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[项目编号]2008ZB53014[项目负责人]周莉[依托单位]西北工业大学进口导叶/叶轮/扩压器非定常相干机理及时序效应的研究完成情况简介:对离心压气机级内不同工况下的进口导叶叶轮扩压器动静相干非定常湍流流动规律开展了数值研究,研究了导叶尾迹及大尺寸分离涡团在叶轮和扩压器中的     

某高压压气机第4级转子叶片断裂分析

针对某燃气轮机在试车过程中高压压气机第4级转子叶片的断裂失效故障,通过外观检查、断口分析、表面检查、成分分析、组织检查、硬度测试和模拟试验等手段,对断裂性质和产生原因进行分析。结果表明:故障叶片为疲劳断裂。在试车过程中叶尖与机匣涂层严重碰摩,使叶片承受非正常冲击载荷是促使故障叶片产生疲劳裂纹的主要原因,叶片原始加工刀痕和喷丸质量差起促进作用。提出提高叶片加工质量,控制合理的叶片与机匣涂层之间的间隙的改进建议,以避免类似故障的发生。     

离心压缩机进口导叶/叶轮动静相干的数值研究

对不同预旋角度下进口导叶/叶轮的相干进行了非定常的数值模拟,讨论了动静相干效应的主要因素,分析了非定常效应对叶轮内流场结构的影响.结果表明,在较大的负预旋角度下,叶轮流动呈现出周期性;造成叶轮内非定常性的主要因素是上游进口导叶的尾迹区,尤其是大尺度分离涡团导致叶轮的进口流动不稳定.导叶尾流的影响只涉及到叶轮通道的一部分(约30%叶片长度),而叶轮的势影响范围从进口导叶尾缘到约20%左右叶片弧长处.叶轮叶片通过频率和叶片旋转频率同时影响着进口导叶内部的非定常流动.      

低速压气机静叶非定常Clocking效应数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法研究了重复级低速压气机内部非定常流动,其中包括静叶Clocking(时序)效应以及尾迹-边界层、尾迹-尾迹和尾迹-泄漏流的相互作用.对静叶时序效应的结果分析显示,当两级静叶相对周向位置改变时最大效率变化只有0.1%,表明低速压气机中静叶时序效应不明显.另外,非定常结果流动图画显示,在非定常环境下上游周期性尾迹的通过对下游叶片边界层、尾迹以及叶尖泄漏流的发展都有一定影响.     

压气机转子叶片掉块失效机理分析

针对航空发动机压气机转子叶片在工作中发生的掉块故障,通过对故障叶片进行宏观检查、断口分析、叶尖端面检查、 材质及有限元分析等工作,确定了压气机转子叶片掉块的性质和原因。结果表明：叶片掉块性质源于叶尖与加强筋之间前缘区域 叶盆侧表面的疲劳裂纹,裂纹扩展并产生瞬时断裂,最终形成掉块。排除了叶片由外来物打伤及材质和冶金缺陷等异常因素造成 掉块的可能性。掉块原因为故障叶片叶尖与机匣封严涂层之间存在较重的非均匀碰摩,在叶片进气边叶尖与加强筋之间区域产 生应力集中,在振动应力和离心载荷的共同作用下,导致叶片萌生疲劳裂纹并扩展,进而形成掉块。为避免类似故障再次发生,建 议适当加大转子叶片与机匣的径向间隙,并严格控制装配质量和机匣封严涂层尺寸。     

非轴对称导叶尾迹对低速轴流压气机的影响

在轴对称尾流撞击实验的基础上, 进行了多种非轴对称尾流撞击实验研究.当合理安排进口导叶的数目和周向分布形式时, 进口导叶(IGV)的非轴对称尾迹能对下游转子流场产生有益的非定常耦合激励作用.与轴对称尾流撞击方案相比, 非轴对称尾流撞击方案在保持了有益的高频激励信号的同时, 引入了合适的低频方波激励信号和其他有益的副频激励信号, 使得导叶尾迹更容易与压气机中的复杂涡系产生耦合激励作用, 例如通道涡、间隙涡和尾迹分离涡等.实验结果显示, 非轴对称尾流撞击方案B能使压气机的最高效率提高1.2%, 总压升和稳定裕度也略有增加.      

进口探针支杆对1.5级压气机气动性能的影响

为了评估进口测试探针支杆对压气机气动性能的影响,定常计算了包含不同直径、轴向位置、周向位置及形状的探针支杆的1.5级压气机特性线。结果表明,较无进口探针支杆的工况,带探针支杆的压气机特性线整体向左下方偏移。圆柱型支杆较迎风面积相同的长条型支杆而言,使压气机特性线衰减更严重;随支杆直径增加,压气机特性线偏移量增大,5mm,10mm及20mm的支杆使压气机平均效率分别降低0.8%,1.32%及2.28%;支杆周向位置、轴向位置对压气机特性线无影响。分析定常及非定常数值计算结果发现,当支杆尾迹引起的进口气流角脉动位于进口导叶不敏感角范围内时,导叶的整流作用使导叶下游压气机性能不受进口支杆的影响。     

高压涡轮全环非定常流动数值模拟

为了进一步准确地掌握涡轮内部复杂流动特征,采用全环非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮内部非定常流动,重点分析了上游导叶尾迹和激波在动叶流动中的非定常作用机制,探讨了引起动叶通道内及叶片表面压力分布周期性变化的非定常扰动。数值结果表明:与尾迹作用相比,由导叶激波引起的非定常效应更为明显,尾迹引起的非定常扰动在动叶0.5倍轴向弦长位置下游较为突出。在动叶流场中及叶片表面上的静压变化显示,在动叶通道内还存在低频扰动,对局部流场的非定常扰动明显。最后指出,在非定常计算时采用区域缩放法对流场中非定常扰动的预测存在一定误差。     

扩压式叶栅非定常分离流机理研究的频谱分析

二维亚音压气机叶栅非定常分离流中旋涡脱落频率的定性研究,采用数值模拟的方法,通过九种不同工况下流场中多点总压值的快速傅立叶分析,初步提出了区分数值振荡和真实物理振荡的判据,同时得到了这九种工况下非定常分离流中旋涡脱落频率的数值模拟结果。证实在非设计工况下,二维亚音压气机叶栅叶背区出现了较大尺度的开式非定常分离,分离区自身及分离流影响的尾迹区的主要运动形式可能是周期性的旋涡脱落。      

非均匀栅距对压气机叶片非定常气动力的影响

研究了轴流压气机叶片采用非均匀栅距对叶片非定常力影响的问题,利用高分辨率格式求解准三维雷诺平均N-S方程。非定常流场计算采用了双时间步法与LU-SGS隐式解法耦合的方法。研究了带进口导叶的单级三排叶栅非定常流动,其中动叶栅距不变,而导叶和静叶采用非均匀栅距。对不同结构的计算分析表明,在导叶和静叶采用一定的非均匀栅距组合型式后,在保证压气机级的性能变化不大的同时,动叶表面所受非定常气动力的状况得到改善,这将有助于提高动叶片的疲劳寿命。     

非对称激励对叶栅流场时空结构及特性的影响

基于非定常耦合流动的研究采用导叶非对称周向分布时,可以通过非对称尾流撞击效应实现比对称周向分布更好的气动性能.为了探索非对称激励下的非定常耦合流动特点,首先以单个槽道的时间非均匀射流激励形成的间歇耦合流动研究为基础,分析了时间非均匀激励对二维叶栅流场时空结构的影响.然后通过对采用非对称导叶的某低速轴流压气机的叶中截面二维流场进行1/4周的数值模拟,分析了周向非均匀分布导叶对下游转子流场时空结构的影响,最后通过实验对前面所得到的结论进行验证.认为通过周向非均匀导叶实现流场的耦合流动时,激励区的长度决定了激励效果的好坏,而缓冲区内加入离散导叶可以提升转子流场时空结构品质改善压气机性能.      

进口导叶预旋对扩压器内部非定常 流场影响的实验

在不同的进口导叶预旋角度和方向下,采用热线风速仪对扩压器内部非定常流场进行了测量,采用锁相采样-集平均技术对热膜测量的瞬时信号进行处理,研究了进口导叶预旋角度和方向对扩压器内部非定常流场的影响.结果表明,扩压器内部大部分湍流强度均有所增加;扩压器内的非定常性受导叶尾流及大尺度涡团的非定常影响而减小,且负预旋角度下非定常性的减小程度小于正预旋角度下非定常性的减小程度;扩压器内部的非定常流动的基本频率降低.     

高、低能扰动力函数对叶轮机阵发非定常气动力的影响(英文)

为了研究扰动力函数对多级叶轮机叶片排中基本的高、低能阵发非定常气动响应的影响,在研究用轴流压气机上进行了一系列的基础研究。      

离心叶轮与扩压器相互干扰数值模拟

采用定常与非定常数值模拟方法,对某小型离心压气机进行数值计算,首先比较了定常结果与非定常时均结果的特性;然后结合离心叶轮出口和径向扩压器进口典型位置非定常压力脉动的频域特性,研究了离心叶轮与扩压器之间的转静干涉作用;最后着重分析了离心叶轮带与不带分流叶片对径向扩压器进口压力脉动频率特性的影响。结果表明:在相同流量下,非定常时均结果的压比偏高约3.7%,效率偏高0.1%;在带有分流叶片的离心压气机中,离心叶轮叶片出口与扩压器叶片进口的脉动除了叶片通过频率的非定常脉动外,分流叶片尾缘会产生与之强度相当的2倍叶片通过频率的非定常压力脉动。同时,分流叶片会对径向扩压器进口产生更强的0.5倍叶片通过频率非定常压力脉动,这些频率的非定常压力脉动很可能会对离心压气机叶片的疲劳强度造成影响。     

进口导叶预旋对扩压器内部非定常流场影响的实验研究

本文在不同的进口导叶预旋下,采用热线风速仪对扩压器内的非定常流场进行了测量,采用锁相采样—集平均技术对热膜测量的瞬时信号进行处理,研究了进口导叶预旋角度和方向对扩压器内部非定常流场影响。结果表明,扩压器内部大部分紊流强度均有所增加;扩压器内的非定常性受导叶尾流及大尺度涡团的非定常影响而减小,且负预旋角度下非定常性的减小程度小于正预旋角度下的非定常性;扩压器内部的非定常流动的基本频率降低。     

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。     

进气道内加装导流体对低压转子振动特性影响分析

对发动机进口前进气道管道内安装导流体后可能导致的压气机低压转子流动诱发振动现象进行了评估。通过定常和非定常数值模拟发现,以导流体叶片数决定的通过频率对发动机低压转子振动特性的影响较小;同时由于导流体尾迹内部脱落涡强度太低,其脱落频率也不会对发动机低压转子振动特性产生影响。计算结果表明,本算例中导流体的叶型设计和安装位置是合理的。