离心压气机自循环预旋喷气机匣处理的设计和验证

采用一种预旋喷气机匣处理提高离心压气机特定转速范围内的稳定裕度.通过引气加大离心叶轮进口基元级流量降低通道堵塞,并借助回流预旋喷气改变前缘攻角抑制叶背分离是该机匣处理扩稳的主要机理.基于这样的认识,对机匣处理做了几何参数设计研究,发现轴向搭接位置、搭接长度和开槽角度是影响机匣处理性能的3个主要参数.通过几何参数的合理选取,在尽量提高80%设计转速稳定裕度的同时兼顾100%设计转速的效率.压气机部件性能试验验证了该设计方法的有效性,并观测到在低转速时,机匣处理可以同时提高稳定裕度和效率.      

轴向槽机匣处理提高离心压气机失速裕度的数值研究

为了提高-离心压气机设计转速下失速裕度,本文采用了轴向槽机匣处理方案,对实壁机匣和处理机匣压气机流场进行了数值模拟分析.计算结果表明:(1)轴向槽机匣处理可以使离心压气机失速裕度提高12%,但同时也带了损失,压气机峰值效率损失了约3%;(2)轴向槽机匣处理改善了压气机尖部流场结构,抑制了由间隙泄露涡引起的主流通道阻塞,这是压气机失速裕度提高的主要原因.     

旋转畸变条件下新型机匣处理扩稳效果试验

开展了一种新型机匣处理扩大轴流风扇/压气机稳定裕度的试验研究。在低速风扇试验台上模拟旋转进气畸变,分析此种畸变进气条件对压气机工作性能造成的影响,并且考察一种新型机匣处理的扩稳效果。旋转进气畸变下,压升-流量特性曲线失速边界向右下偏移,压气机失速裕度明显降低。新型机匣处理在旋转进气畸变条件下对风扇/压气机有显著的扩稳效果,较小畸变转速(200,500r/min)情况下,新型机匣处理能提高压气机稳定裕度10%~20%,同时并没有带来明显的效率损失;畸变转速为800r/min情况下,机匣处理的扩稳效果相比并不明显,但可以提高压气机工作效率1%~2%。较大畸变转速情况下,畸变方向不同,机匣处理扩稳效果有所差别:正向畸变时机匣处理提高压气机失速裕度3%~10%,提高效率1%左右;而反向畸变时,失速裕度均提高10%以上,甚至达到20%,但压气机效率损失在1%左右。     

变转速下跨声速压气机的耦合扩稳方法

为了探索在不同转速下均可有效提高压气机失速裕度的扩稳方法，以跨声速压气机为研究对象，利用缝式机匣处理和叶顶喷气进行耦合设计，并参数化研究了缝数目、缝长、缝宽及喷嘴周向宽度对压气机性能的影响规律，结合非定常数值模拟揭示了耦合型机匣处理的扩稳机理。研究结果表明，在100%、80%、60%转速下，压气机失速裕度分别提高9.31%、8.26%、8.68%,设计点效率分别降低0.77%、0.23%、0.41%。缝数目、缝长、缝宽是影响压气机失速裕度及效率的显著因素，而喷嘴周向宽度对压气机失速裕度及效率的影响较小。耦合型机匣处理内形成了抽吸、喷气的耦合流动循环，耦合强度的增加有利于压气机失速裕度的提高，但会降低压气机效率。耦合型机匣处理提高了叶顶负荷，但降低了叶顶泄漏强度，极大消除了叶顶泄漏涡引起的叶顶堵塞，这是压气机失速裕度提高的主要原因。耦合型机匣处理具有在不同转速下均能有效扩稳的潜力。     

离心压气机周向槽机匣处理方案的对比分析

为了提高一带小叶片离心压气机50%设计转速下失速裕度,设计了两套周向槽机匣处理方案,对实壁机匣和处理机匣压气机流场进行了数值模拟分析.计算结果表明:①第一套方案可以使压气机失速裕度提高10%,并且对压气机压比和效率影响很小,没有带来较大的压比和效率损失;②第一套方案对离心叶轮大叶片75%左右轴向弦长前尖部流场的改善是失速裕度提高的主要原因;③第二套方案没有提高压气机失速裕度,主要是由于开槽的位置不恰当和周向槽过深的原因.      

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.      

倾斜式周向槽机匣处理对压气机稳定性的影响

为分析倾斜周向槽机匣处理对跨声速轴流压气机NASA Rotor 37稳定性的影响,采用数值仿真方法研究了光壁机匣和倾斜周向槽机匣的扩稳效果。结果表明：经过周向槽机匣处理后,叶尖泄漏流被诱导进入周向槽,抑制了低速区的发展且泄漏流经过周向槽流出后能够吹除低能区,改善低速区造成的流道堵塞情况,扩大压气机的稳定工作范围;在设计转速下,5种不同形式的周向槽机匣处理都能够提高压气机的稳定裕度,其中,CT3的扩稳效果最好,稳定裕度提高2.86%,而峰值效率降低最少,仅降低0.7%;通过正交试验优化设计方法发现,样本9对于提升转子的稳定裕度效果最为明显,能够将稳定裕度提升2.95%,但会使峰值效率降低1.56%;当周向槽轴向倾斜方式不同时,会使得周向槽的周向截面及槽内流动发生改变,从而对压气机的稳定裕度和峰值效率造成影响。     

非定常机匣处理扩大压气机稳定裕度实验

从非定常角度出发,设计了一种通过改变斜槽和气室来调节壁面阻抗边界条件的非定常处理机匣,并对其开展扩大轴流风扇/压气机旋转失速稳定性的实验研究.研究工作包括:对非定常处理机匣进行流量-压比特性实验,研究其扩稳效果;对处理机匣的结构参数(斜槽、气室)进行可调节特性实验;对机匣处理的效率特性进行实验评估.结果表明:这种非定常机匣处理在三台低速风扇/压气机实验台上,通过调节机匣参数,不仅能够实现在不同的工作转速下对压气机稳定裕度有显著效果,而且效率没有明显改变.      

小流量斜流压气机设计及优化

采用快速气动设计方法设计了一小型斜流压气机的三维初始几何。应用三维数值分析手段,获取了该斜流压气机的性能及流场结构,分析了S1、S2流面流动特点及制约压气机性能的主要因素。应用人工神经网络方法进行压气机流道优化设计,并与优化前对比。结果表明:初始设计的斜流压气机,设计转速下的最高效率点流量为1.039kg/s,压比为1.514,效率为88.57%,综合裕度达73.66%;叶轮尾缘近轮盖处的射流-尾迹现象,导致流动损失较大。优化后,设计转速下压气机的流通能力和效率均有所提高,相同压比条件下其流量为1.060 kg/s,效率达89.30%,但综合裕度降低至49.80%。     

可控转速机匣转速对跨声速压气机转子流动稳定性的影响

可控转速机匣是一种通过控制机匣结构中的可转动环段旋转对叶顶间隙流场施加作用的机匣处理方式,可以一定程度上改善机匣处理中存在的效率下降以及难以完全适应变工况条件的难题。针对起始于动叶叶顶前缘、宽度为叶顶轴向弦长的可转动环段,对设计转速下的跨声速压气机转子流动稳定性的数值研究结果显示,随着可转动环段转速的增加,转子的稳定工作裕度逐渐提高,扩稳效果先弱后强,当可转动环段转速为转子设计转速时,在保证最高效率基本不变的情况下,稳定工作裕度提高了52.56%。可控转速机匣在较低转速时主要是通过减小叶顶的堵塞区实现扩稳,而高转速时则主要是通过抑制叶顶泄漏涡的破碎推迟失稳,不同转速下稳定工作裕度均有不同程度提升。     

特定涡旋流畸变对跨声速压气机性能的影响

为研究S弯进气道出口和翼身融合体(HWB)飞机发动机进口两种特定涡旋流对压气机气动性能和稳定性的影响,将设计的新型叶片式旋流畸变发生器与跨声速压气机Stage 67进行联合数值仿真,获得进口旋流条件下的压气机特性线和流场分布,并与转子进口为均匀来流时进行对比分析。结果表明:在100%换算转速,S弯进气道产生的旋流使得压气机压比和效率在近峰值效率点分别下降0.06%、0.85%,稳定工作流量范围减小5.97%,压气机稳定裕度降低1.13%,压比和效率特性线均向左下方移动。HWB飞机产生的旋流使得压气机在近峰值效率点的压比增大6.61%,效率下降6.25%,稳定工作流量范围减小26.88%,压气机稳定裕度降低2.84%,压比特性线向右上方移动,效率特性线向右下方移动。     

自适应处理机匣在多级轴流压气机中的应用

设计了一种环腔导流片式自适应处理机匣,采用定常数值方法研究了不同导流片形式对亚声多级轴流压气机流场的影响。结果表明:导流片与转子弦向垂直时的处理机匣减弱了叶尖前缘溢流强度,抑制了间隙泄漏流发展,提高了转子叶尖通道的流通能力,使得压气机在0.8倍设计转速以上特性基本保持不变的同时,大幅度提高了低转速的稳定裕度,其中0.7倍设计转速时近失速点总压比增大10.2%,近失速流量拓宽8.5%,体现出较好的自适应扩稳能力。      

不同轴向偏转角处理机匣实验与机理分析

为了探索不同轴向偏转角处理机匣对压气机稳定裕度的影响,以一个亚声压气机为平台通过实验与数值仿真方法探索了8130r/min设计转速下3种与轴向成不同角度的处理机匣对该压气机稳定性的作用.详细的分析了各流量工况下不同处理机匣叶顶的流动结构、叶顶载荷分布、处理机匣缝(或槽)内的流动、周向平均后叶顶的损失分布和缝内喷射气流的轴向动量.研究发现:随着缝(或槽)与轴向所成夹角的增大,整个流量范围内,处理机匣的扩稳能力先增强后减弱;大流量工况下,转子叶顶载荷增加,转子的等熵效率降低.      

部分处理机匣的性能预估模型

利用进气畸变平行压气机理论划分子压气机的思想，将部分处理机匣压气机沿周向分为处理机匣子压气机和实壁机匣子压气机，再由动量守恒和能量守恒求得部分处理机匣压气机出口参数，并依据失速点流量与处理区周向角度呈线性关系的实验结论提出部分处理机匣性能预估模型假设.模型预估与实验对比结果表明:预估特性与实验特性曲线在整体趋势上一致.跨声速条件下98%设计转速峰值效率预估偏差小于0.5%，综合裕度预估偏差小于0.6%.      

处理机匣激励频率对跨声速压气机性能的影响

通过改变处理机匣槽数来改变处理机匣对压气机内部流场的非定常激励频率,对4种激励频率下压气机性能进行了测试。实验结果表明,处理机匣槽数对应的非定常激励频率是影响压气机性能的关键因素之一。通过优化处理机匣对压气机非定常激励的频率,压气机性能可以得到全面提升:对于实验用跨声速压气机,在近设计转速下峰值效率、综合裕度和最大流量分别提高0.17%,19.86%和0.81%,而在低转速下这三个增量最大分别可达到1.13%,57.84%和1.57%。     

叶尖间隙流动对某微小型离心压气机性能的影响

为研究微小型离心压气机在不同叶尖间隙下的性能变化,对某高速跨声离心压气机进行了带间隙的三维黏性流场数值模拟,详细分析了在不同的间隙情况下压气机内部流场特征和性能变化趋势.结果表明,随着叶尖间隙增大,叶轮流道内泄漏流动的强度明显增强,导致叶轮的增压能力下降,效率降低,以至于压气机整级压比、效率和流量都有所下降,压气机的稳定裕度也受到了明显的影响.