弓形静子提高压气机抗旋流畸变能力研究

为降低旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性的影响,对双级低速轴流压气机的第1级静子进行了3种不同正弯角的弓形叶片设计.采用整环三维定常计算方法,研究了对涡旋流下压气机的性能和稳定性.结果表明:静子采用合理的正弯曲设计能够提高压气机抗对涡旋流的能力.正弯曲弓形静子能够降低端壁区域的负荷,抑制各排叶片叶根区域吸力面附面层分离的形成以减小损失、提高效率和总压比.静叶弯角为10°时峰值效率增加1.5%,失速边界点流量减小6.95%.流量为18.5kg/s时,效率、总压比分别增加1.7%和0.03%.当弯角过大时,叶中区域负荷上升且摩擦损失增大,反而不利于效率和总压比的提升.      

大子午扩张涡轮叶片正交设计及性能分析

在大子午扩张涡轮中,流道的子午扩张会造成较强的端部二次流动,从而产生较大的端区损失。为重组大子午扩张端区流动以减小端区损失,对燃气轮机动力涡轮第一级静叶进行正交设计优化,并对重新设计的正交叶片和原型叶片进行数值模拟计算及对比分析。研究结果表明,采用正交叶片作为大子午扩张静叶的涡轮级效率有明显提高,正交涡轮使得上下端壁的流动趋于平缓,并使得上端壁的通道涡减小,上端壁的流动沿"C"型压力场向叶片的中部移动,减少了端区的流动损失。在叶中和叶根部分流动损失也得到了减小。同时径向静压梯度明显减小,改善了附面层径向的串动,第一级涡轮的效率提升了0.74%,主要提升位置在80%到90%相对叶高处,功率提高了0.69%。     

积垢对压气机流场影响的数值分析

以某型轴流压气机为研究对象,对不同积垢程度的压气机流场进行了三维的CFD数值计算,对比分析积垢造成压气机性能损失的机理。结果表明：积垢对压气机流场的影响主要是导致叶片吸力面中部压力梯度比较大的区域附面层提前转捩,扩大尾迹区的低速回流区,增加叶栅的流动损失。     

积垢对离心压气机性能的影响分析

以某型离心压气机为研究对象,利用流场仿真软件对不同污染程度的压气机性能进行数值计算,对比流场特性的变化,分析了积垢造成压气机性能损失的程度。结果表明：积垢对离心压气机性能的主要影响是降低压气机效率,原因是积垢改变了叶片表面粗糙度,增加了摩擦损失;扩大了叶片后缘和出口附近的低速回流区的范围,增强了回流强度,加大了流动损失。     

交替静叶布局对轴流压气机气动稳定性的影响

为揭示交替静叶布局控制角区分离的流动机理,提升压气机性能,实现压气机的扩稳,采用了数值模拟方法对某高负荷跨声速压气机展开交替静叶设计研究。通过改变静叶叶尖进口几何角,调整叶片的布局方式,得到一种改叶型弯角交替静叶,在此基础上结合叶片弦长进一步优化,得到另一种改弦长交替静叶。数值研究表明：改叶型弯角交替静叶布局压气机的稳定裕度相对原型提升了34.7%,改弦长交替静叶使改叶型弯角交替静叶的压气机稳定性进一步提高,但会造成压比和效率的小幅下降,即以损失部分性能的代价换取了压气机稳定性的提升,改弦长交替静叶压气机在前者基础上将稳定裕度进一步提升了9.7%。新型的静叶布局使得相邻流道的流场结构产生差异,在周向上形成上、下角区分离交替分布的格局,促进了相邻流道出口流体的汇聚。叶型弯角的改变使角区低能流体区引入了更多高能流体,抑制了低能流体在角区堆积,提升了静叶的扩压能力。而弦长改变的同时增加了叶片前掠,阻隔了部分气流,实现了气流的重新分配,一定程度上平衡了两侧气流流量的不均匀性,从而改善了该压气机的气动稳定性。     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

阻尼台对轴流跨声速压气机性能的数值研究

以一台高负荷、高转速的单级跨声速轴流压气机为对象,采用全三维数值方法对有无阻尼台的压气机内部流场进行模拟,着重讨论了压气机转子中带阻尼台部分区域及端壁区域的流场。数值计算结果指出阻尼台的引入降低了该压气机的性能。流场分析表明,带阻尼台后增大了动叶中部通道(阻尼台附近)及静叶靠近机匣的区域的流动损失,但对动叶顶部流场、动叶吸力面附近的分离线位置和形状影响很小。     

叶片弯曲对压气机叶栅气动性能影响的数值模拟

为了研究压气机中采用弯曲叶片对叶栅流场气动性能的影响，本文应用Beam-Warming近拟隐式因子分解格式以及MML代数湍流模型，采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩N－S方程组，对弯曲叶片压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟。结果表明，在给定的条件下，三种叶栅内涡系结构具有某种相拟似性。反弯叶栅吸力面／端壁角区分离严重，中部流动较为理想；正弯叶栅基本消除了吸力面／端壁角区分离，但中部分离较明显；这些又导致三种叶栅流道中涡的大小和强弱存在明显的不同。计算结果与实验结果比较，两者吻合较好。     

叶根倒角对微小型离心压气机气动性能的影响

为了研究叶根倒角对微小型离心压气机流场及气动性能的影响,对1个带有分流叶片的微小型离心压气机进行数值模拟及理论分析。结果表明:叶根倒角最小角度对主叶片及分流叶片表面的静压分布影响不大,压气机总压比几乎不变,但效率提高明显,最大可提高0.99%。压气机效率的提高,一方面是由于通道涡的削弱减小了损失;另一方面是主叶片吸力面根部附近低速区减小和流线弯曲程度降低,提高了根部附近的流通能力,减少了横向流动,从而减小了二次流的损失。另外,叶根倒角最小角度变大,降低了叶片出口处气流的不均匀性,从而减小了损失。     

端弯联合弯叶片对叶栅旋涡结构和气动性能的影响

为了研究弯叶片弯角、端弯弯高和端弯弯角三个参数对扩压叶栅流道内的旋涡结构和气动性能所造成的影响大小和交互作用的主次顺序,以环形扩压叶栅为研究对象,通过正交试验设计的方法,对试验结果进行分析。结果表明,存在一个最佳弯叶片弯角以平衡集中脱落涡和壁角涡对叶栅出口总压损失分布的影响;弯叶片弯角的提高会导致壁角涡减弱并且涡核靠向端壁,集中脱落涡增强并且涡核靠向流道中部;旋涡结构的变化进而导致端部高损失区域损失减小并且靠向集中脱落涡涡核,流道中部损失增厚并且向中部收缩。端弯的弯高和弯角对角区的影响明显强于流道中部;壁角涡强度的提高导致端部损失的增加;集中脱落涡涡核向端壁移动,导致流道中部损失向端区扩散,但损失减小有限。     

低速条件下稠度对扩压静叶栅弯叶片流场性能的影响

为研究弯叶片在扩压叶栅中改善流场性能的适用条件，对一直列叶栅三种稠度条件下的弯叶片流场进行了数值模拟。结果表明，稠度大小对弯叶片的作用影响较大，在一定范围内稠度越大弯叶片改善叶栅性能的作用越明显。大稠度下弯叶片明显提高了叶栅吸力面角区的通流能力及减小了端区的能量损失。分析表明，大稠度叶栅近端壁低能流体区较大而导致的端壁及吸力面角区性能恶化，是弯叶片能够发挥作用的重要原因。     

大转角涡轮叶栅复合弯曲定性分析与应用验证

通过定性推导分析了复合弯曲对叶栅吸力面静压分布与端部周向迁移流体折转过程的影响,明确了复合弯曲对大转角高负荷平面涡轮叶栅流场的影响机制,并结合已有仿真结果进行了初步验证。复合弯曲是在反弯叶片吸力面端部进行局部正弯,令叶片压力面反弯、吸力面端部正弯结合叶身反弯的造型方式。研究表明,复合弯曲设计通过改变吸力面低能流体的展向迁移趋势与周向迁移流体的折转趋势抑制了叶栅二次流的发展。一方面,复合弯曲设计调节了叶展中部与叶栅端部附近吸力面逆压梯度与展向静压梯度分布,抑制了吸力面低能流体向脱落涡与壁角涡高损失区的迁移与堆积;另一方面,复合弯曲设计影响了周向迁移流体折转过程,抑制了周向迁移流体向叶栅端部的折转及其折转过程中与吸力面附近流体的掺混。因此,复合弯曲设计能够在常规反弯基础上进一步改善叶栅流场。      

Influence of coupled boundary layer suction and bowed blade on flow field and performance of a diffusion cascade

Based on the investigation of mid-span local boundary layer suction and positive bowed cascade, a coupled local tailored boundary layer suction and positive bowed blade method is developed to improve the performance of a highly loaded diffusion cascade with less suction slot. The effectiveness of the coupled method under different inlet boundary layers is also investigated.Results show that mid-span local boundary layer suction can effectively remove trailing edge separation, but deteriorate the flow fields near the endwall. The positive bowed cascade is beneficial for reducing open corner separation, but is detrimental to mid-span flow fields. The coupled method can further improve the performance and flow field of the cascade. The mid-span trailing edge separation and open corner separation are eliminated. Compared with linear cascade with suction, the coupled method reduces overall loss of the cascade by 31.4% at most. The mid-span loss of the cascade decreases as the suction coefficient increases, but increases as bow angle increases. The endwall loss increases as the suction coefficient increases. By contrast, the endwall loss decreases significantly as the bow angle increases. The endwall loss of coupled controlled cascade is higher than that of bowed cascade with the same bow angle because of the spanwise inverse ‘‘C" shaped static pressure distribution. Under different inlet boundary layer conditions, the coupled method can also improve the cascade effectively.     

跨声速压气机中动叶弯和掠对尾迹输运的影响

对一单级跨声速压气机设计工况下采用了3种弯、掠动叶后的非定常流场进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对动叶尾迹的非定常脉动强度以及向下游输运特性的影响.研究结果表明:与原型动叶相比,3种弯、掠动叶都减弱了动叶出口的泄漏涡和尾迹顶部脉动核心的脉动强度,使其在向下游输运过程中耗散较快;3种弯、掠动叶尾迹的中间段的脉动强度都有所加强,并且在输运过程中有向根部迁移的趋势,从而会使静叶的中部和根部受到较强的扰动.      

大转角正弯扩压叶栅流场性能实验与数值研究

实验对不同冲角下三种叶型折转角环形压气机直、弯叶栅进、出口流场进行了详细的测量,并利用实验结果对数值模拟结果进行了校核,得到了详细的直、弯叶栅流道内的计算结果。结果表明,大折转角叶栅流道内旋涡由多涡结构向单一涡结构转变的趋势明显,叶片正弯使得流道内近吸力面的涡系径向掺混作用加强;叶展中部流动分离的加重导致集中涡系破裂,从而引起流道内气流的严重堵塞,这是损失激增的主要原因,因此,要在高负荷压气机叶栅中应用正弯叶片,必须有效抑制中部流动的恶化。     

变轴向间隙下压气机近失速工况时弯曲静叶改善流场的实验研究(英文)

The outlet flow fields of a low-speed repeating-stage compressor with bowed stator stages are measured with five-hole probe under the near stall condition when the rotor/stator axial gap varies. The performances of the straight stator stages are investigated and compared to those of the bowed stator stages. The results show that using bowed stator stages could alleviate the flow separation at both upper and low corners of the suction surface and the endwalls, and decrease the losses along the flow passage as well as the outlet flow angle. As the rotor/stator axial gap decreases, although the diffusion capacity of the compressor increases obviously, the outlet flow field in the straight stator stages deteriorates quickly. By contrast, little changes occur in the bowed stator stages, indicating that as the rotor/stator axial gap decreases, improved performance is achieved in the bowed stator stages.     

跨声压气机动叶弯、掠对静叶静压脉动的影响

对一单级跨声压气机采用了三种弯、掠动叶后设计工况下的非定常流场分别进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对下游静叶表面静压非定常脉动的影响.研究结果表明:三种弯、掠动叶都减轻了静叶前缘顶部和根部的静压脉动,使静叶前缘所受到的静压扰动沿径向分布更为均匀,尤其是弯掠动叶的作用最为明显;除去叶片前缘区域,三种弯、掠动叶对下游静叶的顶部压力面和吸力面的扰动都有所减弱,仍然以弯掠动叶的作用最为显著,而在静叶的中部和根部前缘区域之外的表面,动叶的弯、掠对压力扰动的影响不明显.      

叶片弯曲对气冷涡轮叶栅气动性能影响的数值研究

基于全三维N-S方程求解,采用具有G odunov性质的三阶精度TVD格式、分区算法以及自由型曲面技术,提供一种有效的方法来模拟气冷涡轮流场。在某型气冷涡轮叶片表面8个位置以及轮缘和轮毂进行喷气,并对采用直、弯叶片的涡轮流场进行了数值模拟。结果表明,叶片弯曲明显降低了有、无端壁喷气时的端部能量损失。在叶高中部喷气量较大时,弯叶片的气动性能下降较大。      

带根部间隙的直、弯压气机静叶流场的实验

为了获得正弯静叶在动态压气机中的性能特点,分别对采用带根部间隙的直静叶和正弯静叶的重复级低速轴流压气机在不同流量工况下的静叶出口流场进行了实验测量,结果表明,正弯静叶对气流的扩压能力在设计工况和近喘工况下强于直静叶,在最大流量工况下弱于后者。设计工况下,流道内存在的两个主要旋涡结构,分别为上通道涡和刮削涡,且刮削涡在正弯静叶流道内的尺度要远小于直静叶流道中;最大流量工况下直静叶流道中的刮削涡明显增大而正弯静叶中则基本保持不变;近喘工况下分离严重,旋涡随之消失。考查出口气流角可以发现,正弯静叶对气流的折转能力在整个流量工况下都弱于直静叶,但沿叶高的分布更为均匀。