轴流离心组合压气机性能及流场分析

以某轴流、离心组合式压气机为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同转速典型工作状态下该压气机的性能和流场细微结构,为进一步提高压气机的压比、效率,扩大压气机的稳定工作裕度,对压气机进口导流叶片和第一级静子叶片安装角进行优化调节,对改进后压气机的典型工况进行了数值模拟,并进行了相应的试验研究。研究结果表明优化后压气机稳定工作范围增大,在90%设计转速和最大压比不变的情况下,最高效率提升1.05%,典型工况下流场结构也有不同程度的改善。     

轴流压气机近失速及旋转失速全通道数值模拟

为研究轴流压气机失速起始的动态过程,对某两级低速轴流压气机的第1级进行整环全通道模拟.结果表明:在近失速点流场中存在周向大尺度的速度波动,该波动与静子叶排首先出现的周向不均匀分布的叶背附面层分离密切相关,并且随着压气机进一步节流,波动幅值逐渐增大,最终诱发转子若干通道出现严重附面层分离,堵塞流道,压气机进入旋转失速.失速团完全发展后的转动频率与试验结果吻合较好.      

静-转叶排轴向间距对某跨声速压气能的影响

对两种轴向间距下某跨声速轴流压气机静子-转子叶排间的流场进行了定常数值模拟,结果表明:在大流量工作状态下,近轴向间距时的效率较远轴向间距时有明显降低;在高负荷工作状态下,两者的效率相差不大.对大流量工况点与高负荷工况点的流场非定常数值模拟结果表明:近轴向间距时转子前缘激波对上游静子叶片附面层的干扰要强烈的多;近轴向间距时上游静子尾迹对在高负荷工况点动叶叶尖处出现的二次泄漏有更强的抑制作用,能更有效的减弱叶尖泄漏流造成的堵塞和损失.      

大折转角弯曲静叶在高负荷压气机改型设计中的应用

采用适合高亚声速气流进口的弯曲静叶对某型高负荷风扇级进行改型设计,使用单列大折转角弯曲静叶代替原型级中的串列静叶。采用叶片三维成型技术设计弯曲静叶,引入叶片局部修型措施控制改善栅内流动和动静叶间的匹配,通过数值模拟三维流场得到原型级和改型级的不同转速特性线上各工况点的气动性能。研究结果表明,三维成型设计的高负荷弯曲静叶能够优化压气机的结构,满足高负荷压气机不同转速工作点高性能的要求,同时具有优良的变工况性能,是研发高性能压气机部件可采取的措施之一。     

基于湍流输运特性对S-A模型在压气机角区流动模拟中的改进研究

在非设计工况下,压气机叶栅角区的三维分离加剧,流场内的湍流处于较强的非平衡状态,因此必须对于非平衡状态的湍流的输运过程给出准确的预估.基于不同工况下压气机内角区分离流动的湍流输运过程的分析,提出了一种修正Spalart-Allmaras(S-A)模型中模拟湍流黏性生成和耗散关系的改进方法,经过数值研究发现改进的S-A模型对于静子角区分离的模拟更接近物理实际,从而提高了对非设计工况的预估能力.      

轴向间距对某跨声速轴流压气机叶排间干扰的影响规律

对不同轴向间距下的某跨声速轴流压气机内流场在设计转速时进行了定常数值模拟,结果表明当转子与上游静子轴向间距减小时,压气机的效率和压比有明显降低,而转子和下游静子间距减小时,压气机的效率和压比反而有所提高.进一步的非定常数值模拟结果表明:①转子与上游静子轴向间距减小时,转子前激波与静子尾缘干扰增强,造成了效率和压比的下降...     

转子叶尖开缝对跨声速轴流压气机性能及流场结构影响机理研究

为了研究转子叶尖开缝对跨声速轴流压气机性能和流场结构的影响机理,设计了一种渐缩式射流缝,提出在转子叶尖不同相对位置开缝的流动控制方案,通过数值计算的方法对各开缝方案与压气机的流场进行对比分析.结果表明,开缝位置靠近前缘时压气机总压比提升了1.39％,但综合稳定裕度降低了0.18％;开缝位置靠近尾缘时,压气机总压比提升了...     

InvesInvestigation of the Effects of Airfoil-probes on the Aerodynamic Performance of an Axial Compressor

In order to investigate the effects of the airfoil-probes on the aerodynamic performance of an axial compressor,a numerical simulation of 3D flow field is performed in a 1.5-stage axial compressor with airfoil-probes installed at the stator leading-edge(LE).The airfoil-probes have a negative influence on the compressor aerodynamic performance at all operating points.A streamwise vortex is induced by the airfoil-probe along both sides of the blade.At the mid-operating point,the vortex is notable along the pressure side and is relatively small along the suction side(SS).At the near-stall point,the vortex is slightly suppressed in the pressure surface(PS),but becomes remarkable in the suction side.A small local-separation is induced by the interactions between the vortex and the end-wall boundary layer in the corner region near the hub.That the positive pitch angle of the airfoil-probe at 6.5% span is about 15° plays an important role in the vortex evolution near the hub,which causes the fact that the airfoil-probe near the hub has the largest effects among the four airfoil-probes.In order to get a further understanding of the vortex evolution in the stator in the numerical simulation,a flow visualization experiment in a water tunnel is performed.The flow visualization results give a deep insight into the evolution of the vortex induced by the airfoil-probe.     

二维轴流压气机转—静非定常Euler方程数值计算

将Euler方程写在包括转子和静子的绝对坐标系下,通过在转—静之间设计一个可以随时间扭动的平行四边形网格计算了二维轴流压气机转—静非定常流场。由于整个方程统一写在动网格下,转—静之间没有使用插值。      

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。     

Development of a coupled supersonic inlet-fan Navier–Stokes simulation method

A coupled supersonic inlet-fan Navier–Stokes simulation method was developed by using COMSOL-CFD code. The flow turning, pressure rise and loss effects across blade rows of the fan and the inlet-fan interactions were taken into account as source terms of the governing equations without a blade geometry by a body force model. In this model, viscous effects in blade passages can also be calculated directly, which include the exchange of momentum between fluids and detailed viscous flow close to walls. NASA Rotor 37 compressor test rig was used to validate the ability of the body force model to estimate the real performance of blade rows. Calculated pressure ratio characteristics and the distribution of the total pressure, total temperature, and swirl angle in the span direction agreed well with experimental and numerical data. It is shown that the body force model is a promising approach for predicting the flow field of the turbomachinery. Then, coupled axisymmetric mixed compression supersonic inlet-fan simulations were conducted at Mach number 2.8 operating conditions. The analysis includes coupled steady-state performance, and effects of the fan on the inlet. The results indicate that the coupled simulation method is capable of simulating behavior of the supersonic inlet-fan system.     

轴向间距变化对轴流压气机全流量特性的影响

针对动静叶排轴向间距变化对压气机特性的影响,实验研究了6个轴向间距下压气机的压升特性。并采取在静子叶片表面埋入微型压力传感器的方法,对叶尖、叶中和叶根三个截面上的动态压力进行了测量。结果表明,对于同一轴向间距,不同转速下包括左支特性在内的全流量范围的压升特性具有重合性;轴向间距对压气机的失速流量和失速模态有很大的影响,轴向间距减小时,压气机的失速流量减小,稳定性得到加强;而且压气机工作于多团失速时的流量范围减小,失速模态由多团失速过渡到单团失速提前。     

多级轴流压气机非设计性能的数值预估

采用LU-SGS隐式解法以及叶排间掺混面模型数值模拟压气机三维粘性流动,研究了多级轴流压气机的设计与非设计状态性能的预估问题。对一台五级高压压气机进行了详细的流场数值计算,包括了设计转速的100%,90%及80%等多个转速及各种工作状态。结果表明,本文所建立的数值方法与计算机程序对多级轴流压气机各种非设计状态的计算都具有收敛容易和快速的优点,计算得到的压气机总性能和各分级性能与设计参数进行了对比,证明该方法和程序的预估结果是比较准确的。根据设计转速下的计算结果,预估了压气机设计点的喘振裕度。此外,还对不同状态下叶片进口气流角的变化进行了分析。      

Unsteady Flow Variability Driven by Rotor-stator Interaction at Rotor Exit

Numerical investigation of the unsteady flow variability driven by rotorstator interaction in a transonic axial compressor is performed. Two models with close and far axial gap between rotor and stator rows are studied in the simulation. Particular attention is attached to the analysis of mechanisms involved in driving rotor wake oscillation, rotor wake skewing and flow angle fluctuation at rotor exit. The results show that smaller axial gap is favorable to enhance the interaction in the region between two adjacent rows, and the fluctuation of the static pressure difference between two sides of rotor wake is improved by potential field from down stator, which is the driving force for rotor wake oscillation. The interaction between rotor and stator is weakened by increasing axial distance, rotor wake shifts to suction side of rotor blade with 5%-10% of rotor pitch, the absolute value of flow angle at rotor exit is less than that in the case of close interspace for every time step, and the fluctuation amplitude is also decreased.     

单级环境静叶等离子体流动控制机理仿真研究

在轴流压气机等离子体扩稳研究中,针对单转子压气机流动控制的研究较多,而针对单级环境下静叶流动控制的研究却很少.采用静叶轮毂轴向等离子体激励方式,通过数值模拟方法研究单级环境下静叶流场特性,揭示轴流压气机静叶等离子体流动控制扩稳机理.结果表明:等离子体激励器的轴向位置对单级轴流压气机的扩稳效果影响显著,越靠近叶片前缘,扩稳效果越好;布置在静叶通道后半部的等离子体激励器无法提高压气机的稳定性,而在静叶前缘施加轴向等离子体激励时,近轮毂区气流被诱导加速,主流的轴向速度提高,有效抑制了静叶近轮毂区吸力面的流动分离,静叶近轮毂区的堵塞减小,使得单级轴流压气机的稳定性提高.     

风车状态下转子性能及通道内流动分析

为探究低展弦比压气机转子在风车状态下由压气机模式向涡轮模式转化过程中性能、内部流场结构以及气动损失的演化过程,提出了一种基于叶片和流体间能量传递的简化数值计算方法,以获得某转速下的风车状态临界流量点。在数值模拟的基础上,重点对比了同一转速线上压气机工况点(小流量工况)、风车临界点和涡轮工况点下叶尖泄漏损失的演化机制,同时探究了叶片通道内流动分离的演化过程。 结果显示,随着转速的增加,转子风车状态临界流量呈现近似线性的变化趋势。而同转速下随流量增大,叶尖泄漏流从吸力面流向压力面,并与压力面上的低能量流体进行掺混,造成了流动堵塞。同时,从压气机模式转向涡轮模式的过程中,叶尖区域的流动分离从吸力面分离转变为压力面分离,随后分离强度和尺寸逐渐增大,造成的气动损失显著增加;而在轮毂区域,流动分离始终保持吸力面分离,其分离尺度沿径向有所发展。     

基于动叶污垢沉积的数值模拟

采用三维数值方法研究了污垢沉积对压气机动叶性能的影响.对具有一定典型性的真实压气机动叶NASA Rotor 37进行数值研究,通过与文献中实验数据的对比,校核了商业CFD(computational fluid dynamics)计算代码的可靠性,结果表明计算得到的性能曲线与实验数据有较好的一致性,应用于数值模拟手段是可行的.随后通过增加叶片和端壁的表面粗糙度和厚度来模拟不同的污垢沉积程度对压气机动叶性能的影响,结果表明:增加叶片厚度和表面粗糙度都将引起总压比和等熵效率降低;增加表面粗糙度将导致流量下降,稳定工况范围向小流量方向移动;而增加叶片厚度将使得稳定工况范围明显减小,堵点流量下降较显著,这将导致动叶工作特性恶化程度增大.      

轮毂修型对压气机静子角区堵塞的影响

针对压气机静子角区分离产生堵塞的现象,开展了静子轮毂修型的研究.通过对实例静子不同方案的数值模拟,验证了轮毂修型可以有效的抑制角区分离,从而降低轮毂区域的堵塞.其中,对实例静子根部分离点处进行的轴向轮毂修型,可以使静子叶栅出口的堵塞量降低20.4%,静子10%叶高处总压恢复系数从原来的0.89提高到0.948.      

多级轴流压气机稳定性的数字模拟

本文基于有关试验的结果采用了一个“激盘-滞后-容积”模型作为压气机级的物理模型,以代替近年来常用的“激盘-集聚容积”模型。为了比较,在数字机上分别用这两种模型预算了一台多级轴流压气机的失速线。模拟的证实除了和部件试验结果比较外,还专门在发动机试验台上作了逼喘试验。结果表明,用新模型得出的失速线和全台试验得出的几个失速点很接近,而用旧模型预算的失速线恰位于部件失速线的右下方。这种过早预示工作不稳定的情况,在前人所作的稳定性模拟中也可以发现,这表明新模型改进了模拟效果。 在模拟稳定性的同时,也模拟了非设计工况下级间的相互匹配,所得的等转速线和试验数据也较符合。     

静叶时序对压气机叶片附面层流动影响的数值研究

采用数值方法对两级低速压气机中径处的非定常流场进行模拟,针对压气机第2排静叶两个典型周向位置对动静叶干扰下的叶片附面层流动进行研究.建立尾迹与附面层干扰分析模型,结合叶片壁面摩擦力和近壁面附面层湍动能,详细分析了尾迹和势流干扰下静叶时序改变对叶片附面层流动产生的影响.对第2排静叶附面层的研究结果表明:静叶时序改变了尾迹在其叶排中的输运特征,能够降低壁面摩擦力和近壁面湍动能及其非定常最大波动幅值,影响吸力面附面层内动叶尾迹后沉寂区的宽度.在非定常条件下,尾迹能够诱导静叶层流附面层在尾迹干扰的局部范围内转捩发展为湍流状态,同时高湍流度尾迹的干扰具有抑制逆压梯度下附面层分离的作用,并能够延长层流区的范围.