压气机失速及喘振模拟技术研究

本文了一个有能力展示诸如压缩系统喘振和旋转失速行为的一维非定常逐级压缩系统过失速模型,讨论了模拟技术、控制方程,数值方法以及数值稳定性准则,通过利用试验所得的低速压气机的过失速级特性,模拟了这个系统的过失速行为,并把模拟结果和前人在类似低速压气机上所作的过失速试验结果进行了比较,两者的规律和特性是一致的。     

轴流压气机中喘振和旋转失速的数值模拟

基于轴流压气机逐级过失速特性，建立了多级轴流压气机过失速瞬态，包括喘振或旋转失速的分析模型。发展了分析轴流压气机过失速响应的动态滞后方法，并确定了压气机过失速响应的统一时间滞后常数。对一实验轴流压气机的过失速瞬态进行了数值模拟，与实验结果的一致性较好。     

进口畸变对轴流压气机流场影响的全通道数值研究

采用全通道非定常数值模拟方法研究了进口畸变对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中通过在进口径向段设置栏杆的方式产生畸变,非定常数值计算结果表明进口总压畸变后降低了压气机转子的性能,失速裕度减小了3.1％.通过详细地分析压气机进口延伸段及内部流场表明,畸变后在转子上游进口环面上出现低值进气角区,促使部分通道叶顶吸力面附面层分离起始位置靠前,造成通道内堵塞严重,并使叶顶间隙泄漏流在更高叶展前缘处溢流到相邻叶片通道进而诱发转子失速,进口均匀时压气机失速主要是由叶顶间隙泄漏流引起的堵塞造成.     

带有蜗壳的离心压气机进口失速先兆位置的确定及其成因分析

为了确定离心压气机失速先兆形成的原因,分析蜗舌与失速先兆位置的关系,采用数值计算方法对高速小流量离心压气机失速先兆特征进行了研究。计算结果表明:失速过程中流场结构的变化说明了离心压气机出现的是脉冲波失速先兆,离心压气机失速先兆现象由蜗舌对气流的阻滞作用诱发,蜗壳内部流场在周向55°附近区域出现高静压区域,高静压区域形成的扰动通过前倾后弯的叶轮通道逆向传播至叶轮进口,从而在进口周向115°附近出现失速先兆。     

机匣处理对轴流压气机失速恢复性的影响

针对一种扩稳增效的新型处理机匣,实验研究了亚声速单级轴流压气机机匣处理前后的过失速性能的变化。借助于压缩系统的一维逐级可压流的数学模型,发展了一种可用于带机匣处理的压气机失速可恢复性预测程序。数值模拟的结果很好地展示了机匣处理前后失速恢复性地变化,并解释了机匣处理后单级压气机失速恢复性改善的原因。     

进口畸变下缝式机匣处理改善轴流压气机性能的研究

为了研究进口畸变下缝式机匣处理改善轴流压气机性能的机理,以亚声速单级轴流压气机的孤立转子为研究对象,在53.4%设计转速下,采用10通道非定常的数值模拟方法,开展进口畸变下轴向倾斜缝机匣处理改善轴流压气机性能的机理研究。采取在进口径向延伸段中部沿周向设置栏杆的方式产生畸变。与进口均匀实体壁机匣相比,进口畸变实体壁机匣的失速裕度改进量和峰值效率改进量分别为-5.88%和-1.44%,而进口畸变带机匣处理的失速裕度改进量和峰值效率改进量分别为24.37%和-1.09%。进口均匀实体壁机匣时,压气机的失速类型为典型的突尖型失速,即由叶顶间隙泄漏流引起的堵塞所造成。进口畸变引发叶顶处吸力面的气流分离,且气流分离沿周向呈非轴对称分布,进口畸变后叶顶通道内的低速区在很大程度上还是由叶顶间隙泄漏流所造成,只不过相比于进口均匀,叶顶处吸力面的气流分离提前发生,并且反过来又加剧叶顶间隙泄漏流的负面影响,即进口畸变后压气机失速的主要诱因没有发生本质的变化。机匣处理上、下游的喷射、抽吸过程分别对叶顶通道上游、中部的低速区气流起到激励、吹除作用,其有效地抑制了由叶顶间隙泄漏流所造成的叶顶前缘溢流和叶顶通道内压力面附近的回流,进而提高了叶顶通道的流通能力。     

湍流型动态畸变下涡喷发动机稳定性分析

对湍流型动态畸变进气流场进行了分析和描述，给出了随机涡在压气机进口所产生的总压脉动的通用分布曲线，并统计地分析和预测了该总压脉动引起的最可能最大失速裕度损失。数值分析表明在考虑压气机对非定常流响应方面，最为关心的压气机最大失速裕度损失值是脉动压力的均方根值、功率谱密度、压气机进口转子弦长和转速的函数。     

带主燃烧室的轴流压缩系统过失速行为的数值模拟

基于轴流压气机逐级过失速特性和燃烧室特性 ,建立了带主燃烧室的多级轴流压气机过失速的分析模型。发展了分析轴流压气机过失速响应的动态滞后方法 ,确定了压气机过失速响应的统一时间常数。并将该模型应用到国内某型发动机的过失速行为的分析 ,得到了合理的定性理论结果。     

周期扰动下低压压气机旋转失速先兆辩识

为了尽早预测压气机旋转失速的发生,通过在进口施加进气周期干扰以达到识别旋转失速先兆的目的。以一台单级低速低压轴流压气机为研究对象,通过全周数值模拟再现了压气机旋转失速现象。在旋转进气畸变扰动下,具体分析不同干扰对压气机空间模态随分岔参数变化的影响,并考察幅值灵敏度在识别失速先兆中的作用。结果显示,在各种进气条件下压气机一阶、二阶空间模态的幅值及其灵敏度在各自不稳定边界均表现出明显增大的现象。通过监测一阶模态幅值灵敏度的演化,在进气畸变干扰的条件下,相比均匀进口条件能够提前识别出失速先兆。     

加力涡扇发动机喘振与消喘模拟

基于气动耦合原理,发展了涡扇发动机风扇出口分流环计算模型,并进一步基于多级轴流压气机系统的逐级单元控制体模型,建立了混合加力涡扇发动机喘振及其喘振消除的数值模拟方法,并将其应用于某型全台加力涡扇发动机过失速特性模拟。在加力状态下采用收小尾喷管喉道面积诱导了风扇压气机过失速—喘振过程,并给出了预先对加力燃烧室实施切油消除风扇压气机喘振数值模拟结果。      

稳态联合畸变下多级轴流压气机的气动稳定性分析

发展了一种分析稳态压力 -温度联合畸变下多级轴流压气机气动稳定性的逐级平行压缩系统模型。导出了基于双对角线格式的数值预测方法。对三级实验压气机进行数值分析后 ,给出了压气机进口稳态压力、压力 -温度联合畸变与压气机稳定裕度损失之间的定量关系 ;并给出了压气机失稳首发级的识别方法。     

进气总温畸变在压气机中的数值模拟

为了研究进气总温畸变在压气机中的传递特性,建立了压缩系统的几何模型,通过求解非稳态三维欧拉控制方程,计算了气流参数在压气机各截面的分布,获得了一种计算进气总温畸变的方法。以某三级压气机为例,对模型的有效性进行了验证。在进口存在周向总温畸变的情况下,计算得到了总压、静压、总温、静温和流量系数在各截面上的分布规律,得出了该三级压气机对总温畸变的响应。     

基于容积法的某涡扇发动机动态建模方法

考虑了容腔的质量和能量的储能效应,提出了基于容积法的涡扇发动机实时数学模型建模方法,建立了容腔压力和温度的微分方程,容腔的压力和温度可以用不迭代的数值法求解.同时,利用C++面向对象编程语言,建立了某涡扇发动机动态模型.用建立的发动机动态模型和商用软件Gasturb 10分别计算了发动机性能,并进行了对比,结果表明:该模型与Gasturb 10的运算结果具有良好的一致性,高压压气机转速、涡轮进口温度及压气机喘振裕度的响应结果最大相对误差小于1%.容积法避免了数值迭代,可以保证模型计算的实时性.      

动态畸变下轴流压缩系统失稳判别的统一准则

对动态畸变条件下多级轴流压缩系统气动失稳判别进行了详细的数值分析。基于动态压缩系统模型，发展了一种动态畸变下轴流压缩系统失稳判别的统一准则。应用新准则分别对进口动态温度、动态压力及动态动力—温度组合畸变下的多级轴流压缩系统的气动稳定性进行了预测分析。通过与实验结果的定性比较，给出了相应进气条件下压缩系统可能失稳的首发级。     

动态压缩系统模型在某型高压压气机中的应用

将动态压缩系统模型应用于某型双转子发动机的高压压气机中。基于逐级特性，分析了高压压气机在进口平面温度突升条件下的动态响应及气动稳定性，进一步确定了进口温度突升条件下轴流压缩系统的失稳判别准则，并给出了高压压气机失稳的首发级。     

均匀与非均匀进气条件下多级轴流压气机性能计算—周向畸变的影响

本文重点介绍采用二维可压缩非定常的 Euler方程描述回转面上无叶区的流动, 并利用二维可压缩“激盘”取代压气机的转子和静子叶排, 分析进气周向畸变对轴流压气机性能影响的模型。该模型中各叶排的损失和转折角直接由与均匀进气子系统完全相同的方法计算确定, 从而克服了在解决此类问题时通常需要给定各叶排损失和转角特性的困难。本文还重点分析了进口周向总压畸变经过 RB-199高压压气机的衰减和对该压气机性能的影响, 并分析了气动负荷的影响。      

进气畸变对压气机性能影响的三维彻体力模型

基于三维彻体力模型理论初步发展了一个能有效预测进气畸变下压气机性能的压气机三维稳定性分析模型(CSAC).该模型通过求解带有源项的可压三维Euler方程组,对压气机内部全环三维流场进行模拟.叶片对气流的作用力和做功源项根据压气机三维稳态Navier-Stokes(N-S)解的相关气动参数计算得到,并给出了源项与叶片进口气动参数之间的数据库关联方法.利用该模型计算和分析了NASA Rotor 37在均匀进气下的气动性能,并与三维稳态N-S计算结果对比,验证了该模型的准确性.最后利用该模型模拟了Rotor 37在稳态周向总压畸变下的性能.结果表明:总压畸变不但降低了压气机的气动性能和稳定裕度,而且在压气机转子出口诱发总温畸变,研究表明该模型在消耗较少的计算资源下正确地反映了进气畸变对压气机性能的影响,是目前分析进气畸变对压气机性能影响的有力工具.      

总压畸变在三级轴流压气机中的传递性能研究

介绍了一种计算进气畸变的方法.通过求解非稳态三维欧拉方程,计算压气机各截面气流参数分布.以74A三级压气机为例,进行了周向总压畸变传递特性计算,得到了压气机进口存在总压畸变时总压、静压、总温和流量系数在各截面上的分布规律,得出了畸变强度、畸变范围和畸变位置在轴向上的分布规律.      

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。     

多扇平行压气机模型在压气机稳态畸变流场计算中的应用

描述了一个轴流压气机在进口稳态畸变条件下流场计算的方法。借助多扇平行压气机模型,采用流线曲率法,求解完全径向平衡方程,计算压气机内各叶排进出口气流参数的分布,从而得出压气机在进口畸变条件下流场的详细情况。以一台单级压气机为例,进行了进口总压、总温和气流角周向畸变条件下的流场计算,证明其结果是合理的。