跨声速压气机转子近失速工况非定常流动及相关机理研究

为了探究近失速工况下,跨声速压气机转子中非定常流动及相关流动机制,采用多通道全三维数值模拟方法对跨声速转子其内部流场进行了数值模拟,并利用已有的实验数据对计算结果进行了校核。对近失速工况探针监测结果的分析表明:流场中出现了非定常扰动,且扰动最活跃的区域位于近叶尖通道靠近叶片前缘的压力面侧;随着流量的降低,非定常扰动的幅值增大,波动周期变长。对近叶尖瞬态流场的分析表明:流场中的一个不同于泄漏涡的涡结构(命名为叶尖二次涡)的出现及其沿流向的发展诱发了非定常静压扰动,而且其强度随着流量的降低而增强,由此导致了非定常扰动的周期变长,振幅增加。伴随着叶尖二次涡强度的增加,叶顶通道的阻塞以及由叶尖二次涡诱发的“前缘溢流”也随之增强。因此,叶尖二次涡的出现及其强度的变化是影响该跨声速转子流动稳定性的主要因素之一。     

压气机叶顶流动不稳定性试验和数值研究

为了研究大叶顶间隙下压气机的流动失稳演化过程和物理机理,以某单级轴流压气机试验台为研究对象,利用布置于机匣壁面的动态压力传感器测量叶顶流场的脉动特征,利用全通道数值模拟获得与流场失稳发展相关的非定常流动细节。结果表明：随着流量减小压气机内部流动经历了稳定状态、旋转不稳定性和旋转失速3个阶段,叶顶泄漏涡的两种临界行为与不稳定性模式的转变有关。当叶顶泄漏涡移动到相邻叶片尾缘时,在与相邻叶片的干涉作用下开始随时间振荡,导致了小尺度的扰动沿周向传播,即旋转不稳定性。在近失速工况下,叶顶泄漏涡与主流交界面超过叶片流道进口平面,导致前缘溢流,并伴随着前缘径向涡的周期性产生、周向迁移和衰减。此时,前缘径向涡沿周向几乎呈均匀分布,构成了有序传播的扰动。随着压气机被进一步节流,前缘径向涡的有序传播被破坏,形成了局部聚集的分布特征,从而产生了局部堵塞更强、熵更高的失速团。     

轴流压气机转子旋转不稳定性检测及机理探讨

为了探究固定通道中叶尖泄漏流非定常性引起旋转不稳定性(RI)的物理机理,以轴流压气机转子为研究对象分别进行试验和数值研究。通过对机匣壁动态压力信号的分析获取其叶尖流场的非定常特征,发现RI仅在靠近失速边界的狭窄的流量范围工况出现,RI的模态随时间变化。在此基础,采用五通道的数值模拟方法对该转子的内部流场进行了研究。结果表明,数值模拟流场中出现的静压扰动的变化规律和频率特征与试验测量结果一致,多通道的数值模拟成功地预测出RI产生的过程。进一步的流场分析表明,固定通道中出现了泄漏流自诱导非定常性,其对通道压力面近叶尖区压力分布的影响使得相邻叶片的泄漏流也出现自诱导非定常性,该过程在叶尖环面沿周向传播导致了RI现象的出现。     

轴流压气机失速点流场特性数值研究

通过对三个单转子跨声速轴流压气机的数值模拟,考察了近失速点的流场特征.结果表明,Vo等人提出的尖峰型失速判别准则,即前缘溢流和尾缘倒流必须都出现则失速发生,并没有与本文所有箅例吻合;在部分算例中,尾缘倒流并未出现.因此,尾缘倒流是发生尖峰型失速的必要条件、还是失速发生后所导致的流动状况,还需要进一步研究.另外,还对亚声速和跨声速情况下近失速点的流场及流动机制进行了讨论.     

跨声速压气机转子叶尖流场旋转不稳定现象的数值研究

对某跨声速压气机转子在不同工作流量下的叶尖非定常流场进行了数值研究.结果显示:大流量状态下,该转子叶尖流场几乎不发生振荡.此时,叶尖流场可以按定常流场进行分析;小流量状态下,叶尖泄漏涡大幅振荡,相邻叶片通道内的叶尖泄漏流之间也存在周期性相互干涉.其结果是在稳定状态时出现由于叶尖泄漏涡的振荡及其周向传播造成的"旋转不稳定"现象."旋转不稳定"流场结构主模态旋涡个数大约为40%的叶片通道个数;其周向尺度占据2~3个栅距.     

高负荷压气机气弹效应对叶顶间隙流影响数值研究

以NASA Rotor 67跨声速压气机转子为研究对象,在刚性叶片条件下进行了内流场非定常流动分析,并以此为基础,应用双向流固耦合(FSI)方法分析了该压气机在近失速点工况下气弹效应对叶顶间隙区流场的影响。通过对比分析,研究了刚性叶片与柔性叶片条件下该压气机的宏观非定常波动特征,分析了气弹效应对宏观性能波动频率、叶尖附面层分离起始点与尾缘涡脱落频率的影响,给出了叶片振动对前缘处宏观性能波动频率的影响大于尾缘处的原因。研究了气弹效应对叶顶间隙泄漏涡运动轨迹、波动频率以及作用范围的影响。结果显示,气弹效应使得尾缘处宏观性能以及泄露涡的波动频率分别增大了33.2%、2.28%,叶尖附面层分离涡与尾缘脱落涡的波动频率分别降低5.75%、0.75%,同时使得叶尖附面层分离起始点前移。     

低速轴流压气机叶尖非定常流动试验

利用动态压力传感器对一低速轴流压气机转子的叶顶间隙流场进行详细的试验测量,通过对信号特征的分析,对压气机节流过程中叶顶间隙的非定常流动发展演变规律进行了研究。结果表明：压气机完全失速时,叶尖存在一以46.5%转子转速周向传播的失速团;节流过程中,叶尖前缘处的动态压力信号中存在非定常波动的特征频率带,其变化规律与叶顶流场压力非定常波动的能量迁移有关;随着压气机流量减小,叶顶泄漏流影响区域向前缘移动,失速团在叶顶前缘附近产生,并向尾缘方向扩展,最终覆盖叶片全部弦长;近失速工况时,叶顶间隙相邻通道内泄漏流相互作用,造成通道中的低压区“一前一后”交替分布从而形成一个空间上周期约2个叶片通道的扰动波。     

旋转进口畸变频率对跨声速压气机稳定性影响的数值研究

为了研究旋转进口畸变对于压气机失速过程的影响,以及探讨最易诱发压气机失速的扰动频率即特征频率存在性的问题,采用非定常方法计算研究了4种不同频率的进口旋转畸变对跨声压气机Rot or37失速起始过程的影响。结果表明:在同样幅值条件下,当旋转频率与失速扰动频率相近时的畸变会引起失速,反之亦然;进口畸变的低压区引起部分叶片通道内流动结构失稳后,在叶尖泄漏涡破碎的作用下通道内形成严重堵塞,从而导致压气机失速。该方法能够较好地描述转子中失速团的发展过程,同时得出了进口畸变频率对失速过程影响的物理机制。     

对涡旋流影响压气机转子性能和稳定性的研究

为研究对涡旋流影响跨声速轴流压气机性能和稳定性的机理,设计了一种叶片式旋流发生器,并对旋流发生器和跨声速单转子进行了联合数值模拟研究。计算结果表明旋流发生器叶片数越少,对涡强度越低;对涡旋流导致压气机总压比、峰值效率、稳定工作范围和堵塞边界流量减小,失速边界流量增大,对涡强度等于60°时峰值效率和堵塞边界流量分别降低1.11%和2.12%,失速边界流量增加4.17%;对涡中的同向涡导致叶尖进口攻角增加,进口相对马赫数减小;反向涡使叶尖进口攻角降低,进口相对马赫数增大;对涡前缘的轴向速度偏低,造成叶尖进口攻角大幅增加,叶尖泄漏流堵塞严重;由于叶尖泄漏流在叶片前缘溢流导致失稳。     

跨声速压气机转子的二次流旋涡结构

为了明确跨声速轴流压气机内部流场结构,数值模拟了NASA Rotor37转子,结合λ2准则分析流场参数,探索流动的规律和旋涡结构。研究发现,压气机转子的旋涡模型主要由马蹄涡、壁角涡、径向涡、脱落涡、泄漏涡、诱导涡和分离涡等7个旋涡组成。马蹄涡吸力面分支耗散,压力面分支向相邻的吸力面发展。壁角涡与脱落涡位于叶根角区,引起流动损失和角区失速。径向涡位于激波后吸力面的分离区内,它扩大吸力面分离、引起低能流体向叶顶堆积。激波与叶尖泄漏在叶顶通道中形成3涡:泄漏涡、诱导涡和分离涡,而叶栅通道出口存在分离涡和由泄漏涡与诱导涡合成的叶顶通道涡。泄漏涡与诱导涡破碎在流道中间产生的堵塞区,分离涡造成吸力面尾缘的低速区,共同触发跨声速压气机的失稳。     

带周向单槽的低速轴流压气机失速起始过程

为了深入认识周向槽轴向位置对压气机失速机制的影响规律,针对某叶尖敏感的低速单转子压气机开展实验测量与数值模拟相结合的研究。实验与计算结果均表明,位于叶片弦长中部的周向单槽扩稳效果最好,而位于叶片前缘下游20%~30%轴向弦长位置的周向单槽扩稳效果最差。进一步分析了利用非定常、多通道计算模型获得的数值结果,发现对于光壁机匣和扩稳效果最好的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下到达叶片前缘位置,压气机通过突尖型失速先兆进入失速状态;对于扩稳效果最差的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下仍位于叶片通道内部距离叶片前缘20%的轴向弦长位置,压气机经历了由准模态型失速先兆向突尖型失速先兆转换的失速起始过程。     

Dual stability enhancement mechanisms of axial-slot casing treatment in a high-speed mixed-flow compressor with various tip clearances

The influence of Axial-Slot Casing Treatment (ASCT) on the performance and stability enhancement mechanisms of ASCT were experimentally and numerically investigated in a high-speed mixed-flow compressor under three different tip clearances. Unsteady simulations showed the compressor stalled through end-wall stall route, i.e. the spike stall inception originating from rotor tip region, which was validated by dynamical measurements. When the ASCT was applied, greater than 20% of Stall Margin Improvement (SMI) could be achieved for the compressor under each tip clearance size. The streamwise velocity contours and flow structures in the tip region and axial slots were deeply analyzed to explore how the so called “suction and injection effects” generated by the ASCT manipulate tip clearance flow and enhance the stability of compressor under different tip clearances. It was found that the dominant stability enhancement mechanisms of ASCT varies with tip clearance size for the mixed-flow compressor. (A) For the small tip clearance, the dominant mechanism of stability enhancement is the blockage reduction generated in the blade passage by the suction effect of ASCT. (B) For the large tip clearance, the injection effect of the ASCT is the dominant mechanism of stability enhancement with ASCT, which plays the leading role in delaying the spillage of incoming/tip leakage flow interface at the rotor Leading Edge (LE) plane.     

雷诺数对轴流压气机转子非定常流动的影响

针对某轴流压气机转子,结合地面试验采用5通道的数值模拟方法在两个海拔高度下对该转子进行数值模拟,分析雷诺数(Re)对压气机中非定常流动的影响。在地面条件下数值模拟绝对坐标系下的频率均落于试验旋转不稳定(RI)的驼峰频率带宽范围内。相对坐标系下相邻通道的数值监测信号互功率谱证明了压气机中周向扰动的存在。该周向扰动的产生是泄漏流与叶顶载荷分布周期性相互作用的结果。高空20 km下压气机中存在特征频率不同的多个周向扰动。此时在叶片近吸力面的尾缘处存在较大范围的流动分离区,由此引起的径向低能流体与叶顶间隙泄漏流相互作用,并共同影响叶顶载荷分布,引起低雷诺数下压气机流动非定常性周向传播。      

叶顶微喷气提高旋转畸变条件下低速轴流压气机失稳裕度的机理分析

对旋转畸变条件下轴流压气机的失稳特性进行了实验研究,结果表明,畸变影响区内叶顶泄漏流的前缘溢出造成了旋转失速的提前发生,缩减了压气机的失稳裕度.叶顶微喷气方法有效地提高了旋转畸变条件下轴流压气机的失稳裕度,其原因在于,实施叶顶微喷气后,临近失速时,压气机顶部畸变区诱发的分离团受到抑制,减少了其诱发旋转失速的可能性,从而实现扩稳目的.      

叶尖掉块对跨声速压气机气动性能影响

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨音速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰减;掉块叶片产生的流动堵塞和吸力面气流的膨胀加速会影响到吸力面侧的掉块叶片,进而限制泄漏流的发展,使得流动堵塞和损失维持在较低水平,但这种影响会随着掉块叶片距离的增大而减弱。     

压气机转子叶尖区域流动特征的观测与分析

为了揭示压气机转子内部真实流动的演化过程并分析其背后的流动机制,采用示迹线显示空气流动的方法对某低速轴流压气机转子流场进行了直接观测,同时结合多通道非定常数值模拟技术分析了转子叶尖区域流动特征及其形成机制.结果表明:叶片上的示迹线直观形象地显示了转子内部复杂流动随压气机工作状态变化的演化过程.即随着压气机转子节流,叶顶间隙泄漏流的轨迹不断向上游移动,到达近失速工况时,泄漏流与来流的交界面与转子叶顶前缘平齐,与此同时转子叶尖吸力面附近出现了大面积的回流,且回流的气体均向叶顶前缘聚集.通过进一步研究发现叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量之比随转子流量系数减小而不断增大是导致泄漏流轨迹前移及叶顶回流区扩大的物理机制.     

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。