Quasi-steady flow model of slot-type casing treatments I ： modeling method and validation

为降低对槽道式处理机匣流动进行模拟的计算量,特别地,为了提供一种可用于处理机匣工程设计的快速评估手段,基于对带有槽道式处理机匣的压气机非定常流动物理的理解,提出了一种处理机匣的准定常流动模型,并利用带有处理机匣的跨声压气机转子实验测量结果,以及非定常数值模拟结果对所提出的模型进行了验证.结果表明：处理机匣流动模型很好地预测了由于采用处理机匣所取得的转子失速裕度的提高,并且与非定常模拟结果比较,流动模型对转子主流以及处理机匣内部流动模拟的准确性也能得到保证.采用处理机匣流动模型所需的计算量仅约为非定常模拟的1%,这保证了提出的模型可用于快速评估槽道式处理机匣的气动特性,从而为其工程优化设计提供了有效的手段.     

一种槽道式处理机匣的准定常流动模型Ⅱ: 跨声转子处理机匣的优化设计

对带气室的槽道式处理机匣的结构进行了参数化,然后采用所发展的处理机匣流动模型对槽道式处理机匣进行了数值模拟分析,获得了槽道式处理机匣各主要结构参数对处理机匣扩稳作用和转子效率的影响.基于原基准处理机匣,并选取各个结构参数经分析得到的最优值设计了一个优化的处理机匣.实验结果表明：优化的处理机匣设计在60%,80%,98%设计转速下都在原基准处理机匣的基础上进一步提高了转子的失速裕度,并且带有优化处理机匣的转子峰值效率比基准处理机匣、甚至实壁机匣的情形都有所提高.另外,为考察处理机匣槽道数的影响,对一个在优化处理机匣的基础上缩减槽道数而得到的处理机匣设计也进行了实验研究.     

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。     

间隙流触发压气机内部流动失稳机制及周向槽扩稳机理

利用高频响动态压力传感器对某低速轴流压气机转子的失速先兆和顶部流场进行了详细的测试,探明该压气机内部存在与叶顶间隙泄漏流相关的突发型失速先兆,对压气机转子内部流场进行了单通道定常和非定常数值模拟,详细分析了压气机内部流动失稳过程中顶部流场结构的变化,揭示顶部间隙泄漏流触发轴流压气机内部流动失稳机理.在此基础上,利用周向槽处理机匣结构对顶部间隙泄漏流进行控制,并探讨了周向槽处理机匣结构提高压气机稳定工作裕度机理.      

轴向位置变化对槽式机匣扩稳效果的影响

采用试验与数值手段研究周向槽处理机匣轴向位置对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行三种不同轴向位置的周向槽处理机匣试验.试验结果表明三个轴向位置的机匣处理均扩宽压气机的稳定工作范围,轴向位置不变时扩稳效果最好,轴向位置前移次之.数值计算所获得的裕度改进量变化趋势与实验的符合良好.通过详细地分析处理机匣轴向位置变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽处理机匣轴向位置对压气机性能影响的流动机理.      

不同类型搭接网格对周向槽处理机匣模拟结果影响研究

摘 要: 为深入研究不同类型搭接网格对周向槽处理机匣数值模拟结果的影响,以某单级跨声速压气机及其转子叶顶的周向槽处理机匣作为研究对象,划分了多种计算网格并采用不同类型搭接网格关联周向槽与压气机主流道。详细的三维定常数值模拟和分析表明,传统完全非匹配搭接网格,在计算上会导致流场数据通过搭接网格传递时明显失真,使转子尖部复杂流动呈现显著间断特征,给压气机内流和性能模拟结果带来较大不确定性;增强搭接网格匹配度,有利于提高流场数据传递精度,弱化转子尖部复杂流动的不连续性,降低模拟结果的不确定性;采用完全匹配类型搭接网格,可在计算上完全避免搭界网格上的流场数据传递失真,从而使压气机内流及性能模拟结果具有更高的可信度。     

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.      

处理机匣/压气机非定常相互作用分析

实验研究了三个不同槽数圆弧斜槽处理机匣对压气机气动性能的影响,实验结果显示,只有当处理槽数确定的处理机匣/压气机非定常相互作用频率锁定在压气机分离绕流流场非定常特征频率附近时,处理机匣才能展示出满意的扩稳能力.实验利用25孔总压耙测量压气机静子出口S3流面总压流场结构,测量结果表明,处理机匣/压气机非定常相互作用不但大幅度改善了压气机分离绕流流场结构,还影响了压气机总压升径向分布.      

周向局部处理机匣对压气机影响的数值研究

为了分析周向非均匀处理槽对压气机的影响,对一台单级跨声速轴流压气机进行了周向局部处理机匣与全周处理机匣的非定常数值研究.结果显示,具有相同处理槽数的周向局部处理机匣比全周处理机匣能获得更好的压气机性能.由于处理槽的周向非均匀性,前者给叶尖流场产生大尺度的周向非均匀特征,因而能提供后者所不具备的低频非定常作用.此外,提供了高、低频两种非定常作用的周向局部处理机匣能够同时改善叶尖泄漏涡与尾缘分离涡.      

处理机匣对高压压气机性能和稳定性影响的数值模拟和试验研究

本文主要采用数值模拟和试验验证的方法探索轴向斜槽处理机匣改善高压压气机尖部流动情况及扩大压气机稳定工作边界的基本原理。采用Numeca CFD软件对某多级高压压气机第一级叶尖间隙流场和具有轴向斜槽处理结构的流场进行非定常计算．并对计算结果进行对比、分析,详细揭示了叶栅顶部间隙区及处理槽内的流动特征。数值计算结果显示,轴向斜槽处理机匣能够衰减或是消除叶尖的泄漏涡,推迟失速的发生。处理机匣对压气机性能的影响并不是直接采用对泄漏涡的干涉,而是通过叶尖附近气流在高压作用下从压力面尾缘进入斜槽,而后气流在叶背前缘以高速由斜槽射入主流。该高速射流能有效地扫除叶尖易失速的附面层,从而延迟气流分离,扩大压气机的失速裕度并减少二次流损失。试验结果显示,该多级压气机采用轴向斜槽处理机匣有效地减少了尖部气流泄漏,扩大了压气机稳定工作范围。     

驻涡式处理机匣对跨声速压气机扩稳的数值模拟

提出了一种驻涡式处理机匣结构,通过叶片通道前后以及叶片压力面和吸力面共同作用的压差,驱动流体产生回流.将通道后部的附面层流体吸除,然后在叶片前缘注入,增大叶尖泄漏流内的动量,从而达到扩稳的效果.该设计将抽气槽与喷气槽的方向和主流流动方向设计成一致方向,以减少掺混损失.此外,该处理机匣在轴向上完全在转子叶片内部,不需要前伸量,因而可以方便地应用于多级压气机中的任何一级,而不会和静子叶片发生干涉.通过数值模拟对这一设计进行了验证,结果表明该处理机匣可以扩大跨声速压气机转子裕度17.39%,而对效率不会产生明显的影响.      

低雷诺数下跨声速转子周向槽处理机匣扩稳研究

采用数值方法模拟了低雷诺数条件下NASA Rotor 37跨声速压气机转子内部流场。结果表明,附面层径向涡是该压气机转子流动失稳的一个很重要的原因。周向槽处理机匣结构对压气机流场的改善较为有限,而引入抽吸处理机匣后,抽吸槽可以将叶顶间隙涡和附面层径向涡及其引发的低能阻塞流团抽吸至处理槽内,叶顶流场大为改善,有效地提高了压气机转子的失速裕度。     

低雷诺数下跨声速转子流动失稳及周向槽处理机匣扩稳

采用数值方法模拟了低雷诺数条件下NASA Rotor 37跨声速压气机转子内部流场。结果表明,附面层径向涡是该压气机转子流动失稳的一个很重要的原因。根据该压气机转子低雷诺数条件下流动失稳的特点,研究了周向槽处理机匣结构对其性能的影响。结果表明,引入处理机匣后,附面层径向涡得到一定程度的抑制,由附面层径向涡所引发的叶顶阻塞区有所减小,提高了压气机转子的失速裕度。     

跨声速压气机多圆柱孔式处理机匣设计与扩稳机理研究

基于对跨声速轴流压气机内部失稳触发机制的认识,设计了一种新型多圆柱孔式处理机匣结构。对带该处理机匣的跨声速轴流压气机转子Rotor-37的内部流动进行了全三维非定常数值模拟,结果表明该新型多圆柱孔式处理机匣结构可使压气机的综合裕度提高6.5%,而最高效率点效率仅降低0.19%。对多圆柱孔式处理机匣的扩稳机理进行了详细分析,结果表明处理机匣能有效消除低速流体团引起的通道阻塞现象,并将低速阻塞流体团抽吸进入处理机匣容腔,然后从前端喷口预旋喷出以抑制叶顶区域的流动分离,从而有效提高跨声速轴流压气机的失速裕度。     

非轴对称处理机匣的周向处理范围的实验

为了解决传统处理机匣对压气机"扩稳降效"的现象,打破处理机匣结构的轴对称传统,并设计了5种不同周向分布范围的非轴对称处理机匣.实验结果显示压气机的稳定裕度随非轴对称处理机匣的周向处理槽数的增多而单调增加,而效率则随处理槽数的增多先增加后减小.当非轴对称处理机匣的周向处理范围为120°时,能使压气机的稳定裕度和效率均有所增加,起到"扩稳增效"的效果.初步分析其原因是非轴对称的机匣结构改变了压气机叶尖的非定常流动.      

处理机匣激励频率对跨声速压气机性能的影响

通过改变处理机匣槽数来改变处理机匣对压气机内部流场的非定常激励频率,对4种激励频率下压气机性能进行了测试。实验结果表明,处理机匣槽数对应的非定常激励频率是影响压气机性能的关键因素之一。通过优化处理机匣对压气机非定常激励的频率,压气机性能可以得到全面提升:对于实验用跨声速压气机,在近设计转速下峰值效率、综合裕度和最大流量分别提高0.17%,19.86%和0.81%,而在低转速下这三个增量最大分别可达到1.13%,57.84%和1.57%。     

不同轴向偏转角处理机匣实验与机理分析

为了探索不同轴向偏转角处理机匣对压气机稳定裕度的影响,以一个亚声压气机为平台通过实验与数值仿真方法探索了8130r/min设计转速下3种与轴向成不同角度的处理机匣对该压气机稳定性的作用.详细的分析了各流量工况下不同处理机匣叶顶的流动结构、叶顶载荷分布、处理机匣缝(或槽)内的流动、周向平均后叶顶的损失分布和缝内喷射气流的轴向动量.研究发现:随着缝(或槽)与轴向所成夹角的增大,整个流量范围内,处理机匣的扩稳能力先增强后减弱;大流量工况下,转子叶顶载荷增加,转子的等熵效率降低.      

非对称处理机匣周向分区数的实验

为了改善传统的对称处理机匣对压气机"扩稳降效"的普遍现象,设计了五种周向分区数的非对称处理机匣。实验结果显示,非对称处理机匣的分区数对压气机的稳定裕度影响不大;而对效率和总压升影响较大:随着分区数增加,压气机的性能先增加后降低。其中一种优选结构的非对称处理机匣能使压气机的稳定裕度扩大13%,同时使其峰值效率提高0.8%。这种非对称处理机匣能取得明显优于轴对称处理机匣的"扩稳增效"的原因是它改变了处理槽对压气机叶尖作用的非定常信号。根据非定常耦合流动理论,其产生的独特的低频激励信号能够对压气机叶尖复杂的非定常流场产生耦合整流效果。     

带自适应流通处理机匣的轴流压气机全通道数值研究

采用全通道数值模拟方法研究了两种自适应流通装置数目的处理机匣对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,非定常数值计算结果表明两种自适应流通处理机匣分别获得了6.3％,9％的失速裕度改进量,通过详细地分析压气机叶顶流场表明,高速喷射气流能抑制前缘溢流现象的产生,有效地改善了叶顶通道的流动状况.随着自适应流通装置数目从10增加到15,喷射气流对转子叶顶间隙泄漏流的影响频率也随着提高,因此增强了处理机匣抑制叶顶间隙泄漏流负面影响的能力.     

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.