叶尖泄漏流和引射效应对跨声速串列转子失速机制的影响

为探究跨声速串列转子的失速机制，利用数值模拟的手段对不同间隙情况的某跨声速串列转子的叶尖流场进行分析.研究发现:前排二次泄漏区会对失速产生重要影响；叶尖泄漏流和引射效应是前排二次泄漏区流场结构的决定因素，而间隙大小直接影响着两者的强弱.当前排大间隙时，叶尖泄漏流强，是前排二次泄漏区流场的主导因素，这时失速首先发生在前排；当前排间隙减小时，引射效应增强，并逐渐成为主导因素，这时前排二次泄漏区的堵塞情况得到改善，失速区域转移到后排.改变前排间隙对该跨声速转子的性能有更显著的影响，当前排为最先失速排时，改变后排间隙对串列转子性能没有显著影响.      

叶尖泄漏流/尾迹掺混对串列转子非设计点性能影响

在串列转子设计中,为研究前后排叶片周向位置的变化所引起的泄漏流/尾迹之间掺混的变化对串列转子近失速点性能的影响,首先建立了泄漏流/尾迹掺混分析模型.模型分析结果指出流动掺混可以有效减小通道下游堵塞.在模型分析的基础上,进一步在高负荷串列转子中进行了不同周向位置的对比研究,对模型进行了验证;研究发现在近失速工况,对比无掺混情况,后排叶尖泄漏流/前排尾迹掺混使叶尖堵塞减少了近20%,从而使得高负荷串列转子的失速裕度相对提高了11.7%.      

前、后排叶片相对位置对串列转子性能的影响

在折合叶尖切线速度381m/s条件下,利用跨声串列转子技术实现了总压比2.25,负荷系数高达0.55的风扇转子设计。基于数值模拟结果,分析了串列转子前、后排叶片周向和轴向几何相对位置的变化对各自其整体性能的影响及原因。研究结果表明:前、后排几何相对位置的变化改变了后排叶片堵塞系数及其进、出的轴向速度和气流角,因而改变了速度三角形,导致了串列转子整体及各排叶片速度三角形及特性的变化;对于前、后排叶片最佳几何相对位置的选择,当后排叶片在前排叶片弦向上有0.1～0.15倍弦长的重叠时、后排叶片在周向上较为靠近前排叶片压力面时,串列转子能够获得较高的气动性能。     

跨声速压气机转子旋转失速现象的非定常模拟

为研究跨声速压气机转子失速机理,全周非定常数值模拟了某跨声速压气机单转子的失稳过程。结果表明:该转子由叶尖Spike扰动诱发旋转失速。在小流量稳定工作状态,压气机转子叶尖区域存在"旋转不稳定"(Rotating Instability,RI)流动现象。压气机节流过程中,转子进出口的流量降低,叶尖区流场非定常波动幅值增大。近失速状态时,RI扰动团的典型流场结构"径向涡"在叶尖区域形成堵塞,导致相邻叶片前缘间歇性地出现溢流现象。随着压气机进一步节流,转子叶尖的负荷达到极值,叶片通道尾缘逆压力梯度过大,出现倒流。尾缘倒流的出现又进一步增加通道内的堵塞,最终形成Spike扰动。失速先兆对应的流场结构是沿叶片前缘额线向相邻叶片压力面周向运动的"径向涡"结构。     

跨声速串列转子气动耦合机制分析及优化设计

串列叶片可以突破常规压气机气动负荷的限制,具有良好的工程应用前景。但跨声速串列转子通道内激波系结构复杂,控制难度较大,导致气动效率偏低。为解决上述问题,利用数值模拟的方法对比了串列转子前排在串列和单转子条件下气动参数、流场的变化规律,分析了跨声速串列转子前/后排气动耦合机理,并完成了优化设计。结果表明：（1）串列条件下,前排落后角、总压比沿叶高分布规律发生变化,槽道正激波显著增强,是导致跨声速串列转子效率水平低下的根本原因;（2）针对跨声速串列叶型的优化可以实现流场的定制设计,优化后前/后排匹配工作状态及激波结构显著改善;（3）优化后的串列转子失速裕度提升约6%、设计点等熵效率提升约1.5%,证明了本文提出的优化设计思路及方法的有效性。     

跨声速风扇转子叶尖小翼设计与扩稳机理研究

为了揭示叶尖小翼对跨声速风扇转子气动性能的影响机理,采用数值模拟方法研究了跨声速风扇转子NASA Rotor 67附加不同叶尖小翼的气动特性,并在分析不同叶顶间隙时风扇转子失稳机制的基础上探究了叶尖小翼的扩稳机理。研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在小间隙、设计间隙和大间隙情况下分别使风扇转子失速裕度提高32%,33.6%和70.6%。小间隙时,转子叶尖泄漏涡和叶片吸力面附面层分离是影响风扇转子失稳的关键因素,设计间隙和大间隙时,叶尖泄漏涡导致的大面积阻塞区是影响风扇转子失稳的关键。三种不同叶顶间隙情况下,压力面小翼的扩稳机制均在于有效降低了转子叶尖泄漏涡强度,减弱了叶尖泄漏涡导致的低轴向速度区流体的阻塞程度。     

叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子的影响研究

为了控制压气机转子叶尖泄漏流动,减少叶尖泄漏流和叶尖泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,针对小流量压气机进口跨声速转子进行了叶尖小翼的数值研究,探索了叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子性能的影响和对叶尖泄漏流的控制机理。研究表明,4倍压力面宽度的压力面叶尖小翼可以使得压气机转子的流量裕度增加24.5%;吸力面叶尖小翼和压力面叶尖小翼影响失速的主要因素不同,吸力面叶尖小翼增大了吸力面侧流体的逆压梯度,扩大了低速流体区域,压力面叶尖小翼通过降低叶尖负荷,从而减弱泄漏强度,减小了低速流体区域。     

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.      

跨声速压气机转子近失速工况非定常流动及相关机理研究

为了探究近失速工况下,跨声速压气机转子中非定常流动及相关流动机制,采用多通道全三维数值模拟方法对跨声速转子其内部流场进行了数值模拟,并利用已有的实验数据对计算结果进行了校核。对近失速工况探针监测结果的分析表明:流场中出现了非定常扰动,且扰动最活跃的区域位于近叶尖通道靠近叶片前缘的压力面侧;随着流量的降低,非定常扰动的幅值增大,波动周期变长。对近叶尖瞬态流场的分析表明:流场中的一个不同于泄漏涡的涡结构(命名为叶尖二次涡)的出现及其沿流向的发展诱发了非定常静压扰动,而且其强度随着流量的降低而增强,由此导致了非定常扰动的周期变长,振幅增加。伴随着叶尖二次涡强度的增加,叶顶通道的阻塞以及由叶尖二次涡诱发的“前缘溢流”也随之增强。因此,叶尖二次涡的出现及其强度的变化是影响该跨声速转子流动稳定性的主要因素之一。     

超声速串列转子三维流场数值分析

为了揭示超声速串列转子流场的流动规律,运用全三维粘性流场计算程序对超声速串列转子的流场进行了数值模拟。结果表明,超声速串列转子可以实现激波增压和气流折转增压的联合应用。串列转子前后排叶片的相互干涉导致后排叶片前缘形成脱体激波,引入了一定的激波损失;前排叶片65%～75%叶高范围内近压力面低速流体区的存在一定程度上限制了后排叶片的增压能力;转子通道内叶尖泄漏流、通道激波和机匣附面层的相互作用造成转子前后排叶片叶尖处的气流落后角增大;串列转子出口静压的升高将削弱转子内结尾激波强度,提高转子气动效率。     

周向总压畸变进气下叶片前掠对转子稳定性的影响

以跨声速压气机NASA转子11为原型进行前掠改进,对得到的前掠转子与原型转子内流场进行了定常数值模拟,结果表明:在设计转速下前掠转子的性能有所提高,尤其是近失速流量有明显的降低.在周向总压畸变进气条件下,对转子11和前掠转子进行了非定常数值模拟,两者的性能较均匀进气条件下都出现了不同程度的下降,但前掠转子的近失速流量仍明显低于转子11,这是因为转子11叶尖区域处气流较前掠转子更易堵塞.      

叶顶喷气对跨声转子近失速点流动的影响

利用数值模拟的方法研究了叶顶喷气对跨声转子性能及近失速点流动的影响.研究表明:在+65?的喷气角度下,喷气能保持效率不降低的同时使转子喘振裕度的绝对值提高4.48%.此外喷气还能改善转子叶片吸力面的流动,减弱叶尖泄漏涡的强度,同时使泄漏涡的轨迹更贴近叶片吸力面,这也是喘振裕度大幅提高的物理原因.      

带周向单槽的低速轴流压气机失速起始过程

为了深入认识周向槽轴向位置对压气机失速机制的影响规律,针对某叶尖敏感的低速单转子压气机开展实验测量与数值模拟相结合的研究。实验与计算结果均表明,位于叶片弦长中部的周向单槽扩稳效果最好,而位于叶片前缘下游20%~30%轴向弦长位置的周向单槽扩稳效果最差。进一步分析了利用非定常、多通道计算模型获得的数值结果,发现对于光壁机匣和扩稳效果最好的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下到达叶片前缘位置,压气机通过突尖型失速先兆进入失速状态;对于扩稳效果最差的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下仍位于叶片通道内部距离叶片前缘20%的轴向弦长位置,压气机经历了由准模态型失速先兆向突尖型失速先兆转换的失速起始过程。     

Effect of blade tip winglet on the performance of a highly loaded transonic compressor rotor

The tip leakage flow has an important influence on the performance of transonic com-pressor. Blade tip winglet has been proved to be an effective method to control the tip leakage flow in compressor, while the physical mechanisms of blade tip winglet have been poorly understood. A numerical study for a highly loaded transonic compressor rotor has been conducted to understand the effect of varying the location of blade tip winglet on the performance of the rotor. Two kinds of tip winglet were designed and investigated. The effects of blade tip winglet on the compressor over-all performance, stability and tip flow structure were presented and discussed. It is found that the interaction of the tip winglet with the flow in the tip region is different when the winglet is located at suction-side or pressure-side of the blade tip. Results indicate that the suction-side winglet (SW) is ineffective to improve the performance of compressor rotor. In addition, a significant stall range extension equivalent to 33.74% with a very small penalty in efficiency can be obtained by the pressure-side winglet (PW). An attempt has been made to explain the fundamental mechanisms of blade tip winglet in detail.     

周向布局对高负荷串列叶栅性能的影响

为研不同周向布局下串列叶栅各排性能变化的机理,按扩压因子大小分布设计了一系列串列叶栅,每组串列叶栅进行6种周向布局计算分析;而后对一组串列叶栅前后排叶片积叠轴分别进行了弯曲处理,研究沿展向非均匀周向布局对串列叶栅性能的影响。研究结果表明:周向布局可以改变叶栅通道扩张规律从而改变流场压力分布。随着周向偏距增大,前排负荷增加,后排负荷降低。增大周向偏距可减小串列叶栅前后排损失,T5算例中80%周向偏距方案相对原型损失减少51.3%。前排叶栅决定了串列叶栅可用攻角范围,并且随着周向偏距增大,串列叶栅的可用正攻角增加。随着周向偏距增大,后排叶片端区分离会减小。串列叶栅整体正弯减小14.5%的总压损失系数。采用单独前排反弯或者单独后排正弯分别减小了15.6%和55.2%的总压损失。      

压气机转子叶尖区域流动特征的观测与分析

为了揭示压气机转子内部真实流动的演化过程并分析其背后的流动机制,采用示迹线显示空气流动的方法对某低速轴流压气机转子流场进行了直接观测,同时结合多通道非定常数值模拟技术分析了转子叶尖区域流动特征及其形成机制.结果表明:叶片上的示迹线直观形象地显示了转子内部复杂流动随压气机工作状态变化的演化过程.即随着压气机转子节流,叶顶间隙泄漏流的轨迹不断向上游移动,到达近失速工况时,泄漏流与来流的交界面与转子叶顶前缘平齐,与此同时转子叶尖吸力面附近出现了大面积的回流,且回流的气体均向叶顶前缘聚集.通过进一步研究发现叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量之比随转子流量系数减小而不断增大是导致泄漏流轨迹前移及叶顶回流区扩大的物理机制.