带周向槽机匣处理的离心压气机扩稳机理分析

机匣处理能够改善压气机稳定裕度，扩大其稳定工作范围。通过对带周向槽机匣处理的NASA低速离心叶轮（LSCC）进行了时间精确的全三维数值模拟，并对周向槽机匣结构和实壁机匣结构在近失速流量点工况下的计算结果进行了比较分析。分析结果表明，周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因。     

周向槽机匣处理的三维理论分析

本文首次采用三维定常不可压 N- S方程数值分析了带周向槽式机匣处理的叶栅通道。从数值模拟这一角度分析了周向槽机匣处理的扩稳机理 ,描述了作用的流动图画和物理模型 ,为分析设计机匣处理装置提供了新方法     

带周向槽机匣处理的压气机内部流动数值模拟与试验

采用试验和数值模拟的方法研究了周向槽机匣处理对轴流压气机性能以及内部流场的影响。在单级轴流压气机试验台上对实壁机匣和周向槽机匣结构进行了详细的实验测试。同时,对每一种机匣结构的内部流场进行了全三维数值模拟,数值模拟结果与试验结果符合良好,相比于实壁机匣,试验以及数值模拟结果均表明周向槽机匣处理结构能够扩大压气机的稳定工作裕度,而对效率的影响不大。对内部流场的详细分析表明周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡形成和发展的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因。      

槽式处理机匣开槽数目对扩稳效果的影响

采用试验与数值手段研究周向凹槽槽数变化对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行4种不同槽数的周向槽处理机匣试验。试验结果表明,4种不同槽数的机匣处理都提高压气机的失速裕度,在相同槽宽下开槽数最多的扩稳效果最好,开槽数目最少的扩稳效果最次。数值计算所获得总性能与试验结果符合良好。通过详细地分析凹槽槽数变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽槽数变化对压气机性能影响的流动机理。     

周向槽轴向位置影响机匣处理扩稳能力的机理

为了揭示周向槽机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理,采用试验与数值方法研究了三种不同轴向位置对机匣处理扩稳能力的影响。试验与数值结果均表明机匣处理轴向位置不变时扩稳能力最强,轴向位置前移次之,轴向位置后移最弱,对应的试验综合裕度改进量分别为10.3%,7.82%及5.65%。通过详细分析压气机叶顶流场表明,周向槽机匣处理轴向位置后移使叶顶前缘区域没有受到到周向槽的作用,叶尖部分间隙泄漏流在叶顶前缘形成低速带并造成进口堵塞。轴向位置前移使叶顶后部区域没有受到周向槽的作用,在叶顶通道出口部分叶高范围内形成低速堵塞区,流通能力弱。轴向位置不变的机匣处理对应的叶顶通道流通能力最强,因此扩稳效果最好。     

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。     

槽式处理机匣几何结构参数的正交试验

针对一亚声速单级轴流压气机试验台,根据正交试验的要求设计了9种周向槽机匣处理结构.以其为载体系统地研究了槽式机匣几何结构参数对其扩稳效果的影响.正交实验结果表明:在两种换算转速下无需对所用可能组合的处理机匣结构进行试验,使用正交分析方法对试验结果进行分析都能成功预测扩稳效果最好的处理机匣结构型式.      

周向槽机匣处理的二维理论分析

本文在分析周向槽机匣处理二维简化模型基础上 ,采用边界元方法为分析提供边界条件 ;发展了一个不含迭代过程的计算任意回转面上叶栅流场的快速准确程序。文中详细分析了处理机匣各种几何尺寸及叶排参数对扩稳效果的影响 ;建立了一套便于工程设计与分析周向槽机匣处理的快速实用的定量方法。     

低速轴流压气机周向单槽机匣处理扩稳实验研究

周向槽机匣处理作为一种有效的扩稳措施得到了广泛应用,但是缺乏对其机理的深入理解和认识。为此,在一台低速单转子轴流压气机上考察了周向单槽机匣处理随轴向位置变化的扩稳效果。实验中获得了单槽不同轴向位置的扩稳规律,在该台压气机上得出了扩稳效果最好的槽位于40%~60%轴向弦长,而当单槽位于27%轴向弦长附近时,其扩稳效果最差。在此基础上,选取了最优扩稳槽位和最差扩稳槽位进行详细的壁面非定常流场测量和尾迹测量,对比分析了光壁条件与各单槽处理机匣对叶顶间隙泄漏流和转子尾迹的影响。结果表明,采用扩稳效果最优槽位之后,周向单槽能推迟叶顶间隙泄漏流与主流交界面前移,以及减弱叶顶间隙泄漏流非定常性,且能明显增强尾迹区1BPF(叶片通过频率)的能量,同时减弱0.5BPF的能量,达到扩稳的目的。而对于扩稳效果最差槽位而言,叶顶间隙泄漏流与主流交界面直到失速前也无法跨过单槽从叶片前缘溢出,周向单槽改变了叶顶间隙内部诱发突尖失速先兆的扰动传播方式;另外,其对转子尾迹区0.5BPF和1BPF的影响也比较小,从而使得其扩稳效果减弱。     

槽式机匣槽宽变化对扩稳效果影响的试验与数值研究

 采用试验与数值手段研究周向凹槽槽宽变化对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行3种不同槽宽的周向槽处理机匣试验。试验结果表明3种不同槽宽的机匣处理都提高压气机的失速裕度,最小槽宽的扩稳效果最好,其他两宽槽次之。数值计算所获得总性能与试验结果符合良好。通过详细地分析凹槽槽宽变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽槽宽对压气机性能影响的流动机理。     

轴向位置变化对槽式机匣扩稳效果的影响

采用试验与数值手段研究周向槽处理机匣轴向位置对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行三种不同轴向位置的周向槽处理机匣试验.试验结果表明三个轴向位置的机匣处理均扩宽压气机的稳定工作范围,轴向位置不变时扩稳效果最好,轴向位置前移次之.数值计算所获得的裕度改进量变化趋势与实验的符合良好.通过详细地分析处理机匣轴向位置变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽处理机匣轴向位置对压气机性能影响的流动机理.      

吹气型周向槽机匣处理扩稳机理的研究

实验证明在周向环槽中加入切向吹气可以比原型处理机匣获得更大的稳定裕度.分别对带吹气型周向槽机匣处理与原型机匣处理的孤立转子进行全三维数值计算, 计算得到的总性能特性线同实验符合良好.通过详细地对比分析两种机匣处理的叶顶区域流场, 揭示了吹气型周向槽机匣处理比未吹气的原型机匣处理获得更大的稳定裕度和提高效率的机理.      

轮毂处理扩稳的机理探讨

在单级轴流压气机上,用周向槽式处理机匣在静子内径处进行轮毂处理,与转子尖部机匣处理作类比。用小型5孔探针测试技术详细测量了在最佳工作状态和近失速边界状态下静子叶片排下游气流的三元流场,特别是其端部流场,发现对于转子叶尖失速型的级,在其静子轮毂处理也可以提高级的稳定裕度。并提出其扩稳机理与失速转移的关系,提出了周向诱导速度影响二次流的物理模型,进一步剖析了周向槽机匣处理的扩稳机理。     

弹性支承黏弹性阻尼-航空发动机薄壁机匣动力学特性分析

面向航空发动机薄壁机匣部件黏弹性约束层阻尼减振分析的工程需求,开展黏弹性阻尼-机匣弹性支承边界模拟和结构动力学分析研究。将机匣进行力学简化为圆柱壳体模型,通过引入一系列人工弹簧,将圆柱壳边界载荷的转化为弹簧的弹性势能,实现了机匣任意边界支撑刚度的有效模拟。结果表明：增大边界刚度可以提高机匣的固有频率,机匣的阻尼特性对支承刚度的敏感性与固有频率相反。此外,在机匣工程设计过程中,可以通过加强支撑结构的环向和法向刚度,获得满意的结构动力学特性。     

Recent development of casing treatments for aero-engine compressors

Casing treatment is a mature stabilization technique which has been widely applied on aero-engines for modern aircrafts and turbo-chargers for automobiles. After the investigations of half century since the 1960s, this technique has been well developed for various configurations with different effectiveness. From the perspective of stabilization mechanism, this paper roughly categorizes the configurations of casing treatment into two types: traditional ones which work by affecting the flow structure of blade tip region; a novel one named as Stall Precursor-Suppressed (SPS) casing treatment. The effectiveness of both types will be demonstrated for their applications on axial compressors and centrifugal compressors with uniform or distorted inlet. And the stabilization mechanism of casing treatments for regular types and SPS one will also be explained respectively. In addition, this review will summarize the methodologies of casing treatments with the numerical simulations for regular grooved configurations and the eigenvalue approach for SPS casing treatment. Looking forward to the future of compressor stabilization, casing treatment technique will still exist as a general and inexpensive option, and the exploration for its effectiveness and mechanism will be deeper with the development of computational fluid dynamics and advanced measurement techniques.     

基于结构声强法的机匣振动能量传递特性

为了分析在转子不平衡力激励作用下机匣上纵波、剪切波、扭转波以及弯曲波所携带的瞬态与稳态振动能量的分布规律和传递特性，将结构声强法拓展成矩阵的形式应用到航空发动机领域。建立了转子不平衡力作用下的双转子-支承-机匣耦合模型，通过由有限元工具和自编译程序组建的计算系统，求解并可视化了在高低压转子不平衡力激励作用下机匣瞬态与稳态的总结构声强场以及不同类型振动波的结构声强场。此外，通过运动方程推导并分析了结构声强与结构振动特性之间的内在物理关系。结果表明，机匣上纵波振动能量穿过法兰边后沿其周向传递，而剪切波和扭转波所携带的振动能量则可以穿过法兰边沿机匣轴向传递；支板上的振动能量首先以弯曲波的形式传递到机匣上，振动能量在机匣上沿主要路径传递过程中会发生不同类型振动波相互转换的现象；结构声强通过结构的动能变化率、应变能变化率以及阻尼耗散等能量参数与结构振动特性产生内在物理联系，对结构振动的控制本质上就是对振动能量流的控制。研究结论可为航空发动机机匣以及整机减振提供一定理论指导。