轴流压气机对周向总压畸变非定常响应的数值模拟

基于给定的进气周向总压畸变谱,应用非定常三维时间精确数值计算的方法,研究了NWPU-1轴流压气机转子对周向总压畸变的响应,初步揭示了其在进气周向总压畸变条件下的失速机理.结果表明,在84%设计转速,进气周向总压畸变使转子性能明显下降,其失速点流量增加了4.1%,效率下降了0.5%.进气周向总压畸变引起侧流,导致叶片负荷的变化,部分叶片的负荷过重,叶顶间隙泄漏涡几乎堵塞了整个通道,某些叶片的前缘出现溢流,最终导致压气机转子失速.      

周向畸变条件下压气机失速先兆分布特征

在低速单转子轴流压气机实验台上开展了周向插板式畸变实验研究,通过安装在叶顶前缘的动态压力传感器和转子出口的梳状五孔探针获取不同插板高度下畸变进气失速特性,结合实验及数值模拟,并采用时域分析法和一维连续小波方法对失速先兆传播特性及失速先兆尺度进行了分析。研究结果表明,失速先兆总是在叶顶前缘位置首先出现,然后由叶顶前缘沿轴向传播至转子出口叶顶位置,之后沿径向传播由叶顶向叶根发展直至失速团占据整个径向叶高。同时,随着畸变强度增加,失速先兆传播速度逐渐增加,且尺度不断增大,从突尖型失速先兆变为长尺度型失速先兆。      

低速轴流压气机旋转失速特性试验

在一台双级低速轴流压气机上进行了均匀进气时的全流量特性试验研究,重点分析了该压气机旋转失速特性随流量系数的变化情况和失速起始特性.试验结果表明,压气机在失速前出现模态波扰动,其传播频率约等于40%转子旋转频率,范围贯穿整台压气机;压气机第二级在模态波扰动诱导下率先进入旋转失速,初始失速团旋转速度为83.3%转子转速;失速团在向第一级扩散传播过程中,其旋转速度逐步降低,最后稳定在41.9%转子转速;失速团旋转频率随着流量系数的降低而减小;失速团范围随着流量系数的减小而逐渐增加.      

周向槽机匣对轴流压气机转子畸变响应特性的影响

基于给定的进气周向总压畸变谱,应用全三维数值计算方法,研究了周向槽处理机匣对NWPU-1轴流压气机转子容畸变特性的影响,初步揭示了其在进气周向总压畸变条件下的失速机理。结果表明,在均匀进气条件下,周向槽处理机匣对叶尖间隙泄漏涡形成和发展的抑制是其扩稳的主要原因;在进气周向总压畸变条件下,该轴流压气机转子失速的主要原因是畸变引起的攻角变化,造成部分叶片的负荷过重,由于周向槽处理机匣的作用主要在叶尖部分,所以并不能有效的扩大该压气机转子的稳定工作范围。     

总压畸变对压气机气动稳定性影响的整环数值模拟

为研究周向进口总压畸变对跨声速压气机气动稳定性影响的物理机制,采用整环三维定常数值计算方法对进口总压畸变条件下的NASA 37号转子进行求解。计算结果表明:周向进口总压畸变导致压气机稳定裕度大幅降低,设计转速时稳定裕度仅为均匀进气时的59%;畸变区与转子旋转速度相同时,位于畸变区的转子叶片进气速度、压力较小,当压气机工作点接近稳定边界时,该区域的叶片会出现叶尖泄漏流前缘溢流和尾缘倒流的现象,同时叶尖区域出现严重的吸力面附面层分离,叶尖泄漏流和吸力面附面层分离共同导致压气机失稳;周向进口总压畸变不会改变失稳的始发位置,但会影响失稳的原因。     

进气畸变下低速轴流压气机失速起始特性试验

为探索进气畸变对压气机失速起始特性的影响,本文以一台双级低速轴流压气机为研究对象,对均匀进气和多种进气畸变形式下的失速起始特性进行了详细研究。进气畸变包括1×90°稳态单波、2×90°稳态双波和1×90°周向旋转单波3种形式,压气机转速为600 r/min和800 r/min。试验结果表明,在均匀进气和固定进气畸变条件下该压气机均表现为模态波式失速起始特征,而在旋转畸变时观察不到失速前扰动信号。均匀进气时,失速前20～30个转子旋转周期即可观察到模态波的存在,其传播速度等于42%转子转速,并诱导产生旋转失速团,而且在失速发展过程中,失速团旋转速度保持不变。稳态进气畸变时,也是由模态波诱导产生旋转失速,但在失速团发展过程中,失速团的旋转速度会发生变化。旋转进气畸变时,失速前检测不到42%转子转速的模态波扰动,也没有发现尖脉冲扰动。     

周向畸变进气下压气机动态失速特性研究

为研究周向畸变进气下压气机动态失速特性,在一大尺寸低转速压气机试验台上进行了均匀进气和180°周向畸变进气下压气机动态失速实验。采用时域观察、频域快速傅里叶变换以及时频域的同步压缩小波变换、基于同步压缩小波变换的空间模态分析和小波相干性分析等方法对动态失速信号进行分析。结果发现,畸变进气下,压气机旋转失速发生前出现0.225倍转子转动频率的一阶模态扰动,该扰动在相对畸变网不同位置区域周向传播速度不一致。宽带非定常扰动在畸变区尾缘附近最强,在畸变区前缘附近最弱,并存在周向尺度转化现象。转子转动频率扰动周向也出现强度变化,最大值出现在非畸变区中心附近的测点。周向畸变条件下集总系统模型对比实验结果的分析表明:实验和模型结果符合较好,旋转失速前非定常扰动周向强度和尺度变化主要受流量系数变化的影响,而一阶模态扰动周向传播速度不均匀现象是畸变进气下压气机系统特性作用的结果。     

进气畸变下压气机过失速三维非定常模型探索

针对原压气机稳定性三维分析模型CSAC(compressor stability analysis code)加以改进,添加了轴对称左支特性。采用改进的CSAC+模型分析了NASA Rotor37在周向总压进气畸变下的稳态性能和失速起始特性,并与软件NUMECA模拟结果进行了对比,两者模拟的特性趋势一致,畸变进气下CSAC+近失速点压比与NUMECA的误差为1.05%。针对近失速点流场分析发现:随着流量的减小,在畸变区边缘的转子叶尖首先出现低速甚至逆流区,可认为该区域为失速起始位置。利用CSAC+模拟了该压气机过失速状态下的主要流动特征,分析得出进气畸变下该失速先兆为模态波,完全发展后为部分叶高失速,失速团占据约40%叶高,其传播频率约为转子转动频率的60%,并在传播过程中显示出周期性的剥离和融合过程。      

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。     

总温畸变对某组合压气机性能影响的非定常数值研究

采用三维非定常数值模拟手段分别获取了均匀进气和温度畸变进气条件下压气机性能。结果显示:进气温度畸变对组合压气机设计点流量没有影响,但会导致设计点效率、最高压比降低,喘振裕度下降;进气温度畸变会造成压气机出口总温周向分布不均匀,周向上存在高、低温区,但总压未呈现出周向不均匀性;畸变指数TC120和TC60沿流向均呈现出减小的趋势,在三级静子上游减小较快,在三级静子下游减小趋缓。TC120和TC60呈现出在转子叶片排中减小、在静子叶片排中增大的特点。     

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.      

径向进气总压畸变对压气机气动稳定性的影响

为揭示径向进气总压畸变对压气机气动稳定性影响的物理机制,分别开展了尖部和根部进气总压畸变对压气机稳定边界以及动态失速过程影响的试验研究。结果表明,均匀进气时,压气机在叶尖区域首先形成失速团;径向总压畸变会引起气流参数的径向分布发生变化,其中尖部进气总压畸变会增加叶尖区域的攻角,导致压气机失速提前,而根部进气总压畸变则会改善叶尖区域的流场,降低攻角,使压气机失速延迟;气流参数径向分布变化也会影响动态失速过程中模态波扰动和失速团的三维扩散过程。     

周向总压畸变对对转压气机影响效应分析

以对转压气机为研究对象,在数值方法校验的基础上,应用全通道定常流场分析手段计算了对转压气机不同周向畸变条件下的三维流场,获取了周向总压进气畸变对该压气机性能以及流场结构的影响效应,确定了对转压气机的临界畸变角,分析了不同畸变强度对压气机性能的影响规律,探讨了周向总压畸变在对转压气机中的发展演化过程。结果表明:(a)所研究的对转压气机临界畸变角约为72°,略高于传统动-静叶排交替的压气机临界畸变角;(b)相比均匀进气工况,当畸变指数为0.24时,对转压气机失速点压比和失速裕度分别下降3%和9.6%,当畸变指数为0.5时二者分别下降8.3%和19.8%;(c)未畸变区与畸变区流体之间存在的压力梯度影响转子叶片相对来流速度。进入畸变区叶片来流相对速度减小,负荷降低,退出畸变区叶片来流相对速度增大,负荷增大;(d)上游转子使得畸变水平提高,下游转子反向旋转效应抑制了来流相对速度变化趋势,增强了气流在其叶片通道中的掺混,使得畸变水平有所下降。     

叶根负荷对低速压气机失稳过程影响实验研究

基于在一台单级低速轴流压气机上发现的增大叶尖负荷可以使其失稳先兆由模态波变为突尖波的现象,一种假设认为失速先兆的类型与压气机径向负荷分布有着密切的联系。对此,设计了一系列实验来验证叶根负荷大小对压气机失速先兆类型及其失稳发展过程的影响。通过在压气机进口安装特殊设计的叶根畸变屏,可以实现压气机工作在不同的径向负荷分布。均匀来流条件下压气机最终的失速是由模态波引起,在此基础上加装叶根畸变屏增大叶根负荷,压气机仍发生模态波型失速,但经过仔细分析数据后发现,由线性增长的模态波转化为最终大幅值旋转失速团的时间间隔却相较增大。在这段过程中,转子进口壁面压力信号显示叶尖区域不存在完整的周向传播扰动。与此同时,叶根处先兆信号幅值相较变大。进一步加大叶根负荷,叶根区域失速先兆的压力脉动变得更加剧烈,使得气流沿叶片径向的流动和掺混加剧,从而进一步延迟了先兆诱发失速团出现的时间。综上,通过研究表明:增大叶根负荷,压气机失稳过程发生改变,失速先兆诱发旋转失速团出现的时间延长;在叶根区域,失速先兆脉动信号随着叶根负荷的增大而愈发强烈;径向负荷分布是影响压气机失稳过程发生变化的重要因素。     

旋转进气畸变对压气机气动稳定性及失速起始特性的影响

开展了旋转进气畸变对压气机气动稳定性影响的试验研究,试验结果表明旋转畸变网对压气机的气动稳定性和总静压升特性均有很大的影响.当畸变网与压气机相反旋转时,压气机的压升能力变化较小,稳定边界点流量系数变化不大;当两者转向相同时,进气畸变旋转频率对稳定边界点的压升系数和流量系数的影响均较大,尤其是在40%60%转子转速范围内压气机的稳定性和压升能力急剧下降.通过对特征频率幅值变化的分析,认为畸变网转速在40%60%转子转速范围内时,首先产生由畸变网后低压区诱导的旋转失速;随着压气机工作流量的继续降低,压气机进入其自然旋转失速状态.失速起始过程的试验结果表明,旋转进气畸变对于该压气机的失速起始特性未产生影响,表现为模态波失速起始的特征.      

旋流畸变对压气机失速发展过程影响的试验研究

为研究进气旋流畸变对轴流压气机失速发展过程的影响,设计了一种叶片式旋流畸变发生器。通过改变叶片式旋流畸变发生器的叶片安装方式来改变进口气流流向,产生对涡或整体涡,研究均匀进气、对涡和整体涡进气条件下低速轴流压气机失速发展的特点。试验结果表明:旋流畸变发生器达到了预期的设计要求,在压气机进口前产生了对涡和整体涡。压气机转子对进口旋流畸变有很大的影响,对正向旋流有一定加强作用,使正向旋流强度增大;对反向旋流有一定抑制作用。旋流畸变减小了压气机的稳定裕度,切向气流角越大效果越明显,使其更快进入失速,其中以对涡进气和正向涡进气条件下最为明显。旋流畸变进气条件下压气机中失速团的产生机理不发生改变,失速团传播频率不发生改变。     

跨声速轴流压气机间隙泄漏流触发旋转失速

通过对跨声速轴流压气机NASA转子37进行单通道定常及多通道定常、非定常数值模拟,单通道定常数值模拟结果与实验结果能较好吻合。多通道非定常数值模拟结果显示,间隙泄漏流及其与激波干涉的非定常振荡,触发突尖型旋转失速先兆,具体表现为叶顶前缘间隙泄漏流溢出。失速团首先在叶顶处形成,且速度约为80%转速。随着流量的下降,失速团进一步发展,在失速通道内,激波与叶片前缘完全分离,且在叶片尾缘出现回流。当转子完全数值失速时,失速团周向尺度约为4个通道,且径向占据约半个叶高。     

45°周向压力畸变对轴流压气机影响的实验研究和机理分析

设计了一种45°周向压力畸变模拟发生器, 并在某高速轴流压气机实验台进行了实验研究.在中等转速下, 详细研究了45°周向压力畸变对该轴流压气机级的转子的性能影响, 以及整个轴流压气机级(转子进口、转子出口和静子出口)的压力周向分布.研究结果表明, 在中等转速下, 畸变区的范围在转子出口转移和扩大并不明显, 但是在静子出口扩大了近100%;在转子出口畸变强度明显增强, 而在静子出口强度衰减;与均匀进气的情况相比, 压气机转子压比提高了1.8%, 近失速点换算质量流量减小了2.5%.      

进气畸变下压气机叶片强度分析

介绍了一种考核进气畸变对压气机叶片强度影响的分析方法.通过对压气机全周数值模拟,分析进气总压畸变下转子叶片响应的非定常压力场;并对叶片进行模态及应力的有限元分析,研究进气畸变对叶片强度特性的影响.分析表明,周向总压畸变不但会降低压气机效率、稳定裕度等气动稳定性,而且会引起叶片气动力在周向分布的不均匀,对其强度产生重要影...     

实验探究周向进气畸变对局部喘振型跨声速轴流压气机进气的影响（英文）

为深入探究失速点变化机理,采用实验方法探究了三种不同周向畸变强度的进气边界对压气机失稳演化的影响机理。在试验过程中,通过增加动态测试点以测量转子叶尖的静压和静子尾缘的总压,并在压气机出口容腔内增加测点以检测系统响应。结果表明,当进口存在周向畸变时,失稳点流量的减小是由于压气机的失稳演化过程从局部喘振转变成了突尖波。在均匀进气时,该压气机失速演化过程为局部喘振,扰动以低频轴对称的形式出现在静子叶根区域。当进口存在周向畸变时,静子叶根处仍会出现不稳定低频扰动,但由于周向畸变的存在使其不再具备轴对称性,因此该低频扰动无法进一步发展,最终由于转子叶尖出现了突尖波导致压气机失稳。本研究主要结论为周向进气畸变可以通过改变压气机失速过程进而影响压气机失速点变化。