转子叶片表面非定常气动力的构成及叠加分析

数值模拟了一个带有导叶的单级低速压气机中转子叶片表面的非定常气动力.通过研究转子叶片根部、尖部前缘和尾缘局部位置的非定常气动力,阐明了由尾迹和势扰动两种非定常性诱发的气动力在转子叶片表面的叠加特性.结果表明,上游尾迹的影响波及整个转子叶片弦长范围,而下游静子叶片势扰动仅影响转子叶片尾缘附近的脉动压力,改变上、下游叶片的时序位置,当整个转子叶片表面脉动压力的幅值比最大值减小19.4%时,其叶尖前缘脉动压力的幅值仅比最大值减小9.4%.      

轴流压气机静子叶片非定常表面压力试验

对一台单级轴流压气机静子叶片非定常表面压力进行了测量.叶片非定常表面压力分析表明:失速前,叶片非定常表面压力的主要影响因素为相邻叶排叶片的尾迹和势扰动,叶片非定常表面压力及气动力波动的幅值大小取决于压气机的总压升,主导频率为叶片通过频率及其倍频(主要为2倍频和3倍频),其频率是转子转动频率的整数倍;失速后,叶片非定常表面压力的主要影响因素转变为旋转失速团,主导频率为失速团频率,其频率小于转子转动频率.      

动叶clocking对低速压气机性能影响的数值模拟

采用二维非定常数值模拟的方法研究了动叶相对位置的改变对低速压气机气动性能的影响。结果显示不同的动叶相对位置会改变上游动叶尾迹与下游动叶之间的相对位置以及下游叶列周围的周期性和湍流性速度波动。当上游尾迹被输运到下游叶列前缘附近的时候，对应较高的级效率；当上游尾迹被输运到下游叶列流道中央的时候，对应级效率较低．正确的配置动叶的相对位置，将会显减少第二列动叶表面流动的非定常性，对叶片气动性能有改善的作用。     

时序效应减小转子叶片表面非定常气动力的数值模拟

利用商用Numeca软件模拟了一个1.5级压气机中的时序效应现象,研究了导叶-静子周向相对位置变化时中间转子叶片表面非定常气动力及压力系数的变化。该1.5级压气机为南航低速压气机试验器(LSC)的简化结构,各排叶片数之比为1:1:1。为了孤立分析尾迹和势扰动的影响,还进行了导-转和转-静结构的计算。结果表明,通过调整导叶-静子的周向相对位置,可以使中间转子叶片表面非定常气动力的一阶响应幅值显著减小。     

超声压气机静/转干涉的非定常模拟研究

为进一步揭示超声速流动条件下压气机叶排干扰机理,提高对跨/超声速压气机流动的认识,基于课题组自主研发RANS方程解算器,运用非定常数值模拟的方法对超声速压气机静/转叶栅级间干涉进行研究。研究结果表明,超声速压气机静/转叶栅通道中存在较为复杂的相互干涉,下游转子叶栅外伸激波被上游静子叶栅切割,并强烈扰动静子叶栅通道中的流动,造成静子叶片表面压力波动较大;静子叶栅尾迹区存在较强的熵增,在向下游传播的过程中被转子叶栅切割,在转子叶栅通道中,尾迹区域变形并向压力面靠拢,最终与转子叶栅尾迹相互作用,使得转子叶栅尾迹呈类卡门涡街形式脱落。     

轴流压气机机匣变形对多排转子流场特性的影响

在实际轴流压气机加工、装配、使用过程中,机匣的圆度控制、叶片的高度控制、转子和机匣之间的同轴度控制等都普遍存在误差,意味着叶尖间隙的不均匀性必然地存在于每台压气机中。随着对轴流压气机流动研究的不断深入,叶尖周向非均匀间隙成为了需要考虑的问题。针对由机匣变形造成的非均匀叶尖间隙,研究了其对多排转子流场特性的影响。首先介绍了表征机匣变形程度的新参数,进而引进了非轴对称压气机模型的建模方法。针对3种不同的间隙周向布局,采用定常和非定常方法进行了数值模拟,对比了均匀与非均匀间隙下多排转子的气动性能,分析了机匣变形对气动损失分布和传播的影响,并研究了非均匀间隙下非定常压力和气动力的脉动特征。结果表明：非均匀间隙会降低转子性能,转子叶排叶尖区域的流场在非均匀间隙下呈现明显的周向非对称性,在上游叶排“尾迹”的干扰下,后排转子叶尖流场的周向非对称性要大于前排转子。非均匀间隙布局与各叶片气动力分布呈现明显的对应关系,小间隙区域叶片的气动力高,大间隙区域叶片气动力相对较低,从而增加了非均匀间隙下转子叶片的气动力幅值。     

上游转子对下游静子叶片气动力的影响

为了研究轴流压气机上游转子对下游静子干扰产生的叶片非定常气动力的大小和频率的变化规律,采用在静子叶片表面埋设微型动态压力传感器的方法,在一台低速单级轴流压气机实验器上进行了静子叶片表面压力的测量。测量覆盖了不同轴向间距、不同转速下从近堵塞到近失速的宽广范围,并对实验测量得到的静子叶片非定常气动力进行离散傅里叶变换,以分析其频谱特性。通过对实验结果的分析,初步认识了流量、轴向间距及转速等因素对轴流压气机转/静干扰影响的规律。     

上下游干涉对转子叶片颤振特性的影响

使用自行开发的非定常流动数值模拟程序,分别考虑上、下游叶排干涉作用对转子叶片的颤振特性进行了研究,分析尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.对转子叶片表面非定常压力进行傅里叶变换,使用能量法计算气动阻尼,研究不同叶片排轴向间距下气动阻尼的变化.通过考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子结果对比,总结了干涉作用对叶片颤振特性的影响规律;结果表明:上游导叶与转子一倍弦长间距时,获得正气动阻尼,与单转子预测的气动弹性稳定性结果相反.说明在进行颤振特性预测时必须考虑转静干涉作用;尾迹和势干扰的强度均随着轴向间距值的减小而加强,且都会加剧叶片气动弹性失稳.      

汽轮机末级三维非定常流动数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法,对某汽轮机设计状态末级非定常流动进行了模拟,并对设计状态下各因素引起末级动叶表面产生非定常力的大小和作用机理进行了分析。结果表明,本文中的汽轮机末级在设计条件下,上游静叶尾缘激波和位势场对下游转子的影响比尾迹作用的影响更大,静叶尾缘激波和位势场导致下游转子叶片表面非定常力大小呈周期性变化;此外上游静子尾迹以及动叶尾缘出口膨胀波等也是产生转子叶片表面非定常力的因素。      

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.     

上下游叶排对压气机转子叶片气动弹性稳定性的影响

使用自行开发的流固耦合程序集,分别考虑压气机上下游叶排的影响对转子叶片气动弹性稳定性进行分析.使用全环气动弹性模型通过叶片在非定常流场中振幅随时间的变化历程计算转子叶片不同振型下的气动阻尼,分析了不同的叶排轴向间距下尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.通过将考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子的结果作比较,总结了转子-静子结构和导叶-转子结构的干涉作用对转子叶片颤振特性的影响规律.结果表明:对于1阶弯曲模态,转子叶片气动弹性稳定性不随轴向间距单调变化;上游尾迹干涉作用和下游静子势干扰的增强会加剧1阶扭转模态失稳,但是却促进1阶弯扭耦合模态气动弹性稳定.      

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.     

非定常流动对叶片表面负荷分布影响的数值模拟研究

叶轮机内部非定常流动与叶片表面负荷分布之间的关系对于叶轮机的设计非常重要。本文利用数值模拟手段对单级轴流涡轮内部非定常流动进行了模拟，研究了上游叶片排尾迹和位势作用对下游叶片表面负荷分布的影响，并分析了尾迹在下游叶片通道内的演化图画。计算结果表明涡轮级环境中，上游叶片排的尾迹等对通道内部流动，叶片边界层流动损失的产生、发展和输运，以及下游叶片表面吸力面负荷分布产生明显的影响，需要在设计中加以考虑；本文还探讨了非定常效应应用于设计的可行性和思路。     

两级对转风扇非定常特性分析

为研究两级对转风扇的非定常特性,对该风扇进行了设计转速下的定常和非定常数值模拟。结果表明:非定常得到的压气机裕度(15.3%)比定常(14.5%)的更高,主要原因在于近失速时,上游尾迹和泄漏流能改善叶尖吸力面分离;非失速工况时,上游尾迹和泄漏流与下游泄漏流、激波之间复杂的非线性作用会引起熵增,从而导致叶尖流动损失的增加;此外,所有工况下,上游尾迹对叶片根部角区分离都起到了抑制作用,降低了损失。     

高负荷对转压气机尾迹涡级间迁移影响因素研究

为探究高负荷对转压气机上游转子尾迹脱落涡级间迁移的影响因素,截取高负荷对转压气机60%叶高叶型,保持叶型几何、总压比不变的前提下,分别取12%,20%,25%,30%,35%,45%下游转子弦长的轴向间隙进行了非定常数值模拟。研究发现,在每个轴向间隙下,尾迹脱落涡迁移至下游转子前缘平面的周向位置均不随时间发生变化;当轴向间隙改变时,尾迹脱落涡迁移路径随之发生变化。基于理论分析和数学推导,建立了高负荷对转压气机尾迹脱落涡级间迁移轨迹的无量纲准则关系式,并结合通流计算与激波模型,发展了预估上游转子尾迹脱落涡迁移轨迹的方法,为设计阶段考虑非定常效应提供指导。     

叶片排间耦合对跨声速压气机转子颤振特性影响研究

高推重比、强紧凑性的设计要求迫使压气机相邻叶片排之间的距离进一步减小，在加剧排间非定常扰动的同时，势必对叶片的气动弹性稳定性产生影响。本文针对1.5级跨声速压气机，基于谐波平衡非定常求解技术，结合单向耦合的能量法，开展排间耦合对1.5级跨声速压气机叶片颤振特性影响研究。通过对比分析非定常/定常混合模型的颤振预测结果可以发现：排间压力波反射对振荡叶排压力脉动特性的影响是造成转子颤振特性差异的主要原因。上、下游静叶对转子气动弹性稳定性恶化程度并不相同，且不符合线性叠加原理。对于近失速工况，非定常压力波反射导致转子叶片气动阻尼系数减小75%，定常/非定常混合预测方法可能导致颤振特性预估过于乐观。     

尾迹/势流干扰对跨声速风扇静叶附面层流动影响的数值研究

为揭示尾迹/势流干扰下压气机静叶附面层的非定常流动机理,采用数值方法对单级高负荷跨声速风扇中径处的非定常流场进行模拟,针对尾迹/势流干扰下的静叶附面层非定常流动特征进行研究。基于尾迹/势流与叶片附面层干扰模型,通过叶片壁面摩擦力、近壁面附面层湍动能和壁面静压脉动,详细分析了尾迹和势流干扰下尾迹对高负荷静叶附面层流动状态的影响。研究发现:在非定常条件下,尾迹干扰能够"刺穿"静叶附面层,使得静叶附面层发生跨越转捩现象。尾迹和受其诱导的势流碰撞静叶前缘产生的压力扰动波在压力面附面层内以声速传播,影响压力面整个弦长的静压和摩擦力分布,而在吸力面上,扰动波的传播仅局限在前缘区域部分弦长上,吸力面和压力面传播现象不同与逆压梯度和曲面凸、凹形状相关。     

高负荷跨声速压气机动静叶干扰下叶片气动负荷研究

通过数值方法模拟了某型高负荷跨声速压气机在工作点的非定常流场，对级内动静叶的气动干扰进行了深入分析。通过气动力和力矩的变化对动静叶干扰下的叶片非定常气动负荷进行了详细的分析，研究了尾迹和势流干扰下叶片气动负荷的变化规律，结合频谱分析进一步认识了气动负荷各周期分量，研究结果有助于对高负荷压气机内动静叶非定常气动干扰的认识。     

上游尾迹入射角对压气机叶片负荷的影响

压气机叶片负荷的提高使得叶片表面边界层更容易分离,利用上游叶排产生的非定常尾迹能够抑制边界层分离.运动圆柱代替上游转子,在保证下游叶片进气速度大小及攻角不变的情况下,改变圆柱运动速度以获得上游尾迹与下游静叶吸力面不同的夹角,发现在低负荷小分离情况下静叶损失系数与上游尾迹入射角无关;高负荷大分离情况下静叶损失系数随上游尾迹入射角的增加而降低.分析尾迹作用下高负荷静叶通道内流场,当进入静叶通道的尾迹与叶片吸力面近似平行时,尾迹诱导边界层增厚.使得叶片表面分离泡随时间大幅值脉动,损失增加;当尾迹与叶片吸力面的角度逐渐垂直时,尾迹抑制了边界层分离,同时叶片表面分离泡位置近似不变,其原因是尾迹以负射流形式进入边界层内部,补充了边界层内部低能流体,使得损失减小.      

轴流涡轮基元级静叶稠度对转静干涉的影响

对具有不同静叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况进行了数值模拟,考察了静叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响,探究了静叶稠度对转静干涉的影响机制.研究结果表明:当静叶稠度增加时,转子的非定常势干涉在上游静子中的扰动强度增加,但衰减加快,传播范围变短;静叶稠度的改变通过引起静叶尾迹的强弱、尾迹与动叶干涉的频率和动叶通道中的流动状态的变化来改变尾迹干涉的强弱;进而通过尾迹干涉强弱的改变影响基元级性能的非定常性.