高负荷轴流压气机叶栅二次流动与损失关联性探讨

为探讨压气机中二次流与损失生成的关联性,对一高负荷轴流压气机叶栅开展数值模拟研究。首先对叶栅流动进行定性分析,在此基础上推导定量模型估算流场中的损失源,并由此获得二次流动诱发损失的机理与影响。研究结果显示,在大部分攻角范围内,二次流诱发的损失未超过50%。相对于二次流间接作用于低速流而诱发的损失而言,其直接耗散产生的损失仅为小量;在角区失速时的详细观测也显示,通道横流的流向变化,也即二次流对低速流间接影响的变化是导致通道内损失随攻角激增的主要原因。     

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.      

叶轮机械中间隙流与通道二次流相互作用的数值研究

采用数值解法对一压气机静叶栅中叶顶泄漏流与通道二次流的相互作用进行研究 ,详细揭示了在顶部区通道涡、泄漏涡及分离涡的生成和发展。结果表明 ,由于泄漏流动与通道二次流动的方向正好相反 ,适量的泄漏流动可以在一定程度上起到削弱通道涡强度、改善顶部区流动状况的作用。     

静叶轮毂间隙对高压压气机气动性能的影响

为了考察静叶轮毂间隙对压气机气动性能的影响以及揭示静叶轮毂间隙流动增强压气机稳定性的机理,以某型发动机高压压气机中两级为研究对象,运用三维粘性稳态数值模拟方法重点考察了静叶轮毂间隙附近的流动情况,从能量损失角度进一步分析了不同大小间隙导致压气机性能优劣的原因.研究结果证明,适当大小的间隙可以削弱静叶近轮毂处二次流和旋涡运动,改善当地流动状况,从而减少能量损失,提高压气机性能,特别是能增大喘振裕度.这些积极作用有利于压气机高效、稳定运行.     

大弯度可控扩散叶型叶栅槽道中气体流动的试验研究

本文对一种大弯度可控扩散叶型叶栅槽道和栅后流场进行了测量 ,并对端壁和叶片表面进行了流动显示。通过研究 ,对叶栅槽道特别是端部气体流动 ,旋涡结构以及二次流影响有深入的了解。本文的工作对于改进压气机端部流动条件 ,发展第二代可控扩散叶型有重要的实际意义。     

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.     

亚音轴流压气机叶尖微喷气扩稳机理研究

叶尖喷气是提高压气机稳定工作裕度的一种重要方法。本文以某亚音轴流压气机孤立转子为研究对象,采用非定常数值模拟方法探索微喷气提高压气机稳定工作裕度的原因。数值模拟结果表明,高速喷气流降低了叶尖区域载荷,在inj2工况,导致流动条件恶化的叶尖二次涡没有出现,为此,压气机的稳定裕度得以提升。     

自适应康达喷气控制在高负荷压气机中的试验研究

未来航空发动机的发展要求其压缩系统级负荷不断增大，由此将使得压气机内部出现较强的角区分离、附面层流动分离等二次流。提出了一种新型的自适应康达喷气流动控制（ACJC）方法，更加智能且高效地抑制压气机内部流动分离并提升压气机的扩压能力，进而拓宽高负荷压气机稳定、高效运行范围。为构建自适应康达喷气流动控制系统并在高负荷压气机上验证其控制效果，首先，选取了扩压因子为0.66的压气机静叶叶栅为研究对象，并优化设计了单缝康达喷气静叶叶栅；然后，基于数值计算结果采用方差分析法、主成分分析法和神经网络算法建立了单缝康达喷气静叶叶栅来流攻角预测模型和最佳喷气量预测模型；最后，搭建了基于自适应康达喷气流动控制系统的试验平台，验证了其对高负荷叶栅流动分离控制的有效性和准确性。试验结果表明：在不同攻角和不同来流马赫数条件下，自适应康达喷气流动控制系统能够实时准确地预测来流攻角，并瞬间做出喷气量实时调节与反馈。此外，在5°来流攻角下，当来流马赫数为0.4、0.5和0.6时，相比于无康达喷气叶栅，康达喷气的引入使得总压损失系数分别降低了11.5%、9.8%和8.0%。     

叶尖泄漏与压气机叶栅三维角区分离相互作用实验研究

为了进一步揭示叶顶泄漏与压气机叶栅三维角区分离流动的相互作用机制,采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面气动参数,并对机匣端壁静压进行了测量,详细分析了不同间隙尺寸及来流角度时压气机叶栅间隙流对角区三维分离流动的影响机理.研究结果表明,适当大小叶顶间隙引入的泄漏流阻止了端壁二次流动与叶片吸力面附面层之间的相互作用,移除了三维角区分离,改善了叶栅性能.随着叶顶间隙尺寸及叶栅内气流折转程度的增加,叶顶泄漏涡与上通道涡间的相互作用程度逐渐增强.     

高压比离心压气机二次流旋涡结构研究

为揭示高压比离心压气机的流动特性,采用数值方法对高压比离心压气机的旋涡结构和流动损失的产生及演变规律进行了研究。根据不同类型旋涡的具体特征,给出了分别适用于受迫涡和自由涡的二次流识别方法,包括截面旋线法和拟定主流的截面流线法。应用给出的二次流识别方法并结合耗散函数,探讨了压气机内旋涡的形成机理以及旋涡与损失的关联性。研究表明:当涡量与截面法矢量夹角的余弦值大于零时,旋线方向与实际气流方向定性一致,否则相反;旋线显示的涡轴方向与截面法矢量夹角大于90°时,识别出的旋涡不存在;刮削涡和泄漏涡既是低能流体的聚集区也是能量的耗散区,是影响离心压气机损失产生及分布的关键因素;诱导轮尾迹会抑制导风轮流道内叶表通道涡的形成。     

吸力面翼刀控制压气机叶栅二次流的实验研究

在低速风洞上通过详细测量叶栅的出口流场 ,研究了叶片吸力面上不同高度处加翼刀对压气机叶栅损失和二次流的影响。实验结果表明 ,合理地选择翼刀安装位置 ,可有效地控制压气机叶栅的二次流 ,降低叶栅的总损失。     

跨声速轴流压气机流动损失分析

对跨声速多级轴流压气机的损失和落后角模型进行了改进,采用流线曲率法对非设计点进行了性能模拟。新的激波损失模型考虑了压气机工作状态从堵塞点向喘振点变化时激波系结构的变化;同时也考虑了压气机负荷对叶尖二次流动的影响。着重对跨声速轴流压气机在100%设计转速下各种损失的变化规律,以及叶片不同位置处的损失变化进行了分析,并得出了一些规律性的结论。计算得到的气动参数与实验值的比较表明:该模型能够较为准确地预测到跨声速压气机内部流动的叶型损失、激波损失、二次流损失以及展向掺混损失的变化规律。     

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅰ——实验和理论研究

在低速大尺寸压气机实验台上,利用体视图像粒子测速(SPIV)技术测量了设计状态和近失速状态转子尖部的三维复杂流动,对典型二次流流动结构的特性及其产生、发展和演化机制做了研究。实验测量覆盖整个转子通道,从测量得到的各阶物理量中可以识别出叶尖泄漏涡、角区旋涡、通道涡和进口导叶尾迹等多种二次流流动结构。通过分析各种二次流流动结构造成的流动堵塞和损失发现:在设计状态,叶尖泄漏涡是流动堵塞和损失的主要来源,在转子出口处造成的流动堵塞约为总流量的0.35%;在近失速状态,角区旋涡对流动堵塞和损失的分布起了决定性作用,造成的流动堵塞可以达到总流量的8.5%。最后,借鉴二次流理论对角区旋涡的产生、发展和演化机制做了理论分析,结果表明角区旋涡的发展过程主要由流向速度的展向分布规律决定。     

预测轴流压气机叶栅通道端壁附面层及叶片力亏损

本文将二次流理论与端壁附面层理论相关联,提出一种用于预测轴流压气机叶栅通道内的端壁附面层及叶片力亏损的新方法。附面层主流流动采用包含叶片力亏损的动量积分方程,横流流动采用双层速度分布模型,使用二次流分析和有限差分计算方法预测横流外层速度分布,主流流动和横流流动交替计算。用于两种高负荷压气机叶栅的预测结果表明,不仅端壁附面层发展的预测结果与实验结果吻合较好,而且叶片力亏损发展的预测值也与实验值一致性较好;此外,该方法不仅自动,而且还能较准确地预测S形横向流动的发展。     

对转压气机三维掠动叶优化设计

为探索三维掠动叶降低对转压气机二次流损失的潜力,进一步提高对转压气机气动性能,基于近似函数与遗传算法,针对某对转压气机双排转子在整机环境下进行三维掠动叶优化设计,并对优化前后流场进行对比分析.优化成功的得到了双排“S”形掠动叶,结果表明:三维掠动叶有效改善了双排动叶吸力面径向二次流,减小了吸力面低速区,提高了对转压气机性能,优化工况点整机效率提高0.6％,全工况范围内效率均有所提高;三维掠动叶提高对转压气机效率的根本原因是其对径向负荷分配的重新调整,将叶展下方流动较差区域负荷移至叶展上方,改善流场的同时保证对转压气机负荷不变.     

低速轴流压气机中前后静叶对动叶顶部区域流动的影响

数值研究了某二级低速轴流压气机在高负荷工况下,动叶前后动静干涉对动叶顶部区域非定常流动的影响。结果显示一次泄漏涡和二次泄漏涡是动叶顶部的主要流动特征。下游静叶干涉增加了动叶顶部间隙流的非定常波动强度和泄漏损失。上游静叶干涉减少了动叶顶部二次泄漏流强度。同无动静干涉相比,同时存在上下游动静干涉使动叶顶部区域总压损失减少9.1%,其收益主要来自上游静叶的非定常干涉。     

端壁移动对悬臂静子气动性能的影响

为了探究端壁移动对悬臂静子性能的影响,对轮毂移动与否、轮毂移动速度大小以及移动轮毂情况下间隙大小对某一低速轴流压气机悬臂静子内部流动及压气机性能的影响进行了详细的研究。结果表明,随着端壁移动速度的增加或者端壁移动情况下叶根间隙的减小,静子近轮毂区域的流动堵塞/流动损失减小、压气机性能得到提升,造成这一现象的主要原因是端壁移动情况下二次流的消失以及参与掺混的泄漏流流量的减小;端壁移动也会影响静子进口流场,进而影响转子的特性,但相对于对静子特性的影响,转子特性的变化幅值较小。     

大小叶片压气机级的计算与实验校验

为了考察用于压气机设计的三维计算软件的准确性,对一个低速大尺寸的单级大小叶片轴流压气机进行了计算与流动测量,基于可压缩流动,并在流动细节的层次上全面地考察了计算程序的准确性。结果表明:所用的计算程序对压气机设计点的计算较为准确,流量和压比的准确度可达1%,但对失速裕度的预估能力不足。计算程序对于内部流动细节,尤其是二次流动的模拟不够好,当压气机工作于非设计工况时,这些流动细节计算的不准确会导致整体性能上较大的偏差。     

端壁倒圆对高负荷压气机叶栅性能及流场影响的机理探究

为了改善压气机端壁区流动状况,减小流动损失,对一大尺度低速(不可压)压气机叶栅设计了五种倒圆结构。通过Numeca全三维数值方法进行模拟,结果表明,在原叶栅失速工况下,损失降低最多的达到了5.22%,但在设计工况下增加了1.12%。分析了此叶栅端壁区性能及流场改善的机理,给出了其余四种结构效果不佳的原因。对于效果最好的叶栅,倒圆的存在将失速因子降低了41.29%,使其能够适应更大的来流攻角范围。近端壁处吸力面的流动分离得到明显抑制,马蹄涡强度和逆流区减小,出口流动更加均匀,二次流能量显著减小,从而在整体上降低了损失,改善了角区流动。     

用平均N-S方程轴流压气机级通流数值计算

近代叶轮机准三元方法中子午流计算一直采用管流或通流的无粘流模型。发现多级轴流压气机后面级气流展向掺混重要现象之后,多级轴流压气机子午流场的计算在无粘流的基础上加上了二次流展向掺混的影响,它对多级轴流压气机特别是高压核心机后面短叶片级设计是很重要的。近年来,已经有成效地直接用N-S方程求解叶轮机中的流动问题[1、2](大多是叶栅流动问题),其重要目标似乎是较准确模拟叶轮机级中粘性流动和计算的工程设计应用。为此,我们提出用平均N-S方程和常用的紊流零方程或两方程模型来模拟叶轮机级与多级中通流的粘性流动,给风扇级和压气机级与多级准三元设计方法提供一个考虑粘性影响的通流计算工具,并提出了端壁条件一种有效的处理方法。