旋转畸变条件下新型机匣处理扩稳效果试验

开展了一种新型机匣处理扩大轴流风扇/压气机稳定裕度的试验研究。在低速风扇试验台上模拟旋转进气畸变,分析此种畸变进气条件对压气机工作性能造成的影响,并且考察一种新型机匣处理的扩稳效果。旋转进气畸变下,压升-流量特性曲线失速边界向右下偏移,压气机失速裕度明显降低。新型机匣处理在旋转进气畸变条件下对风扇/压气机有显著的扩稳效果,较小畸变转速(200,500r/min)情况下,新型机匣处理能提高压气机稳定裕度10%~20%,同时并没有带来明显的效率损失;畸变转速为800r/min情况下,机匣处理的扩稳效果相比并不明显,但可以提高压气机工作效率1%~2%。较大畸变转速情况下,畸变方向不同,机匣处理扩稳效果有所差别:正向畸变时机匣处理提高压气机失速裕度3%~10%,提高效率1%左右;而反向畸变时,失速裕度均提高10%以上,甚至达到20%,但压气机效率损失在1%左右。     

斜沟槽型处理机匣对压气机性能影响的数值研究

采用数值模拟方法,研究了不同沟槽深度和开槽位置的斜沟槽型处理机匣对压气机气动性能的影响。结果表明,叶尖间隙较小时,与光壁机匣相比,机匣处理后压气机堵点流量提高,最大效率基本不变,稳定工作裕度下降;叶尖间隙较大时,机匣处理后压气机最大效率不变,堵点流量、压比和稳定工作裕度提高。适当减小开槽点与转子叶尖前缘距离,可在不损失效率的情况下提高压气机近失速点压比。斜沟槽型处理机匣对流动的影响:一是流通面积增加和斜坡带来的收缩通道作用,有助于缓解叶尖流动堵塞,降低损失;二是机匣突然升高造成后台阶流动分离,造成较大的总压损失和效率下降。     

分流机匣对风扇/压气机性能影响的计算比较

采用流线曲率法、端部势流场分析加附面层修正等数值模拟手段,就分流机匣对风扇/压气机性能的影响展开研究,主要针对分流机匣端部中弧线形状、端弧形状,以及其轴向位置所引起的风扇/压气机特性变化规律进行了分析。研究结果表明:分流机匣几何参数及其轴向位置对整个风扇/压气机的性能有相当大的影响,对其几何参数的合理选取可以使风扇/压气机在较大的涵道分流比范围内,有效控制机匣内外表面附面层流动状况,在抑制紊流附面层分离,改善堵塞裕度方面有独特作用。      

非定常机匣处理扩大压气机稳定裕度实验

从非定常角度出发,设计了一种通过改变斜槽和气室来调节壁面阻抗边界条件的非定常处理机匣,并对其开展扩大轴流风扇/压气机旋转失速稳定性的实验研究.研究工作包括:对非定常处理机匣进行流量-压比特性实验,研究其扩稳效果;对处理机匣的结构参数(斜槽、气室)进行可调节特性实验;对机匣处理的效率特性进行实验评估.结果表明:这种非定常机匣处理在三台低速风扇/压气机实验台上,通过调节机匣参数,不仅能够实现在不同的工作转速下对压气机稳定裕度有显著效果,而且效率没有明显改变.      

缝式机匣处理对对转压气机的扩稳机理

为探索缝式机匣处理在对转压气机中的适用性，采用数值模拟的方法研究了缝式机匣处理对对转压气机气动性能和稳定裕度的影响。通过分析缝式机匣处理对压气机总体性能和叶尖流场的影响，以揭示缝式机匣处理在对转压气机中的扩稳机理。研究表明：缝式机匣处理可以提高对转压气机的失速裕度，机匣处理的轴向位置对对转压气机的气动性能和失速裕度有显著的影响。随着机匣处理的前移，对转压气机峰值效率的亏损逐渐减小，而失速裕度改善程度相差不大。机匣处理缝的抽吸和射流效应减弱了转子R2叶顶通道的堵塞程度，通过抑制叶尖泄漏流和二次泄漏流的发展以推迟失速的发生，进而实现扩稳。此外，缝式机匣处理时可能改变该对转压气机的最先失速级，同时也证明了缝式机匣处理在变工况下扩稳的有效性。     

周向非均匀叶尖间隙对轴流压气机性能的影响

以跨声速单级轴流压气机为研究对象,通过改变转子外机匣椭圆度产生周向稳态非均匀叶尖间隙布局结构,在高转速压气机试验器上详细开展了周向非均匀叶尖间隙对压气机性能特性与稳定边界影响的试验研究。同时,结合转子叶尖间隙流场动态压力精细化测量,揭示了周向非均匀叶尖间隙触发压气机内部流动失稳的物理机制。试验结果表明:转子叶尖周向非均匀间隙对压气机流量、压比和效率基本没有产生影响,但对气动稳定性具有显著影响。随着转子机匣椭圆度增大,稳定工作边界逐渐向右下方偏移,压气机稳定工作范围不断减小;不同转速下,压气机稳定裕度损失程度并不相同,高转速工作区域的压气机稳定裕度损失程度要大于中低转速工作区域的;周向非均匀叶尖间隙会导致原有转子叶片气动负荷沿径向重新分布,弱化转子叶片尖部气动加功能力;设计转速时,相比于小间隙情况,大间隙下的泄漏涡与通道激波相互作用,使得相邻叶片压力面侧的高静压低速区域扩大,加重对转子通道的堵塞作用。     

抽吸气对高负荷跨声双级风扇裕度影响的数值研究

采用数值模拟方法,研究了叶片吸力面开缝抽气方案对某高负荷跨声双级风扇性能和稳定工作范围的影响,分析了开缝位置及大小对抽吸气效果的影响。结果表明:通过静子叶片吸力面边界层抽气,可将边界层分离区的分离流引出,抑制或推迟边界层分离,减小因边界层分离带来的损失,从而改善风扇/压气机的气动性能,提高其稳定工作裕度;抽吸气效果与缝隙位置及大小等因素有关,风扇/压气机设计中应用抽吸气技术时须综合考虑以上各种因素的影响。     

基于统计特征的轴流风扇/压气机性能试验数据相关性分析

采用关联统计的系统研究思想,收集整理了国内14台轴流风扇/压气机性能试验数据,在分析、识别大流量风扇与高压比压气机变工况特性曲线形状结构特征的基础上,提出了表征风扇/压气机气动性能的两类基本属性.通过尝试构建多种无量纲物理参数,在统计层次上探索了风扇/压气机特性曲线变转速偏移程度和等转速工作范围的量化关联关系.结果表明:大流量风扇非设计转速特性曲线的偏移程度和有效流量工作范围均要大于高压比压气机;风扇/压气机最高效率线上相对压比、相对流量、相对流量-转速比和相对加功量-转速比4个物理参数之间存在明显统计规律;所构建的经验数学模型可以对性能试验数据做统一相关性分析.      

低速离心压气机非稳态流和机匣处理的数值分析

机匣处理能够改善压气机稳定裕度,扩大其稳定工作范围。为了验证并分析其扩稳机理,对带沿气流流向槽的低速离心压气机内部进行了全三维数值模拟,将数值计算结果与实验结果进行了比较,并详细对比分析了实壁机匣和机匣处理后离心压气机转子顶部区域流场结构,以及阐述了机匣处理对叶顶间隙泄漏涡和二次流等非稳态三维紊流流动的影响。     

机匣处理改善某单级跨声轴流压气机性能的机理研究

采用全三维数值方法研究了轴向倾斜缝机匣处理对某单级跨声轴流压气机性能的影响.数值结果表明:机匣处理不仅扩宽压气机稳定工作范围,而且还略微提高了单级跨声轴流压气机峰值效率.通过详细分析压气机转子内部流场,揭示了该机匣处理对该单级跨声轴流压气机性能及流场影响的机理,在倾斜缝中形成的回流作用下,使叶顶吸力面气流分离的起始位置向下游推移,并削弱了分离流与叶顶间隙泄漏流相互作用造成的恶劣影响,提高了叶顶通道的流通能力,进而推迟压气机失速的发生.      

组合型机匣处理提高轴流压气机稳定性的机理

用全通道非定常计算方法研究了轴向倾斜缝、自适应机匣处理及两者形成的组合型机匣处理对亚声速轴流式转子稳定工作范围的影响,结果表明:轴向倾斜缝、自适应机匣处理及组合型机匣处理取得的综合裕度改进量分别为12.86%,16.47%及22.72%,其中组合型机匣处理扩稳效果最强,自适应机匣处理次之.通过详细地分析压气机内部流场表明,组合型机匣处理削弱了叶片吸力面气流分离带来的不良影响.从喷气装置流出的高速气流抑制了叶顶间隙泄漏流从相邻叶片叶顶前缘溢出的现象,部分叶片通道受到轴向倾斜缝的作用,泄漏流线被抽吸入缝中,也能抑制前缘溢流的产生.     

反叶片角向缝机匣处理影响轴流压气机性能的机理

采用试验和非定常数值模拟方法研究了反叶片角向缝机匣处理对亚声速轴流压气机性能的影响.试验与数值计算结果均指出反叶片角向缝机匣处理后,转子在降低12%左右最大等熵效率的基础上获得30.1%左右的失速裕度改进量.详细的转子叶顶流场分析表明反叶片角向缝机匣处理改善了叶顶间隙泄漏流动,消除了实体壁机匣时叶顶通道低速泄漏流形成的堵塞,因此转子稳定性得以提高.同时转子叶片与处理缝的相对位置变化会影响处理缝的扩稳能力.处理缝中回流、处理缝形成的喷射流与叶顶通道主流的相互作用都造成较大的流动损失,进而使转子等熵效率降低.反叶片角向缝机匣处理前移约55%叶顶轴向弦长的数值研究结果表明,与反叶片角向缝机匣处理比较,反叶片角向缝机匣处理前移获得的失速裕度改进量降低约10.4%,但等熵效率的恶化程度降低近64%.      

对转压气机中机匣处理的非定常影响

为探究不同形式的机匣处理扩稳机理和损失产生区别，以某两级对转压气机（CRAC）为研究对象，通过非定常数值模拟方法开展了自循环机匣处理（SRCT）和轴向槽机匣处理（ASCT）扩稳机理的研究。结果表明：SRCT和ASCT在近失速点均显著提高失速裕度和总压比，在峰值效率点附近增加效率损失；机匣处理通过作用于叶顶泄漏流和抑制压力势流减弱转子间动-动干涉效应；机匣处理槽内流场与转子相对位置相关，转子周期性的扫掠机匣处理槽增加了轴向槽内流动的非定常性，机匣处理槽内流动掺混是效率下降的主要原因。     

处理机匣情形下的轴流压气机转子失速

为了解在处理机匣作用下的压气机转子失速点流动,采用非定常模拟方法对跨声轴流压气机转子在带气室斜槽处理机匣情形下的流动进行了模拟研究,获得了高、低转速下的转子特性,并针对近失速点流场进行了分析.结果表明,在处理机匣的作用下,转子失速的主要产生原因与实壁情形不同.在失速点,处理机匣有效地抑制了叶尖泄漏流的负面作用,但由于不能更多地吸纳叶尖的低能流体,使得叶片吸力面附面层中向叶尖迁移的低流向动量流体堆积于叶尖吸力面尾缘处,形成严重的流动堵塞,从而导致转子叶尖失速.      

圆弧斜槽处理机匣的实验研究

在一台轮毂比为0.49的低速单转子轴流风机上,开展了圆弧斜槽处理机匣的实验研究,以便了解它对风机失速裕度和工作效率的影响,并在此基础上,借助转子进、出口三维流场的测量结果,研究该处理机匣的扩稳机理。另外,通过实壁机匣、轴向斜槽处理机匣的性能及流场测量,对不同处理机匣的作用效果和作用方式进行研究。研究结果表明,圆弧斜槽处理机匣的最大扩稳能力能使该风机的失速裕度较之实壁机匣提高27%,并且在峰值效率上有1%左右的提高。      

桥式槽处理机匣的扩稳机理研究

利用数值模拟的手段对桥式槽处理机匣的失速机制和扩稳机理进行研究。通过与实壁机匣和全通槽处理机匣的对比分析结果表明:叶尖泄漏和叶片吸力面的分离均会引起叶尖通道堵塞,进而诱发失速。在实壁机匣情况下叶尖泄漏流堵塞叶尖通道是诱发失速的主要原因;全通槽和桥式槽处理机匣均能减弱叶尖泄漏流强度,但是全通槽处理机匣加剧了吸力面的分离,这造成了较大的效率损失;而桥式槽处理机匣能够通过改变抽吸区和喷气区的面积大小控制泄漏流和分离流引发的流道堵塞,从而在裕度提升和效率损失之间取得平衡。研究表明:喷气区面积越大,叶尖攻角越大,吸力面分离越强,压气机效率越低;抽吸区面积越大,泄漏流越弱,压气机的失速裕度越大。     

低雷诺数条件下跨声速转子轴向倾斜缝处理机匣扩稳研究

采用非定常数值方法对低雷诺数条件下50%,75%和100%三种不同轴向叠合量的轴向倾斜缝处理机匣结构对NASA Rotor 37跨声速压气机转子的扩稳效果进行了研究.结果表明,引入处理机匣后,附面层径向涡得到了很好的抑制,由附面层径向涡所引发的叶顶阻塞区大为减小,虽然又引发了由叶顶间隙涡对叶顶所造成的阻塞,但引入处理机匣后对压气机稳定性仍有较大的改善,能有效提高压气机转子的失速裕度.      

自循环机匣处理轴向位置影响扩稳能力的机理

为了揭示自循环机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理，采用非定常数值方法研究了3种不同轴向位置对机匣处理（CT）扩稳能力的影响，结果表明:机匣处理喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的扩稳能力最强，喷气装置在叶顶前缘正上方的次之，喷气装置在叶顶前缘上游较远处的最弱，对应机匣处理获得的综合失速裕度改进量分别为9.40%，7.09%，5.49%.通过详细地分析压气机叶顶流场表明:喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的机匣处理施加有利影响程度最高的范围刚好覆盖叶顶前缘处，此处是引起转子失速的关键部位，因此抑制叶顶间隙泄漏流造成的堵塞的效果最好，对应的扩稳能力在3种机匣处理中最强.