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.      

叶尖间隙效应对跨声速压气机性能影响的研究

为了研究叶尖间隙效应对跨声速转子性能的影响机制,以一跨声速级轴流压气机为对象,采用商用软件NUMECA进行三维定常数值求解。结果表明:随着叶尖间隙的增加,峰值效率下降,堵塞流量减小,当叶尖间隙大于0.5τ(τ代表设计间隙)时,峰值效率敏感度曲线与叶尖间隙呈线性关系;综合考虑喘振裕度和峰值效率,该压气机存在最佳叶尖间隙0.5τ,此时的峰值效率和喘振裕度较设计间隙下分别提高约0.22%和3.1%。根据流动特点的不同可以将整个叶尖弦长范围内的叶尖泄漏流分为三个部分,分别为主泄漏区、二次泄漏区和普通泄漏区,且每个泄漏区在叶尖流动结构中的作用各不相同。不同叶尖间隙下压气机的失速过程的主导因素会发生改变。     

叶尖泄漏流/尾迹掺混对串列转子非设计点性能影响

在串列转子设计中,为研究前后排叶片周向位置的变化所引起的泄漏流/尾迹之间掺混的变化对串列转子近失速点性能的影响,首先建立了泄漏流/尾迹掺混分析模型.模型分析结果指出流动掺混可以有效减小通道下游堵塞.在模型分析的基础上,进一步在高负荷串列转子中进行了不同周向位置的对比研究,对模型进行了验证;研究发现在近失速工况,对比无掺混情况,后排叶尖泄漏流/前排尾迹掺混使叶尖堵塞减少了近20%,从而使得高负荷串列转子的失速裕度相对提高了11.7%.      

叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子的影响研究

为了控制压气机转子叶尖泄漏流动,减少叶尖泄漏流和叶尖泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,针对小流量压气机进口跨声速转子进行了叶尖小翼的数值研究,探索了叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子性能的影响和对叶尖泄漏流的控制机理。研究表明,4倍压力面宽度的压力面叶尖小翼可以使得压气机转子的流量裕度增加24.5%;吸力面叶尖小翼和压力面叶尖小翼影响失速的主要因素不同,吸力面叶尖小翼增大了吸力面侧流体的逆压梯度,扩大了低速流体区域,压力面叶尖小翼通过降低叶尖负荷,从而减弱泄漏强度,减小了低速流体区域。     

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。     

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨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100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.      

跨声速串列转子气动耦合机制分析及优化设计

串列叶片可以突破常规压气机气动负荷的限制,具有良好的工程应用前景。但跨声速串列转子通道内激波系结构复杂,控制难度较大,导致气动效率偏低。为解决上述问题,利用数值模拟的方法对比了串列转子前排在串列和单转子条件下气动参数、流场的变化规律,分析了跨声速串列转子前/后排气动耦合机理,并完成了优化设计。结果表明：（1）串列条件下,前排落后角、总压比沿叶高分布规律发生变化,槽道正激波显著增强,是导致跨声速串列转子效率水平低下的根本原因;（2）针对跨声速串列叶型的优化可以实现流场的定制设计,优化后前/后排匹配工作状态及激波结构显著改善;（3）优化后的串列转子失速裕度提升约6%、设计点等熵效率提升约1.5%,证明了本文提出的优化设计思路及方法的有效性。     

超声速串列转子三维流场数值分析

为了揭示超声速串列转子流场的流动规律,运用全三维粘性流场计算程序对超声速串列转子的流场进行了数值模拟。结果表明,超声速串列转子可以实现激波增压和气流折转增压的联合应用。串列转子前后排叶片的相互干涉导致后排叶片前缘形成脱体激波,引入了一定的激波损失;前排叶片65%～75%叶高范围内近压力面低速流体区的存在一定程度上限制了后排叶片的增压能力;转子通道内叶尖泄漏流、通道激波和机匣附面层的相互作用造成转子前后排叶片叶尖处的气流落后角增大;串列转子出口静压的升高将削弱转子内结尾激波强度,提高转子气动效率。     

跨声速压气机转子近失速工况非定常流动及相关机理研究

为了探究近失速工况下,跨声速压气机转子中非定常流动及相关流动机制,采用多通道全三维数值模拟方法对跨声速转子其内部流场进行了数值模拟,并利用已有的实验数据对计算结果进行了校核。对近失速工况探针监测结果的分析表明:流场中出现了非定常扰动,且扰动最活跃的区域位于近叶尖通道靠近叶片前缘的压力面侧;随着流量的降低,非定常扰动的幅值增大,波动周期变长。对近叶尖瞬态流场的分析表明:流场中的一个不同于泄漏涡的涡结构(命名为叶尖二次涡)的出现及其沿流向的发展诱发了非定常静压扰动,而且其强度随着流量的降低而增强,由此导致了非定常扰动的周期变长,振幅增加。伴随着叶尖二次涡强度的增加,叶顶通道的阻塞以及由叶尖二次涡诱发的“前缘溢流”也随之增强。因此,叶尖二次涡的出现及其强度的变化是影响该跨声速转子流动稳定性的主要因素之一。     

转速匹配效应影响下周向槽机匣处理对转压气机性能的影响

采用数值模拟方法，通过分别在对转压气机（counter-rotating compressor, CRC）前后两排转子上进行周向槽机匣处理，研究了其在不同转速匹配方案下的扩稳效果以及对转压气机最先失速级的变化规律。结果表明：当前排转子R1转速高于后排转子R2时，其最先失速级为R1，当R2转速等于或高于R1时，其最先失速级为R2。在对转压气机的最先失速级进行机匣处理可以有效改善所处理转子的叶尖附近流场，包括来流相对气流角的减小、叶尖泄漏流反向轴向动量的减小、叶尖泄漏流与主流交界面位置的后移及叶尖堵塞程度的减弱等，进而提升了其失速裕度。机匣处理一般仅能对所处理转子的流场产生较大影响，但在特殊情况下也会使非处理转子的流场发生明显改变。     

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。     

前掠对高负荷风扇转子叶尖间隙效应的影响

以高负荷两级风扇第一级前掠转子为研究对象,数值模拟了设计转速下多种不同间隙下的特性曲线以评估其性能对间隙的敏感性.结果表明:前掠转子能够显著降低气动性能对叶尖间隙的敏感度,且并不存在工程意义上的最优间隙.这种特性在存在强叶尖泄漏流的大叶尖间隙和近失速工况时更为明显.通过与一个气动性能等效的常规转子进行叶尖区域详细的流场结构对比,对前掠改善间隙敏感度,调整展向气流分布及影响转子叶尖泄漏流动的内在机理做出了解释.      

压气机转子叶尖区域流动特征的观测与分析

为了揭示压气机转子内部真实流动的演化过程并分析其背后的流动机制,采用示迹线显示空气流动的方法对某低速轴流压气机转子流场进行了直接观测,同时结合多通道非定常数值模拟技术分析了转子叶尖区域流动特征及其形成机制.结果表明:叶片上的示迹线直观形象地显示了转子内部复杂流动随压气机工作状态变化的演化过程.即随着压气机转子节流,叶顶间隙泄漏流的轨迹不断向上游移动,到达近失速工况时,泄漏流与来流的交界面与转子叶顶前缘平齐,与此同时转子叶尖吸力面附近出现了大面积的回流,且回流的气体均向叶顶前缘聚集.通过进一步研究发现叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量之比随转子流量系数减小而不断增大是导致泄漏流轨迹前移及叶顶回流区扩大的物理机制.     

转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制

为了揭示压气机转子节流时其叶顶间隙流动的演变趋势及其形成机理,选取某亚声速轴流压气机转子为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其内部流场进行了全三维数值模拟.结果表明:随着压气机转子流量减少,主流轴向动量减小,而在叶顶间隙两侧压力梯度和二次泄漏流的共同作用下,叶顶间隙泄漏流的轴向动量却不断增大,导致叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量比不断增大,从而推动叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,这意味着叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动阻塞区不断扩大,正是叶顶间隙泄漏流相对于主流的增强造成的叶顶流动阻塞区不断扩大最终导致了该压气机转子进入失速状态.     

自循环机匣处理轴向位置影响扩稳能力的机理

为了揭示自循环机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理，采用非定常数值方法研究了3种不同轴向位置对机匣处理（CT）扩稳能力的影响，结果表明:机匣处理喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的扩稳能力最强，喷气装置在叶顶前缘正上方的次之，喷气装置在叶顶前缘上游较远处的最弱，对应机匣处理获得的综合失速裕度改进量分别为9.40%，7.09%，5.49%.通过详细地分析压气机叶顶流场表明:喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的机匣处理施加有利影响程度最高的范围刚好覆盖叶顶前缘处，此处是引起转子失速的关键部位，因此抑制叶顶间隙泄漏流造成的堵塞的效果最好，对应的扩稳能力在3种机匣处理中最强.      

跨声速轴流压气机近失速状态的间隙泄漏流流动特性

为了研究间隙泄漏流以及泄漏涡自身的非定常性对轴流压气机的旋转失速的影响.对跨声速轴流压气机NASA转子37进行全三维定常、非定常的数值模拟,对比了最大效率和近失速工况的实验和数值模拟结果,定常计算所获得的总性能与试验结果符合良好.对于非定常计算,详细分析了NASA转子37近失速工况下流场结果,揭示了NASA转子37在近失速工况点,间隙泄漏流存在较明显的非定常性,这种非定常性表现为间隙泄漏流激波干涉引起间隙泄漏涡的周期性破碎.      

跨声速轴流压气机径向涡现象与失稳机理

对NASA Rotor 37进行数值模拟并与实验结果对比,计算了堵塞点到失稳点的全部工况,详细探究了跨声速轴流压气机附面层分离规律与失稳机理.研究发现:激波后的吸力面附面层中存在一条径向涡,它增强了附面层分离,使部分靠近吸力面的主流向叶尖堆积.随着工况向失稳点推进,压气机转子叶尖出现两块堵塞区,由叶尖泄漏涡与激波作用引起的堵塞区位于压力面前端,由叶尖泄漏涡与径向附面层分离涡耦合作用引起的堵塞区位于吸力面50%弦长后,两块堵塞区的叠加作用最终引起压气机失稳.