离心压气机非轴对称流动特性分析

为探求离心压气机蜗壳周向不对称结构引起的内部非轴对称流动现象,采用实验和数值模拟(湍流模型为S-A模型)相结合的方法进行研究。结果表明:非设计工况下蜗壳高静压区域产生的扰动压力波向上游逆向传播,使压气机内部出现非轴对称流动。大流量工况(0.40kg/s)下蜗壳静压的不均匀程度比小流量工况(0.26kg/s)更明显,叶轮出口较强的扰动压力波可以逆向传播到叶轮进口大约180°的周向位置。流经扩压器的气流径向和切向速度的周向不均匀程度在小流量工况下较为显著,但大流量工况下蜗壳进口气流随时间的波动程度更明显。叶轮内部的非轴对称流动特性对叶片载荷分布及其波动形式产生影响,大流量工况下主叶片表面载荷波动主要受基频影响,而小流量工况下主要受2倍频的影响。     

非对称叶轮对双面离心压气机流量分配特性的调节作用

涡轮增压器使用的双面离心压气机,由于前后方叶轮进口流场存在着差异,导致随着流量减小,前后方叶轮流量分配失衡,出现前方单侧叶轮工作模式。为了进一步拓宽双面离心压气机的稳定工作范围,提出增大双面离心压气机后方叶轮半径的方法,实现两个叶轮流量分配的再平衡,主要目的是研究非对称模型在双面离心压气机流量分配调节方面发挥的作用,采用数值模拟方法对两种双面叶轮压气机整机模型的工作特性进行对比分析。结果表明:通过增大后方叶轮半径的方法,能够有效调节中等流量和小流量工况下两个叶轮的流量,从而改善了两个叶轮流量的平衡状况,同时改变了双面离心压气机的工作模式转变过程。前方叶轮各叶片槽道流量分配主要受蜗壳内部静压周向分布形式的影响,而后方叶轮各叶片槽道流量还受弯曲管道出口流场的影响,弯曲管道出口形成的交汇区域下游的叶片槽道内流量明显偏小。弯曲管道出口交汇区域内两股气流的相互作用强度受后方叶轮流量的影响,流量越小,交汇区域内两股气流的作用强度越弱。增大后方叶轮半径,增强了后方叶轮的做功能力,使设计工况的压比提高了4%,延缓了双面叶轮并行工作向单面叶轮工作模式的转换过程,并使双面压气机的稳定工作范围拓宽了12.6%。     

离心叶轮二元叶片型线的优化设计及分析

为改善优化离心叶轮的气动性能,提出离心叶轮二元叶片型线的一种优化设计方法,即通过给定流道平均相对速度沿半径的分布规律,在叶轮轮盘轮盖线不变的前提下,设计出一类叶片型线,并利用全三维数值模拟计算得到最佳性能的叶轮。孤立叶轮的计算表明,大部分工况的性能均明显优于原始叶轮,在设计点处效率提高12%,压升提高8.9%,流道中低速区的面积大大减小,静压场分布更加均匀。最佳叶轮配上原始蜗壳进行整机计算,结果表明,设计点效率提高10%以上,且消除了蜗壳出口段的倒流现象,但在大流量工况下压升量有所下降。     

间隙泄漏对半开式离心叶轮性能影响的实验研究与分析

通过实验研究,得出了半开式离心叶轮间隙对效率及压力的影响和不同间隙下叶轮出口径向速度的变化规律。在间隙一定,当流量从大向小变化时,主流区从轮盘侧向轮盖侧移动,有时在轮盘侧观测到明显的倒流现象。用动态热线风速仪对叶轮叶道出口的速度分布进行了集平均测量,得出了不同流量下的速度分布。     

U型进气管道对某离心压气机性能的影响

采用实验和数值模拟的方法研究了U型管道进气对某离心压气机性能的影响.实验结果显示,相比直管进气,U型管道进气在大流量工况下显著降低了压气机性能,压比、效率的下降量分别可达10%和18%以上.数值分析表明:U型管道进气时,其出口产生静压和总压畸变;压气机下游蜗壳因几何周向不均而存在相应的压力畸变,该畸变沿叶轮槽道向上游传播的过程中与进气畸变发生耦合.这种耦合作用改变了叶轮进口的流场结构,使叶轮槽道流量分布发生变化,叶轮对应畸变区域的熵值增加;同时还改变了叶片表面静压的分布形式,使整个叶轮主叶片的平均载荷增大约8%.      

微小流量离心压缩机叶轮流场性能模拟计算

设计了一种空气工质低压比的微小流量、高转速离心压缩机三元叶轮,并对其流场特性进行数值模拟.研究表明:该类叶轮出口与进口区域面积比小于1;采用高转速可以改善该类叶轮的效率;叶轮的最佳叶片数较源于大流量低转速离心压缩机理论的叶片数经验公式计算值要小;叶轮出口角一般在60°以上;叶尖顶部间隙增大时,叶轮总压比及效率显著下降.研究方法和结果为飞机高性能空气循环制冷系统和蒸汽压缩制冷系统中微小流量高转速离心压缩机的工程化设计提供了有益的参考.      

非设计工况下离心叶轮内湍流场的LDV测量

利用激光多普勒测速仪(LDV)对后弯闭式离心叶轮内部气流在非设计工况下的流动进行了实验测量。对比描述了大于和小于设计流量时叶轮流道回转流面上主流速度的分布特点,径向流面上的速度矢量图更清晰地说明了不同进口条件导致流道内气流流动产生分离的位置、强度以及发展的差异。二次流矢量图表明流量的改变影响了离心力和哥氏力在流动中的作用,导致在垂直于主流方向引起截然不同的二次涡旋流动。      

三维环境下离心/斜流压气机二维叶型优化设计

考虑离心/斜流压气机转子叶片通道内流动的强三维性,提出在三维环境下进行二维叶型优化设计.通过对能量方程中黏性耗散项改进,解决了Denton黏性体积力方法模拟离心/斜流叶轮三维流场效率偏高的不足.将改进流场计算模块与并行遗传算法寻优模块相结合,构成离心/斜流压气机二维叶型优化设计软件.采用所研制的软件,分别对离心叶轮和斜流叶轮叶尖处叶型进行优化设计.优化叶片基本达到目标流量和压比,在整个工作范围内效率都提高明显:在设计点离心叶轮效率由0.938提高到0.947,斜流叶轮效率由0.899提高到0.918.      

带90°弯管的离心压气机进口畸变数值研究

采用数值模拟计算的方法研究了90°弯管对离心压气机进口流场产生的畸变,并对比了两种弯管在不同轴向位置时其内部流场的区别,分析了弯管所致的进口畸变造成压气机性能下降的原因。结果表明,弯管畸变对离心压气机性能的恶化程度与弯管所在位置有关,距离叶轮进口较远的弯管影响较大。与无弯管相比,弯管造成叶轮进口的流场紊乱。畸变引起压气机性能在大流量时有明显降低,在小流量时恶化程度较小。这是因为流量增大时,进口畸变的作用增强,可以一直发展到蜗壳入口,并与舌部引起的周向畸变联合作用导致压气机性能下降。流量减小时,进口畸变的影响会减弱叶轮流道中的损失,有利于保持近失速状态下的压气机性能。      

重气体离心压缩机三元叶轮的设计及实验

利用一种基于准三元流动理论S2流面的逆命题方程, 研究了重气体离心压缩机三元叶轮的设计方法及提高性能的措施。对设计的两个三元叶轮模型级进行了实验测量, 获得了优良的性能曲线。还研究了不同工况下叶轮出口动压分布, 分析了各部件的损失特性。      

离心压缩机叶轮旋转失速的相空间重构及分形特征

结合非线性动力学中的相空间重构和分形理论,提出了一种分析离心压缩机叶轮旋转失速动力学特征的方法.采用数值方法对低速离心压缩机(LSCC)叶轮旋转失速状态进行了模拟,得到了失速工况下叶轮出口多个位置的气流压力时间序列.对各压力时间序列进行相空间重构,构造出一低维动力系统,其时间延迟和嵌入维数通过运用C-C方法得出.对重构的动力系统的相图进行了分形特征分析,计算了相应的分形维数.研究表明:叶轮旋转失速后系统的压力信号具有混沌特性,在相图上表现为具有分形结构,揭示了旋转失速后系统的动力学特征.计算分析分形维数后发现,数据采集点位于相同半径处计算得到的分形维数相近,约为3.39;数据采集点的半径增大时,分形维数减小.     

轴流压气机旋转失速与喘振的实验研究

本文运用热膜和动态三孔针对孤立转子和多级压气机的旋转失速和喘振现象作了详尽的试验研究。基于频谱中多种频率并存的事实,提出翼型分离导致两类自激振荡的论点。根据多级压气机的试验结果,对其稳定工作边界的性态作了分析和讨论。      

离心压气机进气流场研究及控制

对某车用增压离心压气机进行了三维数值模拟,研究了离心压气机设计点和不同转速下近喘振点进气流场,基于此提出了离心压气机进气轮盖导叶流场控制措施并进行了验证实验.研究表明:离心压气机近喘振点压力面与吸力面压力差异影响到进气流场,导致进气口轮盖附近出现与叶轮转向相反的切向速度;且从低转速到高转速,该与叶轮转向相反的切向速度逐渐增大;离心压气机设计点进气在叶片压力面和吸力面前分别形成与叶轮转向相反和相同的切向速度区域,该区域不限于轮盖附近.轮盖导叶的流动控制方法可以有效抑制近喘振点切向反速度,实验结果表明,轮盖导叶使得离心压气机整体性能得到了提高,在90000r/min近喘振点压比提高了3.4%,效率提高了3.0%.      

Numerical investigation of flow mechanisms of tandem impeller inside a centrifugal compressor

This study numerically investigated a single stage centrifugal compressor ‘‘Radiver’’ with a wedge diffuser and several tandem-designed impellers to explore the flow phenomena within the tandem impeller and the potential to enhance compressor performance. The results demonstrate that tandem design and clocking fraction (λ_s) significantly affects the compressor performance. The compressor stage with tandem impellers of Series A of boundary layer growth interruption alone are observed to have a widely operating range but efficiency and total pressure ratio penalty compared with that of conventional impeller. The tandem impeller with at least the same impeller efficiency as the conventional design is considered as a critical design criteria so that further modification process based on the flow characteristic of tandem impeller is necessary. In order to restrain the inducer wake and exducer shock losses, parameters modification of blade angle and thickness distributions are necessary and the modified tandem impeller of Series B is obtained. The modified tandem impeller with 25% clocking arrangement shows an 8.45% stall margin increase and maintains the total pressure ratio and efficiency as the conventional design, which proves the potential of tandem impeller to improve compressor stage performance. It is noteworthy that the tandem impellers of Radiver have not shown obviously balanced exit flow field and the fundamental mechanism of stall margin extending of tandem impeller lies on the improved impeller/diffuser matching performance resulting from the incidence angle variation at diffuser inlet.     

离心压气机自循环预旋喷气机匣处理的设计和验证

采用一种预旋喷气机匣处理提高离心压气机特定转速范围内的稳定裕度.通过引气加大离心叶轮进口基元级流量降低通道堵塞,并借助回流预旋喷气改变前缘攻角抑制叶背分离是该机匣处理扩稳的主要机理.基于这样的认识,对机匣处理做了几何参数设计研究,发现轴向搭接位置、搭接长度和开槽角度是影响机匣处理性能的3个主要参数.通过几何参数的合理选取,在尽量提高80%设计转速稳定裕度的同时兼顾100%设计转速的效率.压气机部件性能试验验证了该设计方法的有效性,并观测到在低转速时,机匣处理可以同时提高稳定裕度和效率.      

Numerical simulation of rotating stall in a subsonic compressor

Rotating stall is generally the first instability met in multi-stages compressors, before surge. This 3D phenomenon is characterized by one or more cells of stalled flow which rotate at a fraction of the rotor speed ω. The present paper deals with the simulation and the analysis of the rotating stall in a stage of a subsonic compressor.The configuration used for the study is an axial single-stage low speed compressor. A numerical simulation is carried out with a quasi three dimensional in-house code which solves the Navier–Stokes equations on a stream surface. The simulation shows a rotating stall with two cells which rotate at 48% of the rotor speed. Particular emphasis is laid on the pre stall phenomena analysis. The spatial mode which is responsible for the rotating stall cells number is identified many revolutions before the stall inception thanks to a Fourier analysis. However, further investigations are needed in order to identify the destabilizing mode origin.     

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。      

基于重组信号混沌特性的离心式压气机流场诊断方法

为了快速、准确地对离心式压气机内复杂三维流场的稳定性进行非接触式诊断,提出了一种可以识别和预判离心式压气机内可能出现的旋转失速或喘振等严重非稳定流动结构的新方法。通过从叶轮出口处盖板侧壁压信号映射的递归图中提取出合适的混沌特性量化指标来实现流场诊断,并利用周向相邻测点信号的预先重组进一步改进了该诊断方法。使用已公开发布的离心式压气机失稳状态下的相关试验数据验证了该流场诊断方法的可行性。相比于常规方法,该方法的优势在于可以通过量化指标更早地预判出压气机内流动失稳,并且指标临界值在各转速下保持基本一致,能够更好地应用于叶轮旋转速度波动或瞬变的突发情况。     

带气腔的离心压缩机旋转失速的三维数值模拟

使用商业CFD计算软件CFX求解三维雷诺平均的Navier-Stokes方程组, 结合出口气腔模型对某带无叶扩压器的离心压缩机的旋转失速现象进行数值模拟.首先使用定常计算得到了该离心压缩机的稳态性能曲线, 并和实验测量值进行了比较.然后引入出口气腔模型, 模拟离心压缩机内的旋转失速流动.在小流量下, 从矢量图和径向速度等值线图中观察得到了离心压缩机内部流场的非定常流动现象.还研究了气腔模型不同参数对失速流动的影响, 结果表明气腔体积越大, 计算得到的失速频率越低.      

Aeroelastic simulation of the first 1.5-stage aeroengine fan at rotating stall

A massive parallel aeroelastic simulation platform has been built to investigate the first 1.5-stage fan of an aeroengine at rotating stall. The Computational Fluid Dynamics (CFD) solver and Computational Structural Dynamics (CSD) solver are coupled directly by non-matching mesh interfaces. The unsteady rotor/stator interaction is solved by the Sliding Mesh Interface method. The original rotor blades are shrouded by the midspan shrouds. An unshrouded fan is also created to investigate the effects of the midspan shrouds. Both the shrouded fan and unshrouded fan have stable aeroelasticity at the designed state. At rotating stall, the stalled region rotates at 30% of the rotor speed on the absolute reference frame. The energy spectrum of the rotating stalled flow is measured quantitatively. It shows that the first two order excitations are much stronger than the higher order excitations. In the flow of rotating stall, the fifth backward travelling wave mode of shrouded fan is resonated by the fifth excitation of the rotational stalled flow because the rotational speed of the stalled region coincides with the modal rotational speed, while for the unshrouded fan, the first bending mode is resonated by the second excitation of the rotational stalled flow, forming two waves in the circumference of the annulus blades. At rotating stall, the vibration of the shrouded blades is still under control but the vibration of the unshrouded blades is diverged and out of control. A novel tool, i.e., resonance map, is proposed to predict the resonance. It provides a perspective to explain the effects of midspan shrouds at a theoretical level, and it would also be helpful in the structural design of blades.