轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量技术研究进展

基于公开文献与课题组现有实验研究成果，总结轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量的研究现状，并对未来发展方向进行展望。实验装置方面，现有大多数实验研究基于涡轮平面叶栅，针对旋转状态下间隙泄漏流动的测量较少；测量工况方面，低速条件下的实验研究较多，针对跨声速、超声速叶尖泄漏流动的研究较少；测量方法方面，多数实验为稳态定量和定性测量，且着眼于出口流场，针对涡轮转子叶尖间隙内部流动结构的非接触、瞬态测量研究较少；结果分析方面，多数实验着眼于分析泄漏流动对涡轮性能的影响，对泄漏涡非定常流动机理、泄漏涡与二次涡系的相互作用以及涡破碎的揭示尚不完全。基于涡轮转子实验台，结合端壁动态压力测量阵列，采用内窥式PIV、LDV技术对涡轮转子叶尖间隙内部及附近非定常泄漏流动的测量是一个亟待深入研究的重要方向。     

在轴流风扇中的流场测量和显示

介绍了利用激光多普勒测速仪(LDA)和激光片光流场显示技术在一轴流风扇转子叶尖附近流场测量得到的结果.试验结果表明,转子叶尖处的通道涡并不是叶尖间隙流卷起造成的,而是由于端壁附面层受到叶尖间隙流的横向冲击后从机匣壁面上脱落形成的.     

跨声速风扇转子叶尖间隙效应的数值研究

对某三级跨声速风扇第一级转子带叶尖间隙的三维流动进行了数值模拟,分析了6种不同叶尖间隙下转子的性能和失速裕度,发现转子在无间隙时总压比和等熵效率最高。随着叶尖间隙的增加,峰值等熵效率一直降低。当间隙很小时,叶尖间隙的变化对效率的影响并不是很明显。而转子的失速裕度与叶尖间隙的大小并不存在单调的关系,在0.434%叶尖间隙弦长比时达到最大值,此时的等熵效率和压比均很高,说明存在着最佳间隙。     

上游转子对下游静子叶片气动力的影响

为研究轴流压气机下游静子叶片非定常气动力的大小和频率的变化规律，采用在静子叶片表面埋设微型动态压力传感器的方法，在低速单级轴流压气机实验器上进行了静子叶片表面压力的测量。测量了不同轴向间距、不同转速下从近堵塞到近失速的宽广流量范围，并对所测得的静子叶片非定常气动力进行了离散傅立叶变换，以分析其频谱特性。实验结果表明：在转子尾迹的影响下，静子叶片表面的波动频率是转子的尾迹频率及其倍频。转子尾迹频率的高频分量对静子叶片吸力面前缘的影响比对其他位置的影响大。叶片表面的非定常压力和气动力随压气机流量、转速和轴向间距的变化而变化。     

带处理机匣的跨声速风扇非定常数值模拟

对带背腔的斜缝式处理机匣的三级跨声速风扇第一级转子进行了非定常的全三维时间精确的数值模拟计算,研究了机匣处理前后转子稳定裕度和性能的变化。结果表明,这种带背腔的斜缝式机匣可以大幅度地提高转子的稳定工作裕度,同时也会造成效率的降低。通过与光壁机匣对比以及分析处理机匣与转子通道之间的非定常干涉现象,本文认为该处理机匣在跨声速条件下的扩稳机理是激波在处理机匣内沿轴向静压差形成一股吹向转子叶尖前缘的非定常气流,改变了前缘气流的攻角所致。比较机匣处理后定常计算与非定常计算的结果,说明了处理机匣对转子有非定常的作用。     

毫米级平面叶栅的PSP测量

建立了一种新型的非接触式压敏涂料(Pressure Sensitive Paint,PSP)测压系统,设计了一套可拆卸式毫米级平面叶栅实验段,首次应用PSP测压技术测量了有/无叶尖间隙毫米级叶栅叶背表面静压分布.结果表明:由于存在叶尖间隙,叶盆处高压气体通过间隙泄漏流入叶背,使叶背叶尖处压力明显大于叶根处;与无叶尖间隙相比,有间隙时泄漏对叶背表面压力的影响约占叶高1/3,叶背底端受泄漏的影响较小.     

细长旋成体大迎角绕流非定常特性的实验研究

在亚临界流动范围内,通过细长旋成体在无侧滑状态下的脉动压力测量,对大迎角细长旋成体多涡区域的轴向以及周向的压力脉动特性进行了研究,分析了旋成体周向压力脉动幅度及主频与背涡之间的对应关系,发现在多涡区存在一种完全不同于卡门涡脱落时的非定常现象,得到压力脉动主频的斯特劳哈数沿旋成体轴向有逐渐增大的趋势。     

基于压力信号分析的轴流式压气机失速预测

为了得到压气机工作状态的稳定观测点,并建立压气机近喘失速工作状态与压气机压力信号的相关关系,本文针对低速双级轴流式压气机,分别进行了均匀进气及畸变进气条件下不同转速的近喘失速试验,实时动态测量标定压气机由正常工作到失速工况下压力信号,并在时域内提出了一种基于自相关系数的压气机失速预测算法,对进口、出口以及压气机首级转子叶尖位置压力信号预测分析。结果表明所提出的预测算法具有良好的失速预测能力,且发现叶尖处离叶片前缘20%的位置,最适宜作为压气机失速预测的观测点,此时压气机叶尖压力自相关性数据与压气机喘振裕度具有明显的单调相关性。     

风力机叶尖涡特性及其控制

通过数值模拟研究了风力机叶片尖部尾涡强度和控制方法。在叶片尖部设计了不同倾斜角的漩涡扩散器来控制叶尖涡,分析了风力机叶片尖部漩涡特征和叶片表面压力分布情况。同时,研究了叶尖涡强度随风轮尖速比变化规律。研究结果表明,叶尖涡扩散器能够提高叶尖涡涡核的总压,削弱其漩涡强度。在粘性作用下,风力机尾流漩涡耗散更快,可有效地削弱翼尖尾涡的强度,提高叶片效率。     

迎角变化对细长旋成体绕流非定常压力脉动特征的影响

在亚临界流动范围内,通过对尖拱细长旋成体在无侧滑状态下的烟线显示和脉动压力测量试验,揭示了迎角α从0°向90°变化过程中细长体绕流依次经历了四种背涡流动结构:附着流动、对称二涡结构、非对称多涡结构和混合背涡结构.压力的脉动幅度在附着流动和对称二涡结构中沿轴向基本保持不变,在非对称多涡结构中是沿轴向增长的,而在混合背涡结构中却变为沿轴向减少.压力脉动频率值在非对称多涡结构中是沿轴向减少的,而在混合背涡结构中却是沿轴向增长的.     

基于探针管路动态修正的压气机动态总压测试

为方便安全地获取压气机内部多点动态总压信号，采用气动探针将测点压力引出，并通过动态修正还原测点处的压力信号。利用爆破气球装置产生的向下阶跃输入信号和探针响应输出信号，辨识得到探针管路的离散传递函数模型，以此来修正测量信号，获得测点真实压力。所用标定方法能够实现1000Hz以内信号的动态修正，探针信号经过修正后能够消除相位延迟，且管路谐振效应对信号的放大作用显著减小。压气机动态总压测试结果表明:随着进气流量的减小，转子进口叶片通过频率信号幅值逐渐增大，静子出口宽频扰动增强，在近失速点宽频扰动最大；压气机突尖型旋转失速先兆首先出现在转子叶片前缘叶顶附近，而后向叶根方向迅速扩展，并形成全叶高范围的旋转失速团，完全发展的失速团传播速度约为30%转子转速。     

叶尖间隙对小型高速离心风扇气动性能与流场的影响

针对小型高速离心风扇进行了数值与试验研究。离心风扇封闭叶轮与外机匣之间存在0．7mm的间隙，叶轮的转速为34000r／min。构造了有／无间隙的计算模型，使用κ-ω ST湍流模型和非结构网格进行了非定常数值模拟。在一个标准测试平台进行了总体性能的测试，利用CFD技术进行了全三维非定常流场的计算，获得了离心风扇的总体性能和各流动部件的流场结构。由于风扇叶轮与外机匣之间存在的间隙以及叶轮进出口之间的静压差，使得间隙内存在很强的回流，并在叶轮进口处产生很强的流动干涉，从而改变了叶轮进口的流动状况，对离心风扇的总体性能产生很大的影响。     

叶轮机转子叶排非定常旋涡脱落频谱特性研究新方法

在研究叶轮机械转动部件非定常旋涡脱落频谱特性时,难以避免会遇到旋转坐标系向绝对坐标系转换的问题.笔者通过理论推导,得出了坐标转换情况下各个旋转模态的变化规律,总结出两大判读频谱特性的判据.据此判据对动态实验测量结果进行了分析,准确地捕捉到了转子叶排非定常旋涡脱落的典型特征频率.而对后期的PIV流动显形实验结果进行分析时,又进一步验证了理论推导以及实验测量所得结论的正确性.笔者提出的实验分析方法可有效地确定非定常旋涡脱落的特征频率,为实现非定常流动控制以及轴流压气机非定常耦合流型提供重要的依据.     

某型航空发动机高压涡轮叶尖间隙数值分析

为提高现代航空发动机的性能和可靠性，国内外许多研究机构都先后开展了叶尖间隙控制技术方面的研究，而进行叶尖间隙的数值分析是其中的重要内容之一。本文采用有限元数值分析法，结合某型发动机高压涡轮，分析了叶片、轮盘和机匣的热－结构耦合变形及涡轮叶尖间隙的变化规律，得到了较为合理的计算结果。计算分析表明：在发动机快速加、减速的情况下，叶尖间隙的变化较大；涡轮叶片的热响应最快，涡轮盘的热响应最慢；发动机在采用了控制机匣温度的方法后，叶尖间隙得到了有效的控制。     

轴向间距对压气机稳定性的影响

对低速轴流压气机五个轴向间距下的压气机特性进行了试验.通过试验分析了轴向间距对压气机失速点流量,以及对压气机工作于多团旋转失速流量范围的影响,论证了静子在轴流压气机中具有抑制扰动波发展以及增强气动稳定性的作用.实验结果表明,随着转静子之间轴向间距的减小,静子的增稳作用增强,压气机的失速流量减小.     

模拟叶尖间隙流的转动平面叶栅实验方案

通过对动叶叶尖进口端壁附面层的性状分析指出：采用平面叶栅模拟动叶叶尖间隙流时，端壁面静止和仅有端壁面运动进口端壁附面层与真实情况存在较大差异。根据转子静止、静子转动这一相对运动思想研制出动叶叶尖间隙流实验台。通过对叶尖附近叶片表面静压分布和间隙泄漏流量实验测量表明：端壁面与叶片之间的相对运动、进口端壁附面层内速度分布是对叶尖间隙流有重要影响的因素。