基于试验设计的高负荷轴流压气机叶顶喷气参数化研究

为了揭示叶顶喷气对压气机稳定裕度的影响规律,对一跨声速轴流压气机进行三维非定常数值模拟,结合试验设计与统计学分析的方法对叶顶喷气展开参数化研究,并分析了叶顶喷气的扩稳机理。研究表明,叶顶喷气整体上提升了压气机的性能,通过激励叶顶环壁附面层抑制叶顶泄漏涡堵塞,达到提升压气机稳定裕度的目的。同时,叶顶喷气会引起压气机失速类型的变化。不同喷气量下的喷气规律是不同的,喷气量与喉部高度、喷气角度间存在交互作用。喷气量较小时应减小喷嘴喉部高度,在相对坐标系下沿转子叶顶前缘中弧线方向喷气;喷气量较大时应增加喉部高度,避免引起叶顶过载失速,喷气应提供正预旋来减小叶顶攻角。喷嘴应与转子叶顶前缘保持一定距离。     

亚声速轴流压气机叶顶喷气设计规律的试验研究

为了探索叶顶喷气在亚声速轴流压气机中的设计规律,试验研究了喷气量、喷嘴喉部高度、周向覆盖比例、喷气位置、喷嘴数目、喷嘴分布形式对压气机失速裕度的影响规律,分析了叶顶喷气的扩稳机理以及对压气机失速特性的影响,总结了叶顶喷气在亚声速和跨声速压气机中作用规律的异同。研究结果表明,叶顶喷气没有改变压气机的失速特性,其扩稳机理主要在于对叶顶堵塞的有效抑制,通道堵塞对叶顶喷气的非定常响应是离散叶顶喷气有效扩稳的重要原因。当喷嘴处于堵塞状态时扩稳效果达到最大,利用0.66%的喷气量可将压气机的失速裕度提升15%。对于压气机失速裕度的影响,喷气量、喷嘴喉部高度、喷气周向覆盖比例间存在交互作用,喷气位置、喷嘴周向分布形式和进气畸变对喷气扩稳效果的影响均不大。当压气机的失速均是由叶顶泄漏涡诱发的突尖失速时,叶顶喷气在亚声速压气机中的设计方法可用于指导跨声速压气机叶顶喷气的设计。     

叶顶喷气对高负荷轴流压气机性能的非定常影响机理

为了揭示叶顶喷气对高负荷压气机气动性能和稳定裕度的非定常影响机理,对一跨声速轴流压气机进行六通道三维非定常数值模拟,定量分析了两种喷嘴作用下压气机内部流场的变化。研究表明叶顶喷气提升了压气机的总压比和稳定裕度,对效率的影响不大,喷气量决定了对压气机气动性能的影响程度。喷气引起叶顶进出口流量的非同步周期性变化,当喷气流沿通道到达转子尾缘后完成对叶顶的降载作用,叶顶负荷呈周期性变化。喷嘴喉部高度不变时,27.3%和54.6%的周向覆盖比例分别获得3.3%和3.6%的裕度改进,分析可知喷气的扩稳效果取决于喷气对叶顶堵塞的抑制在通道出口产生的影响。喷气流在通道中的流动延迟使得喷气对通道出口堵塞抑制的时间大于对通道进口堵塞的抑制时间,因而较小宽度的喷嘴可以保证对叶顶堵塞的有效抑制,增加喷嘴的宽度对稳定裕度的影响不大。     

基于叶顶喷气的轴流压气机叶顶泄漏流主动控制

为研究压气机叶顶泄漏流对压气机性能影响的流动机理,基于叶顶喷气在小流量工况下对1台单级低速轴流压气机叶顶泄漏流进行主动控制。通过喷气前、后非定常数值模拟,对比分析不同轴向喷气偏角下压气机性能提升与动叶叶顶区域流场特性的变化,在叶顶沿弦向布置压力测点,采集叶顶区域不稳定流动的脉动信号,结果表明:轴向、叶顶进气角方向喷气分别获得5.40%、5.93%的压气机性能提升;轴向喷气能最有效减少通道内的逆流速度团,延缓泄漏流的周向发展;叶顶进气角方向喷气使50%叶顶轴向弦长处的泄漏流最大泄漏量降低20%,同时能有效改变泄漏涡发展轨迹,避免撞击到相邻叶片压力面;根据频谱结果发现喷气能够抑制叶顶泄漏流的不稳定性。     

低反力度跨声速转子的叶顶喷气扩稳数值研究

为进一步提高低反力度压气机的稳定工作范围，以某三级低反力度高负荷压气机首级跨声速转子为研究对象，借助三维数值模拟方法，进行了叶顶喷气扩稳研究，分析讨论了叶顶喷气提升低反力度压气机转子稳定性的机理，并探讨了不同喷气轴向位置对扩稳效果及气动性能的影响。结果表明：叶顶喷气通过削弱叶顶泄漏涡和通道激波的相互作用，抑制了转子近失速工况下泄漏涡的破碎，消除了叶顶通道的大面积堵塞，拓宽了转子的稳定工作边界；随着喷嘴的位置从叶顶前缘处沿轴向上游移动，转子的失速裕度提升量呈现出先增大后减小的趋势，综合扩稳效果和对压气机总性能参数的影响，最佳喷气轴向位置为叶顶前缘上游转子5%叶顶轴向弦长处；叶顶喷气改变了转子气动参数的径向分布，降低了转子上15%叶高范围内的负荷，同时也使得其它叶高区域的负荷提升。     

叶顶喷气的喷嘴数目对轴流压气机稳定性影响的数值研究

为了揭示叶顶喷气中喷嘴数目对跨声速压气机气动性能的影响,采用六通道非定常数值计算对一跨声速轴流压气机进行了数值研究。共选取两个喷气周向覆盖比例水平对喷嘴数量进行研究,主要分析喷嘴数目对压气机稳定裕度和流动参数径向分布的影响机理。研究表明喷嘴数目和喷气的周向覆盖比例都对压气机失速有影响,且这两参数间存在交互作用。当喷气的周向覆盖比例为54%时,喷嘴数目对压气机的稳定裕度没有影响;当叶顶喷气的周向覆盖比例为27%时,喷嘴数目由6个增加至18个,压气机流量裕度改进量由3.5%降低至2.5%。叶顶喷气对压气机稳定裕度提高在于喷气对叶顶堵塞的有效抑制,这种抑制作用需要单个喷嘴与叶顶反流区有充分的接触时间。喷嘴数目过多导致单个喷嘴与叶顶反流区的接触时间过短,无法有效降低叶顶堵塞。喷嘴的离散分布引起转子叶顶出口流动参数的非定常变化,其变化程度随喷嘴数目的增加而减小。对喷嘴数目的选择需综合考虑叶顶喷气对稳定裕度以及流动不均匀性的影响。     

压气机二维叶栅涡脱落的数值模拟

对某压气机二维叶栅的非定常分离流场进行了数值模拟,通过对多种工况的计算,进行了频谱分析,对叶栅非定常流动的流场结构和流动机理做了初步的探讨。在来流均匀,定常边界条件下,叶栅内流动仍然表现出强烈的非定常性;在大攻角下有类卡门涡的脱落;旋涡脱落的频率,随着攻角和马赫数的变化而变化;分离点的位置随着攻角和马赫数的变化而变化。     

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.      

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.     

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。