非定常机匣处理对失速先兆波的抑制作用实验研究

非定常机匣处理在不影响效率的前提下可以明显提高压气机的稳定工作范围,针对这种通过改变斜槽和气室来调节壁面阻抗边界条件的新型处理机匣,从非定常角度,开展其对失速先兆波产生及发展的影响的实验研究.在压气机转子前缘附近沿圆周均匀布置八支高频响压力传感器,采集壁面动态压力信号,进行周向傅立叶分析(SFT)和功率谱密度分析(PSD),捕捉到旋转失速先兆波的出现和发展的动态细节,比较光壁和处理机匣两种情况的结果,证实了处理机匣并非阻止了失速先兆波的出现,而是有效的抑制了其非线性发展.非定常机匣处理改变了压气机系统的阻抗边界条件,能够在全过程中对低频扰动波进行有效的抑制,从而推迟旋转失速的发生,实现压气机的扩稳目的.      

Flow Stability Model for Fan/Compressors with Annular Duct and Novel Casing Treatment

A three-dimensional compressible flow stability model is presented in this paper, which focuses on stall inception of multi-stage axial flow compressors with a finite large radius annular duct configuration for the first time. It is shown that under some assumptions, the stability equation can be obtained yielding from a group of homogeneous equations. The stability can be judged by the non-dimensional imaginary part of the resultant complex frequency eigenvalue. Further more, based on the analysis of the unsteady phenomenon caused by casing treatment, the function of casing treatment has been modeled by a wall impedance condition which is included in the stability model through the eigenvalues and the corresponding eigenfunctions of the system. Finally, some experimental investigation and two numerical evaluation cases are conducted to validate this model and emphasis is placed on numerically studying the sensitivity of the setup of different boundary conditions on the stall inception of axial flow fan/compressors. A novel casing treatment which consists of a backchamber and a perforated plate is suggested, and it is noted that the open area ratio of the casing treatment is less than 10%, and is far smaller than conventional casing treatment with open area ratio of over 50%, which could result in stall margin improvement without obvious efficiency loss of fan/compressors.     

Experimental investigation on SPS casing treatment with bias flow

Generally, casing treatment（CT） is a passivity method to enhance the stall margin of fan/compressor. A novel casing treatment based on the small disturbance theory and vortex and wave interaction suggestion is a method combining passive control and active control, which has been proved effective at enhancing the stall margin of fan/compressor in experiment. In order to investigate the mechanism of this kind of casing treatment, an experimental investigation of a stall precursor-suppressed（SPS） casing treatment with air suction or blowing air is conducted in the present paper. The SPS casing treatment is designed to suppressing stall precursors to realize stall margin enhancement in turbomachinery. The experimental results show that the casing treatment with blowing air of small quantity can improve the stall margin by about 8% with about 1% efficiency loss. By contrast, the SPS casing treatment with micro-bias flow does not improve the stall margin much more than that without bias flow, even worse. Meanwhile, the present investigation has also attempted to reveal the mechanism of stall margin improvement with the casing treatment.It is found that the stall margin improvements vary with the modification of the unsteady shedding flow and the unsteady wall boundary impedance. The experimental results agree fairly well with the theoretical prediction using a flow stability model of rotating stall.     

非定常机匣处理扩大压气机稳定裕度实验

从非定常角度出发,设计了一种通过改变斜槽和气室来调节壁面阻抗边界条件的非定常处理机匣,并对其开展扩大轴流风扇/压气机旋转失速稳定性的实验研究.研究工作包括:对非定常处理机匣进行流量-压比特性实验,研究其扩稳效果;对处理机匣的结构参数(斜槽、气室)进行可调节特性实验;对机匣处理的效率特性进行实验评估.结果表明:这种非定常机匣处理在三台低速风扇/压气机实验台上,通过调节机匣参数,不仅能够实现在不同的工作转速下对压气机稳定裕度有显著效果,而且效率没有明显改变.      

包含处理机匣影响的压气机旋转失速稳定性模型

通过引入等价分布源方法,建立了处理机匣非定常壁面边界条件的数学模型,从而可以计算处理机匣对压力扰动波的影响。同时,将这一计算模块引入稳定性模型中,发展了可以包含处理机匣影响的稳定性模型。与某低压压气机以及NA SA的37号压气机的实验结果对比表明,所发展的三维旋转失速稳定性模型完全满足预测压气机稳定性的需求。此外,对37号压气机的数值计算表明,处理机匣的结构参数,如长度、背腔高度和壁面开孔率等都对稳定性有影响。理论上表明可以通过设计这些结构参数达到扩大压气机稳定性裕度的目的。      

轴流压气机动态失速过程三维计算方法研究

基于三维非定常欧拉方程和三维激盘模型发展了一种用于研究轴流压气机动态失速过程的三维计算方法。利用该计算方法研究了某型高压压气机第一级的动态失速过程,并就转子总静压升特性的三种不同径向分布对失速过程的影响进行了分析。计算结果表明该方法能够反映出压气机的三维动态失速过程、失速团的三维空间结构,并能有效地表现出转子沿径向的特性变化对压气机气动稳定性的影响,而且还能够用于判断压气机的危险截面。     

叶尖泄漏流对压气机稳定性影响的数值分析

为研究叶尖泄漏流对稳定性的影响,发展了一种叶尖泄漏涡模型,并且在由课题组开发的TUSIAC(three dimensional and unsteady stall inception analysis code)程序中实现。该程序将转/静子叶排模化为三维激盘,并在无叶区求解三维非定常欧拉方程,黏性的影响通过特性曲线体现,因此对计算资源的要求较低。数值模拟的结果表明:在叶尖间隙的影响下,压气机的性能和稳定裕度均有所下降。叶尖间隙不改变失速先兆的类型,但使得失速团旋转速度加快,周向尺寸减小。所发展的叶尖涡模型能够预测叶尖间隙尺寸对压气机稳定边界与失速起始过程的影响,从而为在设计初期考虑压气机的气动稳定性、并且优化压气机设计,提供了一种较为实用的方法。      

扰动波对轴流压气机旋转失速的影响

提出了考虑轴流压气机进出口气流角和非定常损失变化的二维旋转失速稳定性模型,进行了数值分析和讨论。计算结果表明压气机前方的扰动波对压气机旋转失速稳定性有一定的影响,压气机本身的结构形式以及压气机上、下游结构对扰动波的传播速率有重要影响     

压气机三维非定常动态失速过程试验研究

 以一台双级低速轴流压气机为研究对象,采用在压气机周向、径向和轴向不同位置处布置多个动态压力传感器的方法,获取了动态失速过程中不同位置动态压力信号的变化情况,对各截面的动态总压信号分别进行了时域、频域和时频分析。研究结果表明：压气机的失速类型是单团全叶高旋转失速;失速团形成前只出现了模态波扰动;模态波式动态失速过程具有三维非定常的特征,模态波扰动和失速团首先在压气机的局部位置形成,然后沿着轴向和径向扩散至其他位置,最终占据各叶排所有叶高位置。     

低速轴流压气机旋转失速演化机制研究

为深入探讨轴流压气机旋转失速机理,利用全环非定常数值模拟在出口边界添加节流阀模型模拟压气机节流过程,通过试验测量与数值模拟结果对比分析,澄清了低速轴流压气机失速先兆及失速团的产生和演化过程。研究结果表明：压气机在转子叶片安装角存在几何偏差的情况下,spike型失速先兆是由2阶模态的整阶扰动演化而来,并最终直接形成2个大尺寸全叶高的失速团;与轴对称转子模型相比,考虑存在几何偏差的转子模型的数值模拟结果更为接近试验测量结果。     

进气畸变下压气机过失速三维非定常模型探索

针对原压气机稳定性三维分析模型CSAC(compressor stability analysis code)加以改进,添加了轴对称左支特性。采用改进的CSAC+模型分析了NASA Rotor37在周向总压进气畸变下的稳态性能和失速起始特性,并与软件NUMECA模拟结果进行了对比,两者模拟的特性趋势一致,畸变进气下CSAC+近失速点压比与NUMECA的误差为1.05%。针对近失速点流场分析发现:随着流量的减小,在畸变区边缘的转子叶尖首先出现低速甚至逆流区,可认为该区域为失速起始位置。利用CSAC+模拟了该压气机过失速状态下的主要流动特征,分析得出进气畸变下该失速先兆为模态波,完全发展后为部分叶高失速,失速团占据约40%叶高,其传播频率约为转子转动频率的60%,并在传播过程中显示出周期性的剥离和融合过程。      

处理机匣情形下的轴流压气机转子失速

为了解在处理机匣作用下的压气机转子失速点流动,采用非定常模拟方法对跨声轴流压气机转子在带气室斜槽处理机匣情形下的流动进行了模拟研究,获得了高、低转速下的转子特性,并针对近失速点流场进行了分析.结果表明,在处理机匣的作用下,转子失速的主要产生原因与实壁情形不同.在失速点,处理机匣有效地抑制了叶尖泄漏流的负面作用,但由于不能更多地吸纳叶尖的低能流体,使得叶片吸力面附面层中向叶尖迁移的低流向动量流体堆积于叶尖吸力面尾缘处,形成严重的流动堵塞,从而导致转子叶尖失速.      

低速轴流压气机旋转失速特性试验

在一台双级低速轴流压气机上进行了均匀进气时的全流量特性试验研究,重点分析了该压气机旋转失速特性随流量系数的变化情况和失速起始特性.试验结果表明,压气机在失速前出现模态波扰动,其传播频率约等于40%转子旋转频率,范围贯穿整台压气机;压气机第二级在模态波扰动诱导下率先进入旋转失速,初始失速团旋转速度为83.3%转子转速;失速团在向第一级扩散传播过程中,其旋转速度逐步降低,最后稳定在41.9%转子转速;失速团旋转频率随着流量系数的降低而减小;失速团范围随着流量系数的减小而逐渐增加.      

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。     

反叶片角向缝机匣处理影响轴流压气机性能的机理

采用试验和非定常数值模拟方法研究了反叶片角向缝机匣处理对亚声速轴流压气机性能的影响.试验与数值计算结果均指出反叶片角向缝机匣处理后,转子在降低12%左右最大等熵效率的基础上获得30.1%左右的失速裕度改进量.详细的转子叶顶流场分析表明反叶片角向缝机匣处理改善了叶顶间隙泄漏流动,消除了实体壁机匣时叶顶通道低速泄漏流形成的堵塞,因此转子稳定性得以提高.同时转子叶片与处理缝的相对位置变化会影响处理缝的扩稳能力.处理缝中回流、处理缝形成的喷射流与叶顶通道主流的相互作用都造成较大的流动损失,进而使转子等熵效率降低.反叶片角向缝机匣处理前移约55%叶顶轴向弦长的数值研究结果表明,与反叶片角向缝机匣处理比较,反叶片角向缝机匣处理前移获得的失速裕度改进量降低约10.4%,但等熵效率的恶化程度降低近64%.      

用小波变换对机匣处理抑制旋转失速的机理研究

本文利用小波变换对轴流压气机旋转失速时的压力信号进行时频分析。通过Ｍｏｒｌｅｔ连续小波变换,详细分析压气机失稳过程中非定常信号的变化,并研究旋转失速初始扰动信号在处理机匣气室中的局部行为。通过对比实壁机匣与处理机匣的失速初始信号相干波形的结构特性,发现不同机匣结构对相干波形结构中压力脉动信号的不同影响,提出处理机匣抑制旋转失速初始扰动发展的机理。     

旋转畸变对模态波发展过程影响试验

为探究"危险频率"的物理机制,设计了旋转畸变发生器,对旋转畸变条件下两级低速轴流压气机的失速起始过程进行了试验研究.结果表明:该旋转畸变发生器在不同转速下均能输出类方波状的总压分布.旋转畸变导致压气机总静压升特性下降和稳定裕度损失,并且存在使压气机稳定裕度损失最大的畸变旋转频率.失速起始过程中模态波产生于畸变区,传播到非畸变区时会受到抑制.当畸变旋转频率等于模态波的传播频率时,模态波发展为旋转失速所需的时间最短,压气机稳定裕度损失最大.对失速起始信号的时频分析显示"危险频率"在数值上等于模态波的传播频率.     

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.      

跨声压气机缝式处理机匣非定常模拟研究

在Rotor37单级跨声压气机上进行了斜缝、带气室斜缝和半圆斜缝处理机匣下的压气机全三维非定常数值模拟.结果表明,缝式处理机匣的扩稳与其对泄漏流的影响和利用压差进行泄漏涡抽吸密切相关,在足够导通能力下,所利用的压差越大,抽吸能力越强,扩稳效果越明显.气室可通过改善斜缝输运条件来提高压气机裕度,而叶片角向斜缝则能通过增大斜缝进出口压差来进一步提高抽吸能力,但同时也带来了压比和效率的损失.      

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。