高速压气机叶栅旋涡结构及其流动损失研究

为揭示高亚声速来流条件下压气机叶栅内部流动特性,对高速压气机叶栅通道内旋涡结构和流动损失的产生与演变规律进行研究。首先建立了数值仿真模型并用实验验证,然后详细研究了叶栅通道内主要旋涡结构、拓扑规律和旋涡模型,最后分析了叶栅通道内流动损失与旋涡结构的内在联系。高速压气机叶栅通道内主要存在马蹄涡、端壁展向涡、通道涡、壁角涡、壁面涡、集中脱落涡和尾缘脱落涡7个集中涡系,通道涡由端壁来流附面层中发展而来,是角区复杂旋涡结构的主要诱因;攻角由0°增大为4°,通道涡的涡核更早地脱落端壁附面层向角区发展,但对角区流动的影响减弱,叶片尾缘未形成明显的集中脱落涡。伴随着集中脱落涡的消失,叶栅固壁面拓扑结构中,叶片尾缘吸力面上没有出现与集中脱落涡对应的分离螺旋点,并且与叶中脱落涡层相对应的分离线和再附线消失,尾缘脱落涡仅包含近端区的一个分支。由总压损失沿流向和展向的变化规律,叶栅通道流动损失主要来源于角区复杂旋涡结构引起的强剪切作用,近端壁区的总压损失与角区主要涡系结构的生成和发展密切相关;攻角由0°增大至4°,角区旋涡的影响能力变弱,近端区流动损失减小,与叶中部位总压损失的差异缩小。     

边界层吹吸气对高负荷扩压叶栅性能的影响

采用边界层流动控制能够有效抑制扩压叶栅的流动分离。以某大弯折角低稠度扩压叶栅为研究对象,利用数值模拟手段研究了原型、叶片表面边界层单独吹气以及吹吸气相结合等边界层控制手段下的流场和叶栅性能变化情况。结果表明,无论是单独吹气还是吹吸气相结合的边界层控制方法,都能有效控制扩压叶栅中的边界层分离,从而较大幅度地增大叶栅负荷,并降低气动损失;计算表明,吹气和吸气的效果不尽相同,且吹吸气口位置及吹吸气流量对边界层的流动亦有较为明显的影响。其中采用1.7%的吹气流量,结合1.38%的吸气量,可以使静压增压比提高15%以上,而损失系数降低至原型的20%以内。     

吸附式亚声速压气机叶栅气动性能实验及分析

以亚声速平面叶栅风洞为实验平台,在不同来流马赫数、攻角和吸气量状态下,测试吸附式压气机叶栅吸力面、压力面表面压力分布和叶栅尾缘等参数.结果表明,附面层吸除能促进附面层减薄,减少分离损失,有助于降低叶栅总压损失,提高气流折转能力,改善叶栅气动性能.合适吸气槽位置和吸气量的选择,有利于叶栅内部流动更趋合理.      

端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅流场影响机理的对比研究

附面层吸/吹气是抑制流动分离、提高压气机叶片负荷的有效技术途径。针对超声速压气机叶栅内激波诱导的角区分离,分别采用多种不同的端壁吸/吹气方案对其进行流动控制,旨在探索端壁吸/吹气对激波干涉下角区分离的控制机理,并对比分析端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅角区分离的控制效果。结果表明:在激波/端壁附面层干涉下,该超声速压气机叶栅内存在大范围的激波诱导角区分离,角区分离使得该超声速叶栅存在强三维效应,二维叶栅中的单正激波变为"斜激波+正激波"结构,叶中吸力面尾缘开式分离变为闭式分离;端壁吸气可有效抑制该超声速叶栅的角区分离,吸气后近端壁区损失系数大幅降低,最优端壁吸气缝方案的起始点与亚声速压气机叶栅相同,但端壁吸气后叶中的双激波结构变为单正激波结构,叶中流动分离增大;端壁吹气也可有效抑制角区分离,其控制效果略优于端壁吸气,其原因是吹气缝处的静压高于吸气缝,对激波的增强作用弱于端壁吸气;与端壁吸气方案不同的是,最优端壁吹气缝方案的起始点位于叶片前缘。     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

端壁射流对压气机叶栅角区分离控制的研究

为了研究端壁射流对压气机叶栅端壁角区分离控制的可行性和有效性,以压气机叶栅为研究对象,基于数值模拟方法对不同射流角和射流比控制参数下的计算工况进行了对比和分析。研究结果显示:端壁射流可以有效地控制角区的分离和降低叶栅损失,提高了叶栅的流通能力;控制效果受射流角和射流比的影响,只有射流控制参数大于临界射流角和临界射流比时,角区分离的控制效果才会显著,在10°射流角和0.23%的射流比条件下可以获得33.4%的相对叶栅损失增益;端壁射流在较大射流比下可以有效削弱通道涡、角涡的强度,阻断了其与尾缘脱落涡的接触,降低了涡系间相互作用导致的高损失影响;由于流道角区阻塞度的减小,叶展中部截面的损失和出气角会有少量增加。     

端壁抽吸位置对压气机叶栅角区分离控制的影响

以某高负荷压气机叶栅为研究对象,应用数值模拟方法探索了叶栅端壁不同抽吸位置对角区流动结构、通道漩涡发展过程以及叶栅性能的影响规律,寻求控制角区分离的可行方法。研究结果表明:在叶栅前缘上游5%C(弦长)位置实施抽吸,延缓了通道涡的形成,但导致叶栅来流攻角发生改变,在角区形成角区分离涡,并且该漩涡与通道涡相互促进,进一步恶化叶栅流场,导致叶栅落后角增大,损失增加;在叶栅通道激波后25%C端壁抽吸,吸除了上游端壁积累的高熵低能气流,制约了通道涡的迅速发展,改善了叶栅通道的流场结构,降低了流动损失,但并未对上游流场产生较大影响,是一种可行的方案。然而25%C处抽吸后,未能完全消除分离,在端部与叶栅通道主流之间存在较高损失区域。     

附面层吸除对大转角压气机叶栅气动性能影响的数值研究

数值模拟了低速条件下附面层吸除对某大转角压气机叶栅气动性能的影响。结果表明,叶栅进口马赫数一定时,小吸气量下存在使叶栅总压损失降低最大的最佳吸气位置,大吸气量时吸气位置对损失影响减弱;随吸气量增加,吸力面角区低能流体积聚明显减小,气流折转能力加强,叶栅负荷增加,总压损失降低最高达28.2%;吸气导致的栅内扩压能力恢复和通道涡三维分离效应是确定最佳吸气位置及吸气量的判定原则。      

吸附式压气机叶栅气动性能计算模拟研究

为考察附面层吸附技术在压气机静子势流区叶型上的应用,采用流场数值计算方法对吸气叶栅流场进行模拟.结果表明:(1)对于高亚声速压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除可提高叶栅的扩压度,但不一定能减小流动损失.(2)对于中亚声压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除不仅可提高叶栅的扩压度而且能减小流动损失.(3)如果叶片吸力面靠后缘处有流动分离,吸气位置在分离区的上游较远处可抑制分离,若在分离区附近可能不利于抑制流动分离.      

冲角对正弯曲叶片扩压叶栅气动性能的影响

为了研究冲角对正弯曲叶片压气机叶栅气动性能的影响,在平面叶栅低速风洞上,对具有可控扩散叶型(CDA)的直叶片,正弯曲15°和20°弯曲叶片压气机叶栅在0°,±6°和±10°冲角下进行了实验,获得了不同冲角下不同弯曲角度叶栅出口流场的能量损失系数和叶片表面静压系数等的分布。与直叶栅相比,叶片正弯曲后叶栅总损失在所有冲角下均得到了降低,在正冲角下,叶栅端部流动状况得到改善,在负冲角下,叶栅流道中的流动相对于直叶栅改善不明显。直叶栅在10°冲角下发生了遍布整个流道的分离流动,而正弯曲叶片的采用则削弱了流动的分离。     

小流量多级高负荷轴流压气机设计

以增压比为6的国外某小流量5级轴流压气机为设计原型,在不超过其前3级的轴向长度的条件下,设计了3级轴流压气机,研究其最大增压能力.在采用了正预旋、静子端弯、第2、3级转子叶尖适度斜流等措施后,3级轴流的设计点流量为5.80kg/s,增压比为5.445,效率为0.8272,喘振裕度为11.8%,3级平均级增压比为1.759.研究结果表明:在一定的轴向长度限制下,小流量3级轴流压气机虽可以达到5.5量级的增压比,但其流量特性曲线已经变得很陡峭.      

压气机旋转失速的一个气动声学模型

 根据广义Lighthill方程建立了压气机旋转失速的气动声学模型。提出了一种应用声学方法获取压气机旋转失速特征参数(旋转失速传播速度、数目)的新途径并结合试验结果进行了具体的分析。此外,在简化假设下,用数值法分析了旋转失速特征参数对声音幅值变化的影响。     

新组合压缩方式压气机的可行性探索

结合容积式压缩和叶片式压缩的特点,提出一种流体压缩新概念,并以此为研究背景,开展理论分析、数值模拟和实验验证方面的工作.研究结果表明:叶片式串联容积式的组合压缩方式可以兼顾叶片式和容积式的优点,一方面具有和容积式一样可靠的稳定性,而尺寸体积远小于同流量的容积式压缩机;另一方面,在同流量条件下比叶片式压气机压比更高,稳定性更好.     

高压压气机径向间隙分析

针对航空发动机高压压气机,综合考虑气动载荷、离心力载荷、温度载荷耦合作用,建立了压气机径向间隙分析模型,获得了3个典型工况下的流场特征以及叶片的变形、应力分布,高压压气机转子叶尖径向间隙沿轴向变化的分布规律以及轴流压气机转子与机匣的间隙范围.计算结果显示在设计点和转速最高点,斜流压气机转子叶尖与机匣发生碰磨,与试验结果一致,验证了计算方法的正确性,也为建立合理有效的压气机径向间隙分析方法提供了思路.     

级环境下附面层抽吸对对转压气机性能的影响

为研究级环境下附面层抽吸(BLS)对对转压气机性能影响的机理,针对某双排轴流对转压气机转子进行附面层抽吸的探索.在前排转子R1(Rotor 1)、后排转子R2(Rotor 2)吸力面沿弦向不同位置分别开设3个不同抽吸槽,研究了不同吸气位置与吸气量下R1单独吸气、R2单独吸气对对转压气机流场结构及性能的影响.结果表明:R1单独吸气时,随吸气量增加,R1效率提高,R2效率降低,对转压气机整机效率先增大后减小,最佳吸气位置靠近R1尾缘;R2单独吸气时,随吸气量增加,R1效率基本不变,R2效率先增大后减小,对转压气机整机效率先增大后减小,最佳吸气位置靠近R2尾缘;附面层抽吸后落后角明显减小,叶排间的气流参数匹配是级环境下附面层抽吸需要考虑的重要因素.      

Influences of meridional flowpath on the performance of swept blade in an axial compressor stage

A series of numerical simulations were conducted in both a 1.5 stage axial compressor model and a simplified planar cascade model. The cases with different blade sweep schemes in the cascade model were simulated with free-slip endwalls to minimize the influence of endwall 3-D(three-dimensional) flows. The results obtained in the cascade model were discussed at first for getting a clear insight into the effects of blade sweep without other influences. And then the simulation results of the 1.5 stage compressor model were discussed accordingly. The discussions focused on the influences of different meridional flowpath designs, i.e. constant mid radius (CMR) design, constant outer radius (COR) design and constant inner radius (CIR) design, on the performance of the swept blade. The results showed that the most critical effect produced by blade sweep was attributed to the redistribution of local mass-flow-rate in blade spanwise direction. The change of meridional flowpath did not change the mass-flow-rate redistribution behaviors. However, the trends for local mass-flow-rate redistribution in compressor stage model showed some discrepancies compared with the results shown in the planar cascade model.      

离心压气机管式扩压器研究进展及评述

紧凑高效的扩压器设计非常具有挑战性,成为制约高压比离心压气机应用于工程实际的主要技术障碍。管式扩压器是解决高压比离心压气机扩压器设计难题的有效手段。目前管式扩压器已经在国外先进中小型航空发动机中得到了应用,有效地提升了离心压气机性能。本文从管式扩压器设计参数对压气机性能的影响以及管式扩压器内部复杂流动机理研究两个方面对管式扩压器的国内外研究进展进行了回顾,讨论了管式扩压器内部流动机理及其对离心压气机性能的影响,并指出了管式扩压器研究的发展趋势。     

一种冲击-冲压式超音速压气机设计尝试

为了探索高负荷压气机设计技术,提出了一种冲击-冲压式超声速压气机的设计方案。设计得到的冲击式转子在叶尖切线速度为457m/s下实现了4.6的压比和0.88的绝热效率,该转子的出口马赫数高达2.1,采用了冲压式静子来实现减速扩压,结合边界层吸气等手段,最终整级的压比为3.4,绝热效率为0.72。结果表明:这种超声速压气机设计方案可以实现较高的负荷和可以接受的效率,是一种值得关注与研究的高负荷压气机气动布局。     

航空发动机主动稳定控制方法分析

主动稳定控制能够抑制压气机旋转失速、避免喘振,从而减小稳定裕度,扩大工作范围,使压气机性能得到最大发挥。针对航空发动机主动稳定控制关键技术,分析了以Moore-Greitzer模型为基础的压气机模型、模态控制与非线性控制两种主动控制方法,在此基础上讨论了主动稳定控制方法存在的不足,并指出了压气机模型与主动稳定控制方法的未来发展方向,可为航空发动机主动稳定控制理论研究与工程应用提供有益的参考。     

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.