Using tandem blades to break loading limit of highly loaded axial compressors

It is confirmed that tandem-blade configurations have potential to enlarge the flow turning in two-dimension(2D) studies. However, the potential of tandem blades to enlarge the design space for highly loaded axial compressors was rarely investigated in open literatures. The present work aims to show the capability of tandem blades to break the loading limit of conventional blades for highly loaded compressors. The 2D models of the maximum static pressure rise derived in previous work were valida...     

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。     

多叶排旋转失速起始的研究

以小扰动理论为基础 ,应用非定常、二元、不可压流的流动模型 ,推导了任意级轴流压气机的旋转失速起始判别准则通式。通过三个矢量方程组 ,系统地归纳了小扰动理论应用于多排叶片时各待定系数的关联方程。利用所设计的计算机程序 ,完成了对多级轴流压气机旋转失速起始边界的理论估算。与叶排特性的预估方法相结合 ,提出了一种较完整的理论估算失速边界的方法。理论值和实验值的吻合 ,证实了理论分析的可靠性。对比计算结果 ,讨论了失速团数目和级间轴向间距这些待定参数对预估结果的影响     

轴流压气机角区分离的研究进展

角区分离是一种常发生于轴流压气机"吸力面-端壁"角区的三维分离现象,该现象以及随之产生的流场堵塞和流场损失会对压气机的稳定工作和效率造成不良影响,严重时会发展为"角区失速"。随着现代轴流压气机单级负荷的提升,角区分离所产生的负面影响日益突出,严重阻碍了高负荷压气机的发展,各种主动、被动流动控制方法也因此被广泛应用于角区分离的流动控制。首先,从角区分离对轴流压气机性能的影响、角区分离的流场特征和角区失速的判别准则3个方面对轴流压气机角区分离的流动机理研究进行了回顾,详细讨论了角区分离的影响因素、角区分离的流动拓扑分析以及角区失速的定义与判别方法。其次,对三维叶片设计、翼刀与凹槽、旋涡发生器、非轴对称端壁造型、射流式旋涡发生器、等离子体气动激励以及附面层抽吸与附面层射流7类流动控制方法的研究进展进行了回顾,重点探讨了这些流动控制方法在抑制角区分离方面的应用,并给出了这些流动控制方法的对角区分离的作用机制。最后,对角区分离领域的研究现状进行了简要地总结,指出了现有角区分离的机理研究和流动控制研究所存在的不足,并对该领域未来的发展进行了展望。     

周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级预测分析

基于多级轴流压气机的逐级特性,发展了1种预测周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级的方法。该方法结合平行压气机模型和级叠加计算方法,以进气畸变条件下多级轴流压气机某级的有效相对气流角达到稳定状态时该级的最大相对气流角为条件,进行多级轴流压气机失速首发级的预测分析。通过对J85—13发动机8级轴流压气机总压畸变试验数据进行模拟计算,预测出该轴流压气机畸变条件下的失速首发级。     

不同掠型扩压叶栅壁面静压分布特性研究

实验研究了不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅壁面静压分布。结果表明,前掠叶栅流道中横向压力梯度减弱,型面压力沿叶展呈反"C"型,有利于减弱角区低能流体堆积,但中径处损失将有所增加;弯掠叶片强化了上述趋势,其降低端部损失和延缓角区分离的能力更强,具有深入研究的必要。      

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

带周向槽叶尖处理机匣轴流压气机容总压畸变特性

基于叶尖处理机匣轴流压气机叶排实验特性，应用畸变传递的矩阵分析模型，对轴流压气机叶尖处理机匣容总压畸变特性进行了详细分析，并建立了处理机匣对总压畸变及其沿轴流压气机叶排衰减特性影响规律。计算结果表明，叶尖处理机匣虽能有效提高转子叶排抗总压畸变能力，但对其后的静子叶排抗畸变产生了明显不利影响，这对设计合理的扩大轴流压气机稳定裕度处理机匣结构尤为重要。     

低负荷和高负荷压气机叶栅气动性能的实验和数值模拟

为了明确采用高负荷设计及一般设计（低负荷）方法的压气机气动性能和流动转捩的差异,进行了不同攻角下的叶栅吸力面流谱绘制和参数测量实验。并基于实验边界条件,采用γ-θ转捩模型开展数值研究。结果表明:与低负荷叶栅相比,随着攻角的增大,高负荷叶栅主流附面层由附着流变为分离流,尾迹的宽度和损失强度增加,并与角区分离融合为一个“带状”损失区。而低负荷叶栅的角区分离仍为紧贴壁面的开式分离,主流附面层仍然附着在壁面上。结果表明:高负荷设计增强了叶栅内逆压力梯度,这使得流动更容易分离,表现为表面形状因子呈现大范围的“峰谷”型分布,转捩模式也由局部旁路转捩变为全叶高范围的分离泡转捩。      

预测轴流压气机工作稳定性的非线性模型

建立了预测轴流压气机工作稳定性的非线性模型,采用有限差分数值模拟单转子和一台三级轴流压气机旋转失速的形成和发展过程,预测失速特征参数。由于合理地考虑了失速流动的非定常和非线性因素的影响,大多数失速特征参数的预测结果与试验测量值相符。     

基于数据驱动的轴流压气机特性图规律及预测

为探索轴流压气机特性线的内在规律,结合数据分析方法和热力学原理,对五十余幅轴流压气机特性数据进行了研究。通过将多种热力学参数引入特性图,并提出了压气机特性描述参数,从各转速峰值效率点连线、近喘振区和近堵塞区3个方面分析了压气机特性中物理量间的规律,发现了压气机特性参数与设计指标间的关联,并依据前述规律发展了基于设计指标和性能参数的压气机特性预测算法。研究发现:在工作转速范围内,多个热力学参数之间存在明确的线性相关性,各轴流压气机的特性参数与设计点总压比有显著关联,而与设计点效率关联不明显。提出的预测算法可以在没有叶片几何信息的条件下,仅依靠设计指标和性能参数,较好地预测出总压比小于8的轴流压气机性能。      

多级轴流压气机失速边界预估

本文提出了两种预估多级轴流压气机旋转失速边界方法。前者把关于单叶排的半经验准则推广至多级压气机。取前一级的出囗条件为后一级的进囗条件,每级进行类似运算,对比各级的失速起始流量来判别多级压气机的失速起始边界。预估结果得到了实验验证。后者以小扰动理论为基础,应用非定常二元不可压流的流动模型,导出了双级轴流压气机的旋转失速起始判别准则。利用 Newton- Raphson方法求解特性方程根据设计的程序完成了几个实例的理论估算。预估值和实验值的吻合证实了理论分析的可靠性。并对比不同情况下衰减因子的变化规律,分析了各叶排损失随进口相对气流角的变化趋势。      

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。      

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。      

基于分岔理论的轴流式压气机旋转失速主动控制技术

旋转失速是轴流式压气机的一种基本气动不稳定工作现象, 首先通过对Moore-Greitzer压缩系统模型的非线性动力学分岔分析, 发现旋转失速是由亚临界的音叉分岔所造成;其次提出了一种基于分岔理论的非线性主动控制算法, 采用压气机压比作为输入测量信号, 节流阀位置作为输出激励信号;最后采用分岔软件AUTO进行了计算机数值仿真, 仿真结果表明, 提出的非线性主动控制算法使得音叉分岔由亚临界转变为超临界, 从而消除了旋转失速迟滞环, 以及扩大了压气机的稳定工作范围.此外, 由于控制系统仅仅需要一维布局的传感器和激励器, 因此同时具备了较好的工程应用前景.      

周向总压畸变在轴流压气机中的传递特性分析

基于轴流压气机叶排特性,建立了一种预测周向总压畸变沿轴流压气机传递的矩阵分析模型,应用于某一单级压气机,对其进口总压畸变传递特性进行了详细的数值分析,给出了对发动机稳定性分析中影响较大的总压、总温及气流角的周向分布。计算结果与实验结果比较表明,本模型和采用的方法合理,可行。      

Moses失速模型三维优化修正

通过低速轴流压气机失速实验,结合压气机失速仿真云图以及实验中所测得的叶片径向压力脉动图,发现失速后为部分叶高失速,而不是全叶高失速。基于失速预测Moses模型,通过比较不同径向截面计算得到的总压损失,发现沿径向叶片截面安装角的变化对模型的计算结果有影响,通过引入参数B对模型中的参数k进行改进。经过改进后的模型所预测的结果较原模型能够更加准确地预测压气机失速后的情况,改进后的模型可以为压气机设计提供良好的参考设计数据。对高亚声速轴流压气机进行改进,将高速可压这一因素考虑到模型推导中,对模型进行改进,改进后的模型相较于原模型在预测计算高亚声速轴流压气机压比特性上准确度提升了30%。      

压气机“修型”叶栅的实验研究

文中通过压气机叶片“修型”叶栅和常规叶栅的对比实验 ,研究了“修型”叶栅栅后三维流动特征。试验结果表明 ,对常规压气机叶片端部尾缘进行局部修型 (即改变叶片的几何形状 ,但与“端弯”方式不同 ) ,在叶栅损失系数基本不变或略有下降的前提下 ,可以有效地改善和控制栅后出口气流角沿叶高的分布 ,以满足下游动叶进口气流方向的要求。平面叶栅试验结果还表明 ,尽管对常规叶栅端部尾缘实施局部修型 ,减小了端区的叶片出口构造角 ,但对整个气流转折角影响不是太大。同时 ,叶栅自身的流通能力基本不受影响 ,甚至有所改善。此技术已成功地应用于多级压气机和喘振裕度的改善、效率的提高以及压气机不稳定脉动压强 (叶片激振动 )和乱分离的抑制     

弯叶扩压叶栅壁面静压分布实验研究

在零冲角下, 对常规直叶片、正倾斜和正弯曲叶片组成的3种平面扩压叶栅的叶片表面和端壁静压分布及相应的出口流场进行了实验研究, 实验表明叶片正弯曲可得到叶片表面上沿叶高的C形压力分布, 叶片倾斜和弯曲可消除壁角区低能流体的堆积, 降低端部损失, 延缓壁角失速, 改善叶栅气动性能。      

一种实现轴流压气机试验特性关联的经验方法

采用系统研究思想,对10余台轴流压气机稳态性能试验数据进行了整理分析,在统计层次上探索了现有气动/结构设计体系下离散试验数据之间的内在关联规律.详细阐述了关联基准点的选取、关联基准线的构造、稳定工作边界的预估、特性线的泛化拟合和关联基准点的求解等环节,成功构建了一种实现多级轴流压气机试验特性有效关联的经验分析方法.结果表明:该经验方法对于大流量低速压气机变工况特性具有较好的预估能力,总体相对误差小于±10%.该方法可应用于同类型新设计压气机变工况特性表征关系的经验重构和先期性能评定,为压气机离散试验数据的挖掘、利用提供技术支持.