开展级间引气条件 下轴流压气机特性预测方法研究，通过级间匹配模型求解引气位置压力、温度和引气位置上下游的特性，根据引气后的上下游重 新匹配确定受引气影响的压气机特性线。结果表明：对5级压气机在换算转速为1.0、0.7和0.5倍设计转速情况下分别进行了预 测，得到的特性线与压气机原特性线相比有明显变化。在压比-流量特性图中，引气后的等换算转速线整体位于原特性线之上，压气 机压比提高，在小流量时提高较小，在大流量时提高较大，并且提高效果随引气流量增加逐渐明显；在效率-流量特性图中，引气后的 等换算转速线与原特性线交于一点，在该点左侧效率因引气而降低并随着引气流量增大而进一步降低，在该点右侧则刚好相反。采 用此5级压气机的抽放气特性对性能预测模型进行了验证，引气位置总温的相对误差不超过1%，总压的相对误差不超过2%。     

防冰引气对组合压气机性能影响的数值模拟研究

为了研究防冰引气系统对轴流-离心组合压气机性能、内部流场和级间匹配关系的变化的影响,以带有防冰引气系统的组合压气机为研究对象,在离心压气机离心叶轮约3/4相对弦长位置轮缘处开槽引气,在轴流进口导叶叶片表面开孔喷气,进行3维数值模拟计算,并与不带引气和喷气系统的原始压气机进行对比分析。结果表明：防冰引气会引起组合压气机的性能降低,喘振裕度减小;轴流前2级由于折合转速下降,近工作点效率略有提高,但喘振裕度减小;离心级特性线向小流量方向移动,效率降低,稳定工作范围减小。     

空气系统对核心机性能敏感性的影响

为了确定空气系统不同位置引气量对核心机性能的影响，给总体性能和空气系统设计提供依据，以某型核心机设计过 程为例，将空气系统设计迭代到总体性能设计中，研究了空气系统对核心机性能和部件特性的影响，并开展了空气系统对核心机 性能的敏感性分析。结果表明：每个引气位置引气量的增加均会导致燃烧室出口温度的升高，其中用于涡轮转子冷却的引气对燃 烧室出口温度的影响最大，其次为第5级压气机引气，再次为用于涡轮导向器冷却的引气，影响最小的为用于涡轮后机匣冷却的 引气。将空气系统设计结果迭代到核心机性能模型中，迭代后的压气机和涡轮工作特性发生了变化，压气机共同工作线受引气量 增加的影响稍微下移，涡轮落压比由于燃烧室出口温度的升高而减小。     

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.      

多级轴流压气机级间性能试验研究

对某多级轴流压气机级间性能进行试验研究,详细分析了该压气机在设计角度与优化角度下,不同工况时的性能特性(包括各级做功能力、级压比和不稳定边界变化规律等)和级间匹配情况。研究结果表明,在非设计状态下各级匹配可以进一步优化、改进设计;进口静叶角度变化会改变压气机的级负荷分配和级不稳定边界位置,影响压气机不稳定边界移动。建议适当开大一、二级静叶角度,以改善二、三级转子流场,提高其性能;同时,应在不影响整台压气机不稳定边界的情况下进行静叶角度优化。     

高负荷压气机精细化设计

为保证压气机在负荷水平不断提高的同时仍具有良好的气动性能,需要对级间匹配、泄漏流和端区流动的控制进行精细化处理。为兼顾压气机效率和裕度2个指标,需要对流量系数进行精细筛选以获得其最佳取值;通过增加级的反力度,可以有效利用高负荷条件下转子的高稳定性,进而缓解负荷提高后静子易分离失稳的问题,同时使转、静子的扩散因子均得到较好地控制;级间引气流场对压气机的级间匹配有较大影响,需要对引气结构进行优化设计,并在气动设计过程中对相关叶片排的攻角、落后角作出补偿;合理控制篦齿封严泄漏流、转子叶尖泄漏流可以大幅提高高负荷压气机的气动性能;采用波浪壁流路可以较好地控制高负荷压气机的局部端区流动,实现其效率和裕度水平的提升。     

齿位置对压气机级间封严影响的数值研究

通过对压气机级间封严不同齿位置时的流场和温度场进行数值模拟,获得其泄漏特性、旋流特性和风阻温升特性.研究单齿、双齿和三齿的相对位置对级间篦齿封严的流量系数、出口旋转比和风阻温升的影响.结果表明:单齿情况下,单齿在下游时的流量系数最小,出口旋转比和风阻温升最大.双齿情况下,上游和下游各一齿时的流量系数最小.三齿情况下,上、下游和中间各一齿时流量系数最小.出口旋转比和风阻温升都随流量系数的减小而增大.      

Numerical and experimental study of bleed impact in multistage axial compressors

In this study, the influence of inter-stage bleeding on the compressor performance and inter-stage flow field of a multistage axial compressor is investigated by both experimental and numerical methods. The experiment is conducted on a four-stage low-speed axial compressor, and a specific computational model is built to simulate the experiment environment accurately. To illuminate the fluid mechanisms of bleeding effect in detail, both the experiment and the simulation are carried out twice, i.e., in the first time, the mass flow rate upstream the bleed location is constant under different bleed rate conditions; while in the second time, the mass flow rate downstream the bleed location is constant under different bleed rate conditions. The results demonstrate that inter-stage bleeding has little influence on upstream compressor characteristics, and affects the upstream flow field only in the rear half of the stator. The bleed effect on the downstream flow field is embodied in the variation of an incoming flow profile, an increase as the compressor inlet flow coefficient decreases. Therefore, such an effect is only significant on compressor characteristics at small flow coefficient conditions. In multistage compressors, the variation of compressor characteristics and flow field caused by inter-stage bleeding is the comprehensive result of the bleeding and the variation of the upstream working condition. In addition, the comparison between numerical and experimental results shows that the flow moves towards top half of span through the downstream rotor passage in the numerical simulation, whereas the trend of flow field variation with different bleed rates at the outlet of the downstream rotor and stator is the same with that at the inlet of the downstream rotor in the experiment, which means that the numerical method has overestimated the radial mixing intensity of the flow.     

双级对转压气机轴向间隙对性能的影响

设计了7组不同轴向间隙的对转压气机几何数据,应用数值模拟手段获取其性能和流场细微结构,研究了对转转子轴向间距对压气机性能、进气角以及流场结构的影响.结果表明:①在轴向间隙从30%C(C为转子叶片根部弦长)到70%C增加的过程中,对转压气机峰值效率降低2%左右,上、下游对转转子峰值效率也降低约4%;②设计转速下近失速点效率和流量先上升后降低,在55%C间距时达到最大值;堵塞点流量增加,效率降低约3%;③在堵塞工况下,随着轴向间隙的增加上、下游转子进口气流角减小;④当轴向间隙增大至50%C时,继续增大对上下游转子来流攻角影响不大;⑤如果掺混损失占主导地位,通过减小轴向间距可有效提高压气机性能,如果是二次流损失占主导地位通过增加轴向间距来提高压气机性能是可行的方法.      

边界层吹吸气对高负荷扩压叶栅性能的影响

采用边界层流动控制能够有效抑制扩压叶栅的流动分离。以某大弯折角低稠度扩压叶栅为研究对象,利用数值模拟手段研究了原型、叶片表面边界层单独吹气以及吹吸气相结合等边界层控制手段下的流场和叶栅性能变化情况。结果表明,无论是单独吹气还是吹吸气相结合的边界层控制方法,都能有效控制扩压叶栅中的边界层分离,从而较大幅度地增大叶栅负荷,并降低气动损失;计算表明,吹气和吸气的效果不尽相同,且吹吸气口位置及吹吸气流量对边界层的流动亦有较为明显的影响。其中采用1.7%的吹气流量,结合1.38%的吸气量,可以使静压增压比提高15%以上,而损失系数降低至原型的20%以内。     

带90°弯管的离心压气机进口畸变数值研究

采用数值模拟计算的方法研究了90°弯管对离心压气机进口流场产生的畸变,并对比了两种弯管在不同轴向位置时其内部流场的区别,分析了弯管所致的进口畸变造成压气机性能下降的原因。结果表明,弯管畸变对离心压气机性能的恶化程度与弯管所在位置有关,距离叶轮进口较远的弯管影响较大。与无弯管相比,弯管造成叶轮进口的流场紊乱。畸变引起压气机性能在大流量时有明显降低,在小流量时恶化程度较小。这是因为流量增大时,进口畸变的作用增强,可以一直发展到蜗壳入口,并与舌部引起的周向畸变联合作用导致压气机性能下降。流量减小时,进口畸变的影响会减弱叶轮流道中的损失,有利于保持近失速状态下的压气机性能。      

基于功率保持的辅助动力装置引气性能计算模型

以带负载压气机辅助动力装置(APU)为对象,分析了其结构特点与工作原理,针对目前工程上常用的APU引气性能计算模型的不足,建立了基于APU与空气涡轮匹配的总体性能数学模型和负载压气机变几何部件特性插值模型。在此基础上,研究了APU功率调节规律,获得了轴功率负载、APU涡轮前温度、排气温度与负载压气机进口导叶角度之间的匹配关系,进而实现了APU全包线内和全工况下的引气性能计算。利用GTCP131-9A试验数据对模型进行了验证,结果表明:引气流量计算误差小于3%,引气压力计算误差小于4%;功率保持下的APU涡轮前温度限制值仅与轴功率负载大小有关,与进气温度无关。研究结论对于带负载压气机APU总体性能计算和调节规律设计提供了参考。      

动叶clocking对低速压气机性能影响的数值模拟

采用二维非定常数值模拟的方法研究了动叶相对位置的改变对低速压气机气动性能的影响。结果显示不同的动叶相对位置会改变上游动叶尾迹与下游动叶之间的相对位置以及下游叶列周围的周期性和湍流性速度波动。当上游尾迹被输运到下游叶列前缘附近的时候，对应较高的级效率；当上游尾迹被输运到下游叶列流道中央的时候，对应级效率较低．正确的配置动叶的相对位置，将会显减少第二列动叶表面流动的非定常性，对叶片气动性能有改善的作用。     

脉动背压下涡轮增压离心压气机入口流场试验

为了研究离心压气机在强脉动背压下的入口流场分布,研制了用于非定常流场测量的全自动二维步进装置。使用该装置结合一维热线风速仪测量了不同脉动频率、时均流量下离心压气机入口非定常流场分布。结果表明：背压脉动时,离心压气机入口速度与气流角在周向及径向分布形态均随背压变化呈大幅周期性振荡,且气流角在叶尖处的变化幅度显著高于叶根处。蜗壳上游周向角区内轴向速度显著低于下游,且该周向畸变强度随频率及时均流量增加而增强。径向气流角最大差异出现在约85%叶高处:小流量时最大气流角差异为8°,大流量时为12°。研究探明了脉动背压工况下离心压气机入口流场的非定常演化规律,为针对实际工况的压气机优化设计理论提供了试验基础。