跨声速压气机转子旋转失速现象的非定常模拟

为研究跨声速压气机转子失速机理,全周非定常数值模拟了某跨声速压气机单转子的失稳过程。结果表明:该转子由叶尖Spike扰动诱发旋转失速。在小流量稳定工作状态,压气机转子叶尖区域存在"旋转不稳定"(Rotating Instability,RI)流动现象。压气机节流过程中,转子进出口的流量降低,叶尖区流场非定常波动幅值增大。近失速状态时,RI扰动团的典型流场结构"径向涡"在叶尖区域形成堵塞,导致相邻叶片前缘间歇性地出现溢流现象。随着压气机进一步节流,转子叶尖的负荷达到极值,叶片通道尾缘逆压力梯度过大,出现倒流。尾缘倒流的出现又进一步增加通道内的堵塞,最终形成Spike扰动。失速先兆对应的流场结构是沿叶片前缘额线向相邻叶片压力面周向运动的"径向涡"结构。     

进口畸变对轴流压气机流场影响的全通道数值研究

采用全通道非定常数值模拟方法研究了进口畸变对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中通过在进口径向段设置栏杆的方式产生畸变,非定常数值计算结果表明进口总压畸变后降低了压气机转子的性能,失速裕度减小了3.1％.通过详细地分析压气机进口延伸段及内部流场表明,畸变后在转子上游进口环面上出现低值进气角区,促使部分通道叶顶吸力面附面层分离起始位置靠前,造成通道内堵塞严重,并使叶顶间隙泄漏流在更高叶展前缘处溢流到相邻叶片通道进而诱发转子失速,进口均匀时压气机失速主要是由叶顶间隙泄漏流引起的堵塞造成.     

轴流压气机叶顶泄漏流与突尖先兆失稳机理的研究进展

首先回顾了近几十年来国际上在轴流压气机内部流动失稳机理方面具有代表性的研究成果,然后介绍了作者研究团队从叶顶泄漏流的视角研究压气机失稳机理所开展的主要工作,研究结果证实了叶顶泄漏流非定常性在低速亚声和高速跨声压气机转子中存在的普遍性,揭示了在节流直至失速工况过程中叶顶泄漏流的非定常波动和三维空间结构特征。主要表现为:(1)叶顶泄漏流由定常变为非定常波动,且非定常波动强度不断增强。(2)泄漏流与主流交界面的轴向位置不断向叶片前缘移动,最终溢出叶片通道,并诱发突尖失速先兆。这两方面特征的内在驱动力是节流过程中不断提高的泄漏流与主流轴向动量比。这些研究成果在发展主/被动扩稳技术和阐释扩稳机理研究中凸显出重要的应用价值。     

转子叶尖端壁失速特性试验研究

为了研究转子叶尖端壁的失速特性,对一台单级低速轴流压气机进行了节流特性试验,采用转子叶尖端壁弦向布置动态压力传感器的方法测得了整个节流过程的动态压力信号,并对其进行壁面压力谱分析及均方根压力脉动分析。结果表明:压气机逼近失速的过程中泄漏涡的轨迹及触发点的位置逐渐向转子前缘移动,失速时泄漏涡轨迹从邻近叶片通道的转子前缘溢出;压气机向深度失速逼近的过程中失速团的周向尺度增大,退出失速的过程中周向稳定为两个失速团,其周向尺度逐渐减小但失速团的转动频率保持不变约为30Hz,并在退出失速前3个转子周期两个失速团合并为单个失速团。     

跨声速轴流压气机间隙泄漏流触发旋转失速

通过对跨声速轴流压气机NASA转子37进行单通道定常及多通道定常、非定常数值模拟,单通道定常数值模拟结果与实验结果能较好吻合。多通道非定常数值模拟结果显示,间隙泄漏流及其与激波干涉的非定常振荡,触发突尖型旋转失速先兆,具体表现为叶顶前缘间隙泄漏流溢出。失速团首先在叶顶处形成,且速度约为80%转速。随着流量的下降,失速团进一步发展,在失速通道内,激波与叶片前缘完全分离,且在叶片尾缘出现回流。当转子完全数值失速时,失速团周向尺度约为4个通道,且径向占据约半个叶高。     

低雷诺数下跨声速压气机转子失速工况时流动失稳触发过程研究

采用非定常数值方法模拟了低雷诺数条件下NASA Rotor 37跨声速压气机转子内部流动失稳机制.结果表明,随着压气机失速工况的推进,附面层径向涡不断扩大和增强,由附面层径向涡引发的叶顶附面层分离阻塞区不断向叶片前缘移动,直至与叶顶压力面前缘附近由激波和间隙泄漏流诱发的阻塞区相结合,使叶顶通道来流完全被阻塞,最终触发压气机流动失稳.      

间隙流触发压气机内部流动失稳机制及周向槽扩稳机理

利用高频响动态压力传感器对某低速轴流压气机转子的失速先兆和顶部流场进行了详细的测试,探明该压气机内部存在与叶顶间隙泄漏流相关的突发型失速先兆,对压气机转子内部流场进行了单通道定常和非定常数值模拟,详细分析了压气机内部流动失稳过程中顶部流场结构的变化,揭示顶部间隙泄漏流触发轴流压气机内部流动失稳机理.在此基础上,利用周向槽处理机匣结构对顶部间隙泄漏流进行控制,并探讨了周向槽处理机匣结构提高压气机稳定工作裕度机理.      

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.     

轴流压气机转子叶尖二次涡的试验验证及形成机理

对轴流压气机转子机匣壁面静压进行动态测量,采用小波分析方法处理近失速工况动态压力测量信号,功率谱显示在与二次涡相近的频率上存在较高的能量带,能量峰值沿轴向的衰减与二次涡的变化规律相符,表明二次涡在流场中存在是可能的。针对相同转子进行全通道非定常数值模拟,计算结果表明,近失速工况下,转子圆周每个通道叶顶附近均存在规律一致的二次涡运动。叶片中后段间隙泄漏流与间隙泄漏涡破碎产生的低能流体相互作用,在泄漏涡破碎形成的堵塞区域中形成二次涡。二次涡运动使得近叶顶载荷分布发生变化,从而导致近叶顶流场出现了一种周期性的自维持的非定常流动现象。     

轴流风扇旋转失速时的流场测量与分析

针对渐近型旋转失速在一轴流风扇上进行了一些测量工作,包括失速时的激光平均流场测量和热丝动态测量两大类。激光平均流场研究表明失速团主要活动在风扇转子前缘,而转子叶片通道中的流场则主要表现为叶尖间隙流的横向堵塞流动。      

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.     

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。     

对转压气机外伸激波对叶顶泄漏流影响

摘要:为了揭示对转压气机下游转子外伸激波对上游转子泄漏流的影响规律,针对上游转子叶顶间隙分别为0.2、0.5、0.8 mm的对转压气机开展了非定常数值模拟研究。研究发现:受下游转子外伸激波掠扫影响,上游转子尾缘附近压力面会形成弱压缩波,且随上游转子泄漏流增强而逐渐减弱;而该外伸激波在上游转子尾缘附近吸力面,会形成与型线切向相垂直的较强压缩波,且其位置基本不受叶顶间隙大小影响;外伸激波使上游转子尾缘附近吸、压力面压差增大,叶顶泄漏流增强,进而导致其损失增大;随着叶顶间隙增大,上游转子叶尖区弦长前半段压力波动的频率,由通道激波转为叶顶泄漏流主导,且呈现减小的趋势,而弦长后半段压力波动的频率主要由外伸激波主导,且基本不变。      

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。      

轴流压气机转子近失速工况点叶尖区流动非定常性分析

为了揭示某轴流压气机转子近失速工况点叶尖区域流场的非定常变化及其形成机理,采用定常和非定常数值模拟方法对其内部流场进行了全三维的数值模拟。通过和已有的试验测量结果进行对比分析表明,预测的总性能及基元性能与试验结果取得了很好的一致性。近失速工况点的非定常模拟结果表明,压气机的总性能及叶片承受的扭矩出现了周期性的波动,其波动周期约为转子通过频率的2.5倍。进一步详细分析叶尖区流场的瞬态流动结构发现,间隙泄漏涡在近失速工况下出现了泡式破碎,破碎的泄漏涡、主流以及来自相邻叶片的间隙泄漏流相互作用形成了另外一个特征明显的旋涡(命名为叶尖二次涡)。该旋涡的形成、发展和运动是压气机的总性能出现周期性波动的主要原因。     

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。      

自循环机匣处理轴向位置影响扩稳能力的机理

为了揭示自循环机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理，采用非定常数值方法研究了3种不同轴向位置对机匣处理（CT）扩稳能力的影响，结果表明:机匣处理喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的扩稳能力最强，喷气装置在叶顶前缘正上方的次之，喷气装置在叶顶前缘上游较远处的最弱，对应机匣处理获得的综合失速裕度改进量分别为9.40%，7.09%，5.49%.通过详细地分析压气机叶顶流场表明:喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的机匣处理施加有利影响程度最高的范围刚好覆盖叶顶前缘处，此处是引起转子失速的关键部位，因此抑制叶顶间隙泄漏流造成的堵塞的效果最好，对应的扩稳能力在3种机匣处理中最强.      

Experimental and numerical study of tip injection in a subsonic axial flow compressor

Parametric study of tip injection was implemented experimentally on a subsonic axial flow compressor to understand the underlying flow mechanisms of stability improvement of the compressor with discrete tip injection.Injector throat height varied from 2 to 6 times the height of rotor tip clearance,and circumferential coverage percentage ranged from 8.3％ to 25％ of the annulus.Static pressure fluctuations over the rotor tip were measured with fast-response pressure transducers.Whole-passage time-accurate simulations were also carried out to help us understand the flow details.The combinations of tip injection with traditional casing treatments were experi mentally studied to generate an engineering-acceptable method of compressor stall control.The results indicate that the maximum stability improvement is achieved when injectors are choked despite their different sizes.The effect of circumferential coverage percentage on compressor stabil ity depends on the value of injector throat height for un-choked injectors,and vice versa.Tip blockage in the blade passage is greatly reduced by the choked injectors,which is the primary reason for stability enhancement.The accomplishment of blockage diminishment is maintained in the circumferential direction with the unsteady effect of tip injection,which manifests as a hysteresis between the recovery of tip blockage and the recovery of tip leakage vortex.The unsteady effect is primarily responsible for the effectiveness of tip injection with a partial circumferential coverage.Tip injection cannot enhance the stability of the rotor with axial slots significantly,but it can improve the stabil ity of the rotor with circumferential grooves further.The combined structure of tip injection with circumferential grooves is an alternative for engineering application.     

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。