高负荷压气机精细化设计

为保证压气机在负荷水平不断提高的同时仍具有良好的气动性能，需要对级间匹配、泄漏流和端区流动的控制进行精 细化处理。为兼顾压气机效率和裕度2个指标，需要对流量系数进行精细筛选以获得其最佳取值；通过增加级的反力度，可以有 效利用高负荷条件下转子的高稳定性，进而缓解负荷提高后静子易分离失稳的问题 ，同时使转、静子的扩散因子均得到较好地控 制；级间引气流场对压气机的级间匹配有较大影响，需要对引气结构进行优化设计，并在气动设计过程中对相关叶片排的攻角、落 后角作出补偿；合理控制篦齿封严泄漏流、转子叶尖泄漏流可以大幅提高高负荷压气机的气动性能；采用波浪壁流路可以较好地 控制高负荷压气机的局部端区流动，实现其效率和裕度水平的提升。     

高负荷多级轴流压气机级间引气数值模拟

采用数值模拟的方法,以一台高负荷8级轴流压气机为研究对象,研究了级间引气对压气机总体性能、内部流场和级间匹配特性的影响.结果表明:级间引气可以显著提高压气机的总体性能,引气使得压气机进口流量增加近1%,最高效率提高约1.5%;引气会使引气位置处的压力降低,气流密度减小,从而使得引气位置上游的流量增加,转子最大载荷位置向下游移动,引气位置下游的流量减小,而转子最大负荷位置基本保持不变;引气还会使引气位置上下游各级的工作点位置发生变化,改变压气机的级间匹配特性.同时静子尾部机匣处引气还会使引气位置下游机匣处的附面层厚度减小,改变下游转子的进口条件.      

转子尾缘端削对轴流压气机性能的影响

为验证叶顶尾缘端削在气动性能上的可行性,采用三维定常数值模拟方法,研究了叶顶尾缘端削对压气机性能的影响及相关机理。研究表明,第5级转子叶顶尾缘端削后,该转子叶顶压比降低,叶顶泄漏流强度减弱,叶顶堵塞减小,提升了压气机的流量裕度;第5级静子叶根的进口攻角降低,静子叶根附近的流动损失减小。总体上端削对压气机性能的影响很小,可以实施转子叶顶尾缘端削以防止叶尖掉角。     

弓形静子提高压气机抗旋流畸变能力研究

为降低旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性的影响,对双级低速轴流压气机的第1级静子进行了3种不同正弯角的弓形叶片设计.采用整环三维定常计算方法,研究了对涡旋流下压气机的性能和稳定性.结果表明:静子采用合理的正弯曲设计能够提高压气机抗对涡旋流的能力.正弯曲弓形静子能够降低端壁区域的负荷,抑制各排叶片叶根区域吸力面附面层分离的形成以减小损失、提高效率和总压比.静叶弯角为10°时峰值效率增加1.5%,失速边界点流量减小6.95%.流量为18.5kg/s时,效率、总压比分别增加1.7%和0.03%.当弯角过大时,叶中区域负荷上升且摩擦损失增大,反而不利于效率和总压比的提升.      

预旋角度对预旋孔流动特性的影响

对预旋角度分别为30°,25°,20°和15°的预旋孔在压比1.1～1.9范围内的流量系数进行了实验测量和数值模拟。研究了压比和预旋角度对预旋孔进出口速度和气流角度、流量系数和预旋效率等参数的影响。流量系数的实验结果与计算结果符合良好,数据显示预旋孔流量系数和预旋效率随压比的增大显著增大。预旋角度的减小使流量系数基本保持不变,而预旋效率由于出气角度的减小而显著增大,最大增幅可达10%。     

周向槽调控轴流压气机非定常间隙泄漏流机理初探

以某压气机转子为载体,针对其顶部间隙泄漏流的非定常特性,设计了一种周向槽处理机匣,利用数值模拟的方法研究了其对压气机转子性能及顶部非定常间隙泄漏流动特性的影响,结果表明:该处理机匣的引入能够在不恶化压气机性能的前提下使得其流量裕度提高约6.5%。与实壁机匣结构相比,周向槽处理机匣减小了间隙泄漏流轴向动量,抑制了叶顶间隙泄漏流非定常性的出现,从而提高了压气机的稳定工作裕度。     

静子容腔泄漏对某压气机性能影响的数值研究

利用全三维数值模拟方法研究了压气机静子容腔泄漏流动对压气机性能以及流场的影响,研究表明静子容腔泄漏流动不仅导致压气机效率和压比降低,而且使得压气机提前失速,稳定裕度下降5.19%.详细流场分析显示静子容腔泄漏流动对上游叶片排流动影响较小,但对本级静子以及后面叶片排根部流场的影响明显,静子容腔泄漏流动还改变了压气机失速的原因:静子容腔泄漏流动导致第1级静子根部尾缘发生流动分离,使得第2级转子根部攻角过大,整个叶背发生流动分离,引起压气机提前失速.      

组合压气机性能和气动稳定性计算分析

采用全三维数值计算方法研究了某型组合压气机性能和气动稳定性,通过对比轴流压气机和离心压气机的特性和流场细节,发现两者的特性差别较大:轴流压气机效率较高,总压比较小;工作点位于峰值效率点左侧时随流量的减小,离心压气机总压比和效率略有降低,轴流压气机总压比的增加和效率的降低均非常明显;导致离心压气机效率偏低的主要原因是径向扩压器的总压恢复系数偏小;导致组合压气机失稳的主要原因是轴流第1级转子叶尖和第2-3级静子叶根的泄漏流造成的堵塞。     

对涡旋流影响压气机转子性能和稳定性的研究

为研究对涡旋流影响跨声速轴流压气机性能和稳定性的机理,设计了一种叶片式旋流发生器,并对旋流发生器和跨声速单转子进行了联合数值模拟研究。计算结果表明旋流发生器叶片数越少,对涡强度越低;对涡旋流导致压气机总压比、峰值效率、稳定工作范围和堵塞边界流量减小,失速边界流量增大,对涡强度等于60°时峰值效率和堵塞边界流量分别降低1.11%和2.12%,失速边界流量增加4.17%;对涡中的同向涡导致叶尖进口攻角增加,进口相对马赫数减小;反向涡使叶尖进口攻角降低,进口相对马赫数增大;对涡前缘的轴向速度偏低,造成叶尖进口攻角大幅增加,叶尖泄漏流堵塞严重;由于叶尖泄漏流在叶片前缘溢流导致失稳。     

端壁移动对悬臂静子气动性能的影响

为了探究端壁移动对悬臂静子性能的影响,对轮毂移动与否、轮毂移动速度大小以及移动轮毂情况下间隙大小对某一低速轴流压气机悬臂静子内部流动及压气机性能的影响进行了详细的研究。结果表明,随着端壁移动速度的增加或者端壁移动情况下叶根间隙的减小,静子近轮毂区域的流动堵塞/流动损失减小、压气机性能得到提升,造成这一现象的主要原因是端壁移动情况下二次流的消失以及参与掺混的泄漏流流量的减小;端壁移动也会影响静子进口流场,进而影响转子的特性,但相对于对静子特性的影响,转子特性的变化幅值较小。     

考虑静叶封严泄漏对压气机端区影响的三维叶片优化

鉴于静叶叶根封严蓖齿间隙的泄漏对压气机端区所产生的不利影响,取某带静叶封严结构的双级轴流压气机为研究对象,采用遗传算法对其进行了气动数值优化.优化自变量为所选双级轴流压气机的后面级静叶近轮毂区叶型的安装角和前缘角,优化目标为极大化该双级轴流压气机的等熵效率.优化后,双级轴流压气机设计点的等熵效率提高了约0.2个百分点.所优化的静叶近轮毂处呈现出了明显的端弯效果.双级轴流压气机性能改善的主要原因是,通过对后面级静叶根部叶型的调整,使其端区来流的攻角值落在了该叶型的最优设计攻角的附近.     

静叶角度调节对压气机性能影响的试验研究

本文介绍了通过调节一三级轴流压气机各级静叶角度组合,以改善级间匹配关系,从而来提高压气机性能的试验研究方法和过程。试验结果表明,静叶角度的改变对压气机性能有着极为明显的影响。通过试验,找到了该压气机在设计转速下的一组最佳角度匹配。最高绝热效率提高了7.4 个百分点,稳定工作裕度也有了显著的增加。      

压气机静子通道内的流场测量

为了研究根部间隙对压气机静子通道内流场的影响,设计了4根不同长度的“L”型五孔探针和1根四孔探针.通过位移机构带动上述探针,在最大流量和近失速两种工况下,对某双级低速轴流压气机的第1级静子通道内5个不同轴向位置截面进行了流场测量.实验结果表明:静子通道内总压损失主要是由叶尖附近角区分离以及根部泄漏流与主流的相互掺混引起的.静子通道内主要存在着上/下通道涡、叶尖角涡和泄漏涡等旋涡结构.      

Numerical and experimental study of bleed impact in multistage axial compressors

In this study, the influence of inter-stage bleeding on the compressor performance and inter-stage flow field of a multistage axial compressor is investigated by both experimental and numerical methods. The experiment is conducted on a four-stage low-speed axial compressor, and a specific computational model is built to simulate the experiment environment accurately. To illuminate the fluid mechanisms of bleeding effect in detail, both the experiment and the simulation are carried out twice, i.e., in the first time, the mass flow rate upstream the bleed location is constant under different bleed rate conditions; while in the second time, the mass flow rate downstream the bleed location is constant under different bleed rate conditions. The results demonstrate that inter-stage bleeding has little influence on upstream compressor characteristics, and affects the upstream flow field only in the rear half of the stator. The bleed effect on the downstream flow field is embodied in the variation of an incoming flow profile, an increase as the compressor inlet flow coefficient decreases. Therefore, such an effect is only significant on compressor characteristics at small flow coefficient conditions. In multistage compressors, the variation of compressor characteristics and flow field caused by inter-stage bleeding is the comprehensive result of the bleeding and the variation of the upstream working condition. In addition, the comparison between numerical and experimental results shows that the flow moves towards top half of span through the downstream rotor passage in the numerical simulation, whereas the trend of flow field variation with different bleed rates at the outlet of the downstream rotor and stator is the same with that at the inlet of the downstream rotor in the experiment, which means that the numerical method has overestimated the radial mixing intensity of the flow.     

静叶轮毂间隙对压气机角区失速的控制

为了研究静叶轮毂间隙对压气机角区失速的控制作用，以某1.5级轴流压气机为研究对象，采用三维数值模拟方法研究静叶轮毂整体间隙和部分间隙对压气机低工况点和设计点气动性能的影响。结果表明:整体间隙通过产生泄漏流削弱起始于轮毂表面终止于静叶吸力面的“龙卷风”旋涡的能量源，达到了控制角区失速提高压气机低工况点性能的目的，但间隙产生的泄漏损失会降低设计点性能。而部分间隙明显优于整体间隙，部分间隙的位置越靠近尾缘，低工况点性能提高的幅度越大，同时对设计点的损害越小。TAI2方案的低工况点流量增加了0.89kg/s，效率提高了1.25%，而设计点效率不降低。另一方面，只有当部分间隙增大到一定尺寸后间隙泄漏流才足以抑制角区失速团。      

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。     

变轴向间隙下压气机近失速工况时弯曲静叶改善流场的实验研究(英文)

The outlet flow fields of a low-speed repeating-stage compressor with bowed stator stages are measured with five-hole probe under the near stall condition when the rotor/stator axial gap varies. The performances of the straight stator stages are investigated and compared to those of the bowed stator stages. The results show that using bowed stator stages could alleviate the flow separation at both upper and low corners of the suction surface and the endwalls, and decrease the losses along the flow passage as well as the outlet flow angle. As the rotor/stator axial gap decreases, although the diffusion capacity of the compressor increases obviously, the outlet flow field in the straight stator stages deteriorates quickly. By contrast, little changes occur in the bowed stator stages, indicating that as the rotor/stator axial gap decreases, improved performance is achieved in the bowed stator stages.     

级间引气对多级轴流压气机性能和流场影响的低速实验研究

基于北航四级低速大尺寸压气机试验台,在二级静子出口进行周向槽引气,采用分别保持引气位置上游流量不变和引气位置下游流量不变两种比较方式,针对不同引气流量大小对压气机性能和内部流场的影响进行了实验研究。结果表明,级间引气会影响压气机压升特性和失速裕度,影响程度与引气量大小有关。级间引气对引气位置上游转子流场的影响表现在上游压气机工况的变化上,上游转子流场的展向分配并不受到引气的影响。引气位置下游受到引气和上游压气机工况变化的共同影响,且引气量越大,影响程度越大。此外,级间引气可以改善下游叶片叶尖区域的流动环境,增强叶尖处流通能力,提高下游压气机失速裕度。     

叶尖间隙分布对内燃机增压压气机性能影响

采用三维CFD(计算流体动力学)方法,对两种相反叶尖间隙分布方式的无叶扩压器压气机级进行了详细流场分析,研究了叶尖间隙分布对跨声速离心压气机叶轮及扩压器性能的影响机理.结果表明,非均匀分布弦向间隙分布叶轮有较宽的稳定工作范围;出口轴向间隙小于进口径向间隙的压气机级压比和效率明显高于出口轴向间隙大于进口径向间隙的压气机级.较小的出口轴向间隙削弱了叶轮通道后半段间隙流动,显著提高了叶轮后部做功能力,获得更高的级压比;并使叶轮后部间隙涡强度及涡在叶轮通道和扩压器通道内耗散损失小,压气机级效率更高.