积垢对离心压气机性能的影响分析

以某型离心压气机为研究对象,利用流场仿真软件对不同污染程度的压气机性能进行数值计算,对比流场特性的变化,分析了积垢造成压气机性能损失的程度。结果表明：积垢对离心压气机性能的主要影响是降低压气机效率,原因是积垢改变了叶片表面粗糙度,增加了摩擦损失;扩大了叶片后缘和出口附近的低速回流区的范围,增强了回流强度,加大了流动损失。     

单级压气机性能衰退定量研究

压气机叶形改变会导致其性能的下降.以往计算其性能衰退通常假定叶形表面变化是均匀的,或在性能模型中引入损失系数,结果会产生误差.采用在易积垢部位增加随机尺寸的方法来模拟叶片积垢等原因造成的形状改变,并分析了叶片积垢、叶顶间隙增大等因素对压气机性能的影响.通过仿真获得了压气机在各种不同工况下性能定量衰退程度,以及压气机叶片表面气流流场、总温的变化情况.结果对发动机性能衰退研究和故障分析具有一定的理论与应用价值.      

基于数学模型的压气机叶片积垢研究

对压气机叶片积垢数学模型进行比较分析,选取平板叶栅-恒定速度模型为积垢计算模型。提出了压气机各级积垢分布的数学模型,并对压气机的积垢敏感性进行分析。以0～20μm尺寸的积垢微粒为研究对象,针对叶片不同积垢微粒尺寸分布模型,通过仿真得到了压气机各级积垢无因次化质量分布模式,和不同叶片条件下的层积垢累积率。仿真结果表明:积垢与压气机各级的几何尺寸和流动特性密切相关,积垢微粒尺寸分布是决定积垢水平的重要因素。本研究可为压气机叶片积垢研究提供参考。     

积垢对轴流压气机性能的影响分析

压气机叶片表面积垢黏附是压气机性能衰退的重要原因。为了提高压气机的清洗效果,合理安排清洗次数,降低发动机使用维护成本,开展积垢对压气机性能影响研究。根据轴流压气机的叶型和几何结构数据建立压气机3维模型,通过增加叶片的厚度模拟积垢黏附在叶片表面后叶型的变化,采用在叶片表面增加较小的随机尺寸的方法高度模拟轴流叶片表面粗糙度的变化。对洁净状态和不同污染状态的轴流压气机性能进行数值模拟计算,仿真结果表明:在相同转速下,随着压气机叶片污染程度的加重,压气机的压比和效率都会下降;转速越大,积垢会使压气机流量减小越明显,且入口压差是对积垢最敏感的压气机参数。     

压气机性能参数对积垢的敏感性分析

压气机工作过程中,叶片表面逐渐沉积了一层积垢,这将使压气机的压比、效率下降,降低发动机的输出功率。分别对积垢分布在叶片前缘、吸力面与压力面以及不同转速下的压气机性能参数进行了仿真计算,结果表明：压气机在不同污染程度和不同转速下,入口压差对积垢的变化都是比较敏感的,而且便于测量,不易受外界干扰,对估计压气机积垢的污染程度和确定压气机清洗时机具有指导意义。     

吸附式压气机叶栅气动性能计算模拟研究

为考察附面层吸附技术在压气机静子势流区叶型上的应用,采用流场数值计算方法对吸气叶栅流场进行模拟.结果表明:(1)对于高亚声速压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除可提高叶栅的扩压度,但不一定能减小流动损失.(2)对于中亚声压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除不仅可提高叶栅的扩压度而且能减小流动损失.(3)如果叶片吸力面靠后缘处有流动分离,吸气位置在分离区的上游较远处可抑制分离,若在分离区附近可能不利于抑制流动分离.      

跨声速级不同转速下静叶的损失特性

为讨论不同转速下静叶的气动及损失特性,在09倍设计转速下对某跨声速单级压气机进行了试验测量,获得了级特性曲线并对数值计算方法进行了校核。利用校核后的数值软件对07~11倍设计转速下压气机静叶内部流场进行了详细的数值研究,探讨了转速变化对静叶内部流场结构的影响机制,分析了流场结构与损失分布的关联性,对比了不同损失评价标准并给出了各自对于叶片优化设计的指导意义。结果表明:随着转速的增加静叶顶部流场持续恶化,而叶根和叶中流场变化较小；流道内的旋涡和压力梯度输运了低能流体团,造成了低能流体在流场中的积聚而形成高损失区。      

斜流压气机串列转子流场特性分析

以斜流压气机串列转子为研究对象,运用CFD软件进行了数值模拟,获得了该压气机在100%和80%设计转速下S1流面流场、子午流场、阻塞工况及近失速工况的流场特性,为斜流压气机串列转子的设计和性能分析提供参考。研究结果表明:该斜流压气机在设计转速(69900 r/min)下超声速特性明显,特性曲线较陡峭;当转速小于80%设计转速时亚声速特性明显,特性曲线较平缓。随着转速的减小,压气机的稳定裕度逐渐增大。该斜流压气机串列转子叶根和叶中截面的损失主要来源于叶型尾缘的掺混损失和叶型吸力面的小范围激波损失;而叶尖截面的损失主要来源于叶型吸力面的大范围激波损失、激波与附面层的相互影响的损失和激波与叶尖泄漏流相互作用的损失。该斜流压气机进入近失速工况后,前排转子的激波强度进一步增大,并且叶间存在大范围低速区,造成流动损失进一步增大。     

压气机“端弯”叶栅流场结构的试验研究

本文通过“端弯”和“无端弯”压气机叶栅的对比试验及流场显示,论述了“端弯”叶栅改善压气机端区流动和减小端区损失 (并降低沿叶高按质量平均求出的总压损失系数 )的机理。压气机“端弯”叶片的叶盆和叶背叶片力指向都有利于改善端区流动。前者将端壁区外叶盆的高能气体压向端区,后者将端区内叶背的低能气体送向叶中区。这是“端区”损失系数下降的主要原因之一。      

附面层抽吸对高负荷压气机叶栅流场的影响

在低速条件下,对不同吸气位置和吸气量的高负荷吸附压气机叶栅流场进行了实验研究,分析了吸气位置和吸气量对高负荷压气机叶栅流场的影响。结果表明,吸气位置和吸气量对高负荷吸气压气机叶栅流场影响显著,且在小吸气量下流场就有明显改善;附面层抽吸有效减小了积聚在吸力面角区的低能流体,流动分离被抑制,总损失下降明显,且抽吸对叶栅流场的影响随吸气量的增加而逐渐增大;在吸力面后部流动充分发展区域,采用附面层抽吸对抑制流动分离具有更好的效果。     

局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅气动性能的影响

实验研究了低速条件下局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅气动性能的影响.采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面气动参数,并对叶片表面静压进行了测量,详细分析了局部吸气方式、吸气量和吸气位置对叶栅出口截面总压损失和负荷能力的影响.结果表明,采用吸力面两端吸气和中间吸气方式均能够有效吸除叶栅流道内低能流体,增加叶栅的气动负荷,从而提高叶栅的气动性能;采用吸力面两端吸气对叶栅气动性能的改善要优于吸力面中间吸气;叶栅气动性能的改善主要在靠近叶展中部区域,而对角区核心区和端部区域的影响并不明显.      

叶根开槽叶栅对角区分离的控制

吸力面/端壁角区的分离是轴流压气机流场中固有的现象。本文采取在叶根处开槽的方法,利用压力梯度从叶片压力面向叶片吸力面引入一股射流增加分离区的能量,从而减缓分离。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下槽的位置、大小和形状对扩压叶栅性能的影响,计算结果初步表明,在非设计工况下适当位置、大小和形状的槽可以有效地减小角区分离。     

Experimental investigation of a counter-rotating compressor with boundary layer suction

This paper presents the aspirated modification of a dual-stage counter-rotating compressor which contains inlet guide vanes(IGVs), two counter-rotating rotors(R1, R2), and outlet guide vanes(OGVs).Uniform circular holes are circumferentially distributed over the rotors' tips on the shroud casing which are designed to remove the low-energy fluid near the shroud casing.OGVs are hollow blades with two slots designed on the suction side which can better control the flow on the suction surface through boundary layer suction.Related works about the experiments have been carried out since June 2012 and the effect of flow suction on the performance of the compressor is investigated in detail.Characteristic lines at a 70% corrected rotating speed are tested and those with higher rotating speeds will be studied in the near future.Experimental results indicate that boundary layer suction can improve the compressor characteristics and the best suction methodology varies along the operating line.At the near stall condition, suction from the R2 tip region can obviously increase the efficiency and the total pressure ratio, as well as improve the flow capacity.Isentropic efficiency can be maximally increased by 4.24% with an increase of 1.94% in massflow under a suction flow of 160 m3/h.Suction at the R1 position with a suction rate below 0.35% in a high flow situation can make the performance of the compressor better than others.Around the peak efficiency point, boundary layer suction from the slots of OGVs is the best choice in improving the efficiency, but it causes a 0.1% loss in the total pressure ratio.     

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.     

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。     

InvesInvestigation of the Effects of Airfoil-probes on the Aerodynamic Performance of an Axial Compressor

In order to investigate the effects of the airfoil-probes on the aerodynamic performance of an axial compressor,a numerical simulation of 3D flow field is performed in a 1.5-stage axial compressor with airfoil-probes installed at the stator leading-edge(LE).The airfoil-probes have a negative influence on the compressor aerodynamic performance at all operating points.A streamwise vortex is induced by the airfoil-probe along both sides of the blade.At the mid-operating point,the vortex is notable along the pressure side and is relatively small along the suction side(SS).At the near-stall point,the vortex is slightly suppressed in the pressure surface(PS),but becomes remarkable in the suction side.A small local-separation is induced by the interactions between the vortex and the end-wall boundary layer in the corner region near the hub.That the positive pitch angle of the airfoil-probe at 6.5% span is about 15° plays an important role in the vortex evolution near the hub,which causes the fact that the airfoil-probe near the hub has the largest effects among the four airfoil-probes.In order to get a further understanding of the vortex evolution in the stator in the numerical simulation,a flow visualization experiment in a water tunnel is performed.The flow visualization results give a deep insight into the evolution of the vortex induced by the airfoil-probe.     

静叶时序对压气机叶片附面层流动影响的数值研究

采用数值方法对两级低速压气机中径处的非定常流场进行模拟,针对压气机第2排静叶两个典型周向位置对动静叶干扰下的叶片附面层流动进行研究.建立尾迹与附面层干扰分析模型,结合叶片壁面摩擦力和近壁面附面层湍动能,详细分析了尾迹和势流干扰下静叶时序改变对叶片附面层流动产生的影响.对第2排静叶附面层的研究结果表明:静叶时序改变了尾迹在其叶排中的输运特征,能够降低壁面摩擦力和近壁面湍动能及其非定常最大波动幅值,影响吸力面附面层内动叶尾迹后沉寂区的宽度.在非定常条件下,尾迹能够诱导静叶层流附面层在尾迹干扰的局部范围内转捩发展为湍流状态,同时高湍流度尾迹的干扰具有抑制逆压梯度下附面层分离的作用,并能够延长层流区的范围.     

基于端壁涡流发生器的压气机叶栅角区分离控制研究

为研究被动式涡流发生器抑制压气机叶栅横向二次流以控制角区分离的作用,设计了在叶栅内部端壁处加装涡流发生器的控制方案,采用数值模拟的方法,详细分析了叶栅流场特性。结果表明:涡流发生器可以有效地抑制叶栅内部横向二次流,改善角区流动,在最佳控制方案中,总压损失系数下降8.1%;放置于叶栅内部的涡流发生器能阻挡气流的横向流动,其尾部产生的流向涡与横向迁移的端壁附面层相互作用,抑制了通道涡向吸力面的发展,并将主流高能流体卷入角区,增加角区流体动量;涡流发生器的长度和高度都会影响流向涡的强度,流向涡的涡核高度与涡流发生器高度一致,最终的控制效果由涡流发生器的长度和高度共同决定,只有当它们被合理选择,控制方案才能获得最佳控制效果。     

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.     

一种叶顶叶栅结构对压气机间隙流动的影响

为减小压气机间隙流动带来的流动损失,提出了一种新的叶顶结构,即在常规叶片叶顶上构造出由数个小叶片组成的叶栅.通过对具有该结构叶片的三维流场进行数值模拟,分析了端壁移动对压气机间隙流场的影响.结果表明:该结构明显改善了叶顶附近的流动状况,从泄压和导流两方面抑制了叶顶附近流体从压力面向吸力面的泄漏,有效削弱泄漏涡的强度,进而减小泄漏涡扩散带来的损失,提高了压气机气动性能,相比常规叶片叶栅出口总压损失系数减小达1.158%.