多级轴流压气机级间匹配特性研究

结合一台出口级使用大小叶片转子的高负荷多级轴流压气机的设计过程,对其多种设计方案进行数值模拟,通过对各设计方案级间匹配特性的分析,总结出多级轴流压气机的级间匹配特性。通过与另一台级数相当但不含大小叶片转子的低负荷多级轴流压气机的级间匹配特性进行对比,研究了在多级轴流压气机出口级使用大小叶片转子对级间匹配特性的影响。结果表明,在多级轴流压气机出口级使用大小叶片转子,不仅可提高出口级的负荷及整机总压比,还可增大压气机的失速裕度。     

小流量多级轴流压气机气动性能的数值分析

以某小流量8级轴流压气机的气动设计方案为研究对象,采用三维粘性数值模拟方法进行了设计转速的气动性能计算,并将数值结果与设计方案进行了深入的对比分析。数值研究表明:该压气机的堵塞流量、总压比及效率均低于设计目标,前4级的设计和匹配是压气机堵塞流量较小的主要原因,后4级的设计和匹配是压气机总压比较低的主要原因。多级轴流压气机的匹配是性能达标的关键,需进行进一步的分析和改进。     

级间引气条件下轴流压气机特性预测方法

为了确定级间引气对多级轴流压气机特性的影响，便于在燃气轮机整体性能分析时简化引气模型，开展级间引气条件 下轴流压气机特性预测方法研究，通过级间匹配模型求解引气位置压力、温度和引气位置上下游的特性，根据引气后的上下游重 新匹配确定受引气影响的压气机特性线。结果表明：对5级压气机在换算转速为1.0、0.7和0.5倍设计转速情况下分别进行了预 测，得到的特性线与压气机原特性线相比有明显变化。在压比-流量特性图中，引气后的等换算转速线整体位于原特性线之上，压气 机压比提高，在小流量时提高较小，在大流量时提高较大，并且提高效果随引气流量增加逐渐明显；在效率-流量特性图中，引气后的 等换算转速线与原特性线交于一点，在该点左侧效率因引气而降低并随着引气流量增大而进一步降低，在该点右侧则刚好相反。采 用此5级压气机的抽放气特性对性能预测模型进行了验证，引气位置总温的相对误差不超过1%，总压的相对误差不超过2%。     

级间引气对多级轴流压气机性能的影响

为了验证多级轴流压气机级间引气对其性能的影响,建立了在设计过程中优化改进级间引气的依据,基于数值模拟和试验的方法,研究了级间引气对某总压比20以上的10级轴流压气机总性能和匹配特性的影响。结果表明：引气对压气机各级的单级特性影响较小,但改变了压气机进口总流量和引气上下游的流量分配及级间匹配,进而影响了压气机的总性能。在多级轴流压气机设计转速状态下,前面级处于流量堵塞工况,与第7级引气相比,第4级引气可显著增大压气机的流量,改变压气机匹配特性,引气位置越远离压气机进口对总流量的影响越小。试验结果表明：第4级引气增加或者减少2%,总流量相应增加0.8%或者减少1.3%。相比第4级增加引气,第4级减少引气对压气机性能影响更为显著。试验得到的引气对压气机总性能、各级工作点匹配影响与数值模拟的一致。     

高负荷压气机精细化设计

为保证压气机在负荷水平不断提高的同时仍具有良好的气动性能,需要对级间匹配、泄漏流和端区流动的控制进行精细化处理。为兼顾压气机效率和裕度2个指标,需要对流量系数进行精细筛选以获得其最佳取值;通过增加级的反力度,可以有效利用高负荷条件下转子的高稳定性,进而缓解负荷提高后静子易分离失稳的问题,同时使转、静子的扩散因子均得到较好地控制;级间引气流场对压气机的级间匹配有较大影响,需要对引气结构进行优化设计,并在气动设计过程中对相关叶片排的攻角、落后角作出补偿;合理控制篦齿封严泄漏流、转子叶尖泄漏流可以大幅提高高负荷压气机的气动性能;采用波浪壁流路可以较好地控制高负荷压气机的局部端区流动,实现其效率和裕度水平的提升。     

大级间引气对轴流压气机级间性能的影响

级间引气能够显著改变压气机的级间性能匹配,是压气机设计中常用的性能调试方法。通过对一台9级压气机开展引气结构设计、大级间引气试验测量和基于试验测量数据的子午流面参数计算,研究了大级间引气对轴流压气机级间性能的影响。研究结果表明：当级间引气量从13%变化到24%时,压气机堵塞流量变化较小,喘振裕度减小;过大的引气量会导致引气位置后面级出现较大的流动分离和效率降低,级间匹配变差,从而使得压气机总压比降低,喘振裕度下降。     

高负荷多级轴流压气机级间引气数值模拟

采用数值模拟的方法,以一台高负荷8级轴流压气机为研究对象,研究了级间引气对压气机总体性能、内部流场和级间匹配特性的影响.结果表明:级间引气可以显著提高压气机的总体性能,引气使得压气机进口流量增加近1%,最高效率提高约1.5%;引气会使引气位置处的压力降低,气流密度减小,从而使得引气位置上游的流量增加,转子最大载荷位置向下游移动,引气位置下游的流量减小,而转子最大负荷位置基本保持不变;引气还会使引气位置上下游各级的工作点位置发生变化,改变压气机的级间匹配特性.同时静子尾部机匣处引气还会使引气位置下游机匣处的附面层厚度减小,改变下游转子的进口条件.      

涵道比调节对核心机驱动风扇级与高压压气机匹配性能影响

根据某核心机驱动风扇级与高压压气机匹配气动布局的特点,建立了匹配状态点关联预估简化方程并发展了匹配性能预估程序。基于两个压缩部件性能试验数据,进行了典型匹配状态涵道比预估及特点分析,研究了等转速下涵道比调节对两个压缩部件工作状态点变化规律以及匹配性能影响。结果表明:(1)涵道比设置不合理将会导致压缩部件发生旋转失速或喘振现象,从而影响两者的匹配工作;(2)随着涵道比增大,核心机驱动风扇级工况点逐渐从近喘点向堵塞点方向偏移,而高压压气机的工况点变化趋势正好相反。核心机驱动风扇级的流量变化范围比高压压气机的窄,这使得匹配总压比-流量特性线更加陡峭;(3)存在最佳匹配涵道比使稳定工作裕度和近失速边界匹配总压比达到最大,并且此时的匹配峰值总效率接近最大匹配峰值总效率;(4)随着匹配转速的提高,典型匹配涵道比呈现逐渐减小趋势,外涵流量在85%换算转速时达到最大,因此在进行外涵流道设计需全面考虑压气机的工作特性。      

轴流压气机级内污垢沉积影响的数值研究

采用三维数值方法,对具有一定典型性的真实压气机级NASA stage 35进行研究,通过与文献中实验数据的对比,校核了商业CFD计算代码的可靠性,得到的性能曲线与实验数据有较好的一致性;通过对污垢沉积引起的叶片厚度和壁面粗糙度的增加来模拟不同的污垢沉积程度对压气机级性能的影响。结果表明,增加壁面粗糙度将显著降低压气机级等熵效率和总压比,喘点和堵点的流量均有所下降,对稳定工作范围影响不大;增加叶片厚度大幅降低堵点流量而对喘点流量影响较小,使得压气机级的稳定工作范围明显减小;动叶壁面粗糙度的增加相比静叶对级性能的影响明显要大。     

多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法

为提高多级轴流压气机气动性能,采用轴流压气机叶片全三维粘性反问题求解方法,对多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法进行了研究。以压气机级出口旋流角为设计目标,叶片表面载荷分布为设计对象,通过动量矩守恒方程,建立起叶片出口旋流角与叶片表面载荷分布的关系,从而实现计算过程中载荷的自动调整,修正气流在叶片出口旋流角分布。为了让压气机每一级都工作在设计给定的进口条件下,对上游级静子叶片进行反问题改型设计,使得其出口旋流角分布满足设计给定值。为了验证方法的有效性,采用四级高压压气机作为算例,对其初始设计进行反问题匹配改型设计。通过计算,修正了三个级间位置的旋流角分布,改善了下游级进口工作条件。气流在改型后压气机内部流动更加符合设计意图,级与级之间流动匹配更好。与原型相比,总压比和绝热效率分别提高了2.8%和1.3%,验证了方法的有效性。     

小流量多级高负荷轴流压气机设计

以增压比为6的国外某小流量5级轴流压气机为设计原型,在不超过其前3级的轴向长度的条件下,设计了3级轴流压气机,研究其最大增压能力.在采用了正预旋、静子端弯、第2、3级转子叶尖适度斜流等措施后,3级轴流的设计点流量为5.80kg/s,增压比为5.445,效率为0.8272,喘振裕度为11.8%,3级平均级增压比为1.759.研究结果表明:在一定的轴向长度限制下,小流量3级轴流压气机虽可以达到5.5量级的增压比,但其流量特性曲线已经变得很陡峭.      

单级低速模拟轴流压气机实验台改进设计

为了使单级低速台能够更好地模拟高压压气机后面级流动,采用导叶+静子+转子+静子+导叶的五排叶片布局,适当提高轮毂比,以及采用3D打印树脂叶片,对常规三排叶片单级低速模拟大尺寸轴流压气机实验台进行了改进设计研究,并与四级重复级低速大尺寸压气机实验台的第三级结果进行了对比。结果表明:改型设计的单级低速大尺寸压气机的设计点效率达到了89.1%,流量裕度达到了32.9%,与四级重复级实验结果基本一致,而且实现了基本相似的级间参数分布,比传统单级实验台更接近高压压气机后面级的典型流动,从而可以利用该实验台成本低和周期短的优势,开展更多更深入的关于高压压气机后面级流动机理和设计方法的实验研究。     

叶顶间隙和减振阻尼台对多级轴流压气机性能影响的数值模拟

以某多级轴流压气机为研究对象,采用数值模拟的方法研究了叶顶间隙和减振阻尼台对压气机气动性能的影响。研究揭示了叶顶间隙变化对叶顶泄漏流动的影响规律,分析了各级转子叶顶间隙变化对多级轴流压气机性能影响的相对大小。研究发现针对所研究的多级轴流压气机,第5级转子叶顶间隙的变化对压气机性能的影响幅度最大,当叶顶间隙从0.390 mm增加到1.007 mm时,级效率下降了1.72%;而其他级的效率下降幅度较少,最大降幅不超过0.6%。此外,研究了第1级及第5级转子叶片阻尼台对多级压气机性能影响,分析了阻尼台对流场结构及流通能力的影响,揭示了阻尼台影响性能的机理。研究结果表明,当存在阻尼台时,多级轴流压气机的峰值效率、峰值压比以及堵塞质量流量都会下降,其中峰值效率下降了1.6%,峰值压比下降了1.2%,堵塞质量流量下降了1.2%;尤其是第1级和第5级效率明显下降,第1级级效率下降约5.2%,第5级级效率下降约1.6%。在阻尼台存在的地方总压损失大,密流值会降低,流通能力会下降。     

超声速低反力度吸附式压气机变工况特性

为探讨非设计点的气动性能,以某3级高负荷低反力度吸附式压气机首级超声速级作为研究对象,借助数值模拟的方法,分别研究了变转速、变抽吸量以及近失速点首级超声速级参数以及内部流场的变化.结果表明:变转速条件下,基于低反力度设计概念研制的吸附式压气机所采用的抽吸方案仍能适应设计要求;减少抽吸量,在降低本级气动性能的同时,增加了其与下一级流动匹配的难度;通过在端壁抽吸槽道前段添加附加抽吸槽道/孔可进一步拓宽吸附式压气机的工作范围.      

应用端弯叶片增加压气机喘振裕度

本文介绍了某型高压压气机考虑端壁附面层影响改进设计的端弯叶片,试验证明:喘振裕度增加7.3％,效率提高4.1％,流量、压比变化很小。飞行试验证明:解决了空中停车问题,在飞行包线内能保证可靠稳定工作,发动机和飞机性能都有较大的提高。     

静叶角度调节对压气机性能影响的试验研究

本文介绍了通过调节一三级轴流压气机各级静叶角度组合,以改善级间匹配关系,从而来提高压气机性能的试验研究方法和过程。试验结果表明,静叶角度的改变对压气机性能有着极为明显的影响。通过试验,找到了该压气机在设计转速下的一组最佳角度匹配。最高绝热效率提高了7.4 个百分点,稳定工作裕度也有了显著的增加。      

基于动叶出口轴向速度提升的亚声速低反动度轴流压气机气动设计原理及其验证

当动叶转角增加以进一步提升亚声速轴流压气机级负荷时,为解决其内部流动问题,提出了基于轴向速度提升的亚声速低反动度轴流压气机气动设计原理.分析了在该气动设计原理指导下,各气动参数间的相互影响,设计了一个验证级.三维黏性数值模拟结果表明:在叶尖切线速度为213m/s的前提下,实现了级压比为1.5,效率为92.5%的压气机级设计.      

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘开槽流动机理研究

扩压器前缘几何结构直接决定着扩压器的性能和内部流场特性,为进一步拓宽离心压气机的稳定工作范围,以高负荷离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟方法开展扩压器叶片前缘开槽流动机理研究,详细讨论了扩压器开槽对压气机性能及内部流动影响的机理。研究结果表明,扩压器叶片前缘开槽能够在保证离心压气机性能基本不变的前提下,使其失速裕度提高13.5%,与原型扩压器相比,扩压器叶片前缘开槽所诱导的间隙泄漏流能有效抑制扩压器通道内的流动分离,从而提高了离心压气机的稳定裕度。     

动态温度畸变下压缩系统稳定性模型研究

推导并建立了动态温度畸变下多级轴流压缩系统稳定性分析的理论模型，并给出了基于特征线和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ二步差分法的数值分析方法，基于级特性，模型对一三级实验压气机进行了数值分析，给出了进口动态温度畸变与稳定裕度损失及与不稳定发生时间的定量关联关系。本模型还确定了压气机失稳的首发级。