轴流压气机气动扩稳一类新措施的实验探索

采用外部绕流激励的方法研究非定常绕流对压气机气动稳定性的影响规律,并在此基础上探索了该措施的工程应用前景.通过模型实验验证了利用压气机内叶排间绕流的非定常耦合作用,优化匹配其周向气动布局方案,可有效的提升压气机稳定工作裕度,并改善其气动稳定性.结果表明:当绕流撞击强度达到某一阈值,并且当非定常绕流频率与非定常旋涡脱落特征频率发生耦合时,可较大幅度的提高压气机稳定工作裕度,其相对值可提高约22.1%.这一结论在压气机不同的折合转速工作状态下仍然得到了验证.     

小型斜流压气机流场特性及损失分析

采用数值模拟的方法研究了某小型斜流压气机内部三维流动,分别对设计转速和80%设计转速进行了数值模拟计算。分析了在两种转速下的特性曲线,研究了气流的流动状态,归纳总结了造成斜流压气机损失的主要原因。结果表明,在设计转速时达到的最高效率约为0.63,在80%转速下能达到的最高效率约为0.80;斜流压气机的损失在斜流叶轮上和轴向扩压器上均较为明显,且在第二级轴向扩压器上的损失最为严重。     

设计状态下压气机转子叶尖泄漏涡流动研究

在低速大尺寸单级压气机实验台上,利用SPIV技术测量了设计状态下压气机转子尖区多个截面的三维瞬态速度场。基于瞬态场测量结果,详细阐述了设计状态下压气机转子叶尖泄漏涡产生、发展、失稳、破碎的演化过程,导致叶尖泄漏涡失稳的4种主要因素:主流的逆压梯度、哥氏力、端壁的剪切流动和来流湍流度的影响,分析了压气机内泄漏涡的失稳破碎机制,以及泄漏涡与主流的相互作用等。     

转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制

为了揭示压气机转子节流时其叶顶间隙流动的演变趋势及其形成机理,选取某亚声速轴流压气机转子为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其内部流场进行了全三维数值模拟.结果表明:随着压气机转子流量减少,主流轴向动量减小,而在叶顶间隙两侧压力梯度和二次泄漏流的共同作用下,叶顶间隙泄漏流的轴向动量却不断增大,导致叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量比不断增大,从而推动叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,这意味着叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动阻塞区不断扩大,正是叶顶间隙泄漏流相对于主流的增强造成的叶顶流动阻塞区不断扩大最终导致了该压气机转子进入失速状态.     

轴向偏转型自循环机匣处理对高速压气机扩稳效果的影响机理

本文提出了一种新的轴向偏转型自循环机匣处理结构,偏转角度为叶片顶部弦长与压气机轴向的夹角,设计了正偏和反偏2种方案,然后,以一个高速轴流压气机转子为研究对象进行数值模拟,结果表明：相对于实壁机匣,压气机在正偏、反偏自循环机匣处理时的综合稳定裕度分别增加11.52%、10.15%,峰值效率仅分别下降了0.32%、0.59%。分析原因是正偏型自循环机匣处理时,喷射的高速气流将叶顶泄漏流沿叶顶弦长方向吹向下游,改善了叶顶流场,起到了扩稳效果,同时,喷射流与压气机叶顶主流方向一致,提高了进口速度,减小了掺混损失,因此,效率下降很小。反偏型自循环机匣处理时,喷射的高速气流将叶顶泄漏流吹向转子叶片吸力面,抑制和削弱了叶顶泄漏流,也起到了扩稳效果,但由于喷射流与叶顶泄漏流、压气机主流都存在夹角,因此,造成了较大的掺混损失,效率比正偏型自循环机匣处理时下降略多。     

叶型反设计计算研究

以某型号发动机压气机叶型生产坐标为设计输入,寻找一种切实可行的叶型反设计方法,以便对该压气机进行反设计计算研究,评估其真实性能,从而为改进设计提供依据.具体反设计过程为:根据等高面叶型生产坐标、设计经验和分析判断给出压气机各级气动参数分布及其子午面布局,得出其S2流面计算结果,然后冉根据S2流面计算结果将生产坐标反设计到流线面上,通过流线上的叶型反设计得出一维、二维及三维计算分析程序所需的计算输入并进行计算分析,对比计算和试验结果,判断反设计方法的有效性.     

进气旋流畸变对压气机性能的影响

为研究进气旋流畸变对压气机性能影响,在单级轴流压气机试验台上加装旋流发生器.利用所设计的旋流发生器,产生不同旋转方向及不同强度的整涡旋流畸变和对涡旋流畸变,分析其对压气机性能、稳定性的影响.结果表明:在一定旋流畸变强度下,正向整涡旋流畸变会减小压气机增压能力,但增加压气机稳定裕度;相比之下,反向整涡旋流畸变对压气机增压能力影响较小,但对稳定性有显著影响.对涡旋流畸变对于压气机的增压能力影响较小,可以忽略不计,对压气机稳定性有一定的影响.      

机匣处理作用下高负荷轴流压气机转/静子匹配设计研究

为了探索机匣处理作用下转/静子的轴向匹配方法以进一步提高压气机级的失速裕度,研究了静子的叶型安装角及"弯"、"掠"规律对压气机性能的影响,针对机匣处理与优化静子的组合结构进行了非定常数值模拟,阐述了该结构的扩稳机理以及压气机新的失速机制。研究结果表明,在机匣处理作用下,静子成为压气机失速的触发因素,通过对静子叶型安装角及"弯"、"掠"规律的优化均可进一步提高压气机级的失速裕度,其中改变静子"弯"型对压气机级失速裕度的改善最大。组合应用机匣处理与尖部反弯根部正弯静子后,压气机效率基本不变,失速裕度提升了80.2%,较单独使用机匣处理提升30.9%。在该组合结构作用下,压气机的失速由静子触发,静子叶根吸力面在激波作用下发生附面层分离,且与轮毂表面附面层相互作用形成角区涡,接近失速边界时,静子叶根形成"前缘溢流,尾缘反流"现象,造成静子通道的大范围堵塞,诱发压气机失速。压气机级的扩稳应充分考虑机匣处理的影响,对静子进行优化设计。     

对涡旋流畸变对单级跨声速压气机性能影响的数值研究

为了评估弯曲进气道中显著的旋流畸变对压气机性能和稳定性的影响，利用CFD技术开展了Stage 35在对涡旋流畸变下的数值仿真，获得了对涡旋流畸变下的压气机特性线和流场分布，并与无畸变和正负整体涡时的情形进行了对比分析。结果表明:对涡旋流畸变会使压气机的性能和稳定裕度降低，且工作点处于同等强度的正负整体涡旋流畸变工作点之间，在90%换算转速和对涡旋流模式P2下，压气机换算流量、压比、温比、效率和稳定裕度的最大降幅分别为8.00%，7.24%，0.98%，9.64%和43.14%。这种影响主要取决于占主导的旋流畸变类型和不同类型旋流畸变对压气机性能参数影响程度的共同作用。同时压气机换算转速和旋流强度越大，压气机性能参数和稳定裕度下降越多。     

离心压气机与脉冲爆震燃烧室共同工作分析

为了掌握压气机与爆震室相互作用机理,实现压气机与爆震室稳定匹配工作,针对离心压气机与爆震室共同工作过程建立了数值计算模型,并采用脉冲爆震涡轮发动机原理性试验系统进行验证,在此基础上结合传统航空发动机中压气机特性分析方法,对反传作用下的压气机工作特性进行了计算分析。结果表明:反传压力波使压气机内出现了瞬间的气体倒流现象,并且会在进气转接段内形成压力波动,使压气机出口长时间处于非稳态工况;压气机与爆震室匹配工作时,压气机工作特性线朝喘振边界靠近,效率低于0.39,而同转速下,压气机单独工作时,其效率均在0.81以上。     

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%.      

变轴向间隙下压气机近失速工况时弯曲静叶改善流场的实验研究(英文)

The outlet flow fields of a low-speed repeating-stage compressor with bowed stator stages are measured with five-hole probe under the near stall condition when the rotor/stator axial gap varies. The performances of the straight stator stages are investigated and compared to those of the bowed stator stages. The results show that using bowed stator stages could alleviate the flow separation at both upper and low corners of the suction surface and the endwalls, and decrease the losses along the flow passage as well as the outlet flow angle. As the rotor/stator axial gap decreases, although the diffusion capacity of the compressor increases obviously, the outlet flow field in the straight stator stages deteriorates quickly. By contrast, little changes occur in the bowed stator stages, indicating that as the rotor/stator axial gap decreases, improved performance is achieved in the bowed stator stages.     

单级低速模拟轴流压气机实验台改进设计

为了使单级低速台能够更好地模拟高压压气机后面级流动,采用导叶+静子+转子+静子+导叶的五排叶片布局,适当提高轮毂比,以及采用3D打印树脂叶片,对常规三排叶片单级低速模拟大尺寸轴流压气机实验台进行了改进设计研究,并与四级重复级低速大尺寸压气机实验台的第三级结果进行了对比。结果表明:改型设计的单级低速大尺寸压气机的设计点效率达到了89.1%,流量裕度达到了32.9%,与四级重复级实验结果基本一致,而且实现了基本相似的级间参数分布,比传统单级实验台更接近高压压气机后面级的典型流动,从而可以利用该实验台成本低和周期短的优势,开展更多更深入的关于高压压气机后面级流动机理和设计方法的实验研究。     

轴径流组合压气机中动叶尾迹与势流叠加特性的数值研究

对一级轴流和离心叶轮组成的组合压气机非定常流场进行模拟,通过影响因素分组法,讨论了上游轴流叶轮尾迹与下游离心叶轮势流共同对中间静叶气流非定常流动的干涉特性及离心叶轮势流单独对静叶气流非定常流动造成的影响,并得到轴流叶轮与静叶间、轴流叶轮与离心叶轮间和静叶与离心叶轮间的干涉现象对下游离心叶轮进口气流产生的影响.结果表明:当上游轴流叶轮叶片尾迹和下游离心叶轮势流在中间静叶流道内发生耦合叠加时,会导致两种影响因素出现彼此相互激励或抑制现象;在离心叶轮进口处,轴流叶轮与静叶间、轴流叶轮与离心叶轮间和静叶与离心叶轮间的叠加干涉相位不同,将会导致此处气流产生畸变,直接影响离心叶轮进口气流角的非定常波动幅值.      

Numerical and experimental study of bleed impact in multistage axial compressors

In this study, the influence of inter-stage bleeding on the compressor performance and inter-stage flow field of a multistage axial compressor is investigated by both experimental and numerical methods. The experiment is conducted on a four-stage low-speed axial compressor, and a specific computational model is built to simulate the experiment environment accurately. To illuminate the fluid mechanisms of bleeding effect in detail, both the experiment and the simulation are carried out twice, i.e., in the first time, the mass flow rate upstream the bleed location is constant under different bleed rate conditions; while in the second time, the mass flow rate downstream the bleed location is constant under different bleed rate conditions. The results demonstrate that inter-stage bleeding has little influence on upstream compressor characteristics, and affects the upstream flow field only in the rear half of the stator. The bleed effect on the downstream flow field is embodied in the variation of an incoming flow profile, an increase as the compressor inlet flow coefficient decreases. Therefore, such an effect is only significant on compressor characteristics at small flow coefficient conditions. In multistage compressors, the variation of compressor characteristics and flow field caused by inter-stage bleeding is the comprehensive result of the bleeding and the variation of the upstream working condition. In addition, the comparison between numerical and experimental results shows that the flow moves towards top half of span through the downstream rotor passage in the numerical simulation, whereas the trend of flow field variation with different bleed rates at the outlet of the downstream rotor and stator is the same with that at the inlet of the downstream rotor in the experiment, which means that the numerical method has overestimated the radial mixing intensity of the flow.     

转子叶片加工误差对1.5级跨声速压气机气动性能的影响

压气机叶片加工误差不可避免,将在一定程度上影响压气机的气动性能。为研究叶片加工误差对跨声速压气机气动性能的影响,以燃气轮机进口1.5级跨声速压气机为对象,通过三坐标测量跨声速转子叶片叶型数据,获得了加工误差分布特征;针对实测转子叶片,采用三维CFD数值模拟方法,研究了轮廓度、位置度和扭转角综合误差对压气机转子和级特性线和流场参数的影响;针对转子叶型以轮廓度超差为主的特点,采用S2流面通流计算方法,在设计流量点研究了由轮廓度误差引起的转子叶型最大厚度变化对压气机转子和级性能的影响。结果表明,转子叶片加工误差对压气机堵塞流量、全流量范围内转子和级的压比和效率均有影响,同时改变转静子叶片排出口气流参数的径向分布规律,主要原因为激波位置和强度的变化;在设计流量点,转子和级的压比和效率的变化与最大厚度变化呈负相关趋势,厚度偏差越大性能变化幅度越大;对转子叶片,来流相对马赫数随叶片高度增加而增大,性能对叶型几何误差的敏感性增强,综合压比和效率的变化,中上部叶高范围的轮廓度公差要求应更严格。     

压气机转子叶片叶尖流场的低速模化设计

针对带进口导叶的高速压气机第1级转子叶片的叶尖流场进行了低速模化设计,为后续的低速压气机叶尖流场损失和失速测试试验做了准备.利用叶片造型和数值模拟方法,以保证高、低速压气机转子叶片表面压力系数及叶片排进、出口主要气动参数分布相似为目标,对高速原型压气机进行低速模化设计,包括调整流道形状,对叶型进行反复迭代,并在进口导叶和1级转子叶片的造型设计上突破了几何相似的限制.最后,对高低速压气机的几何、气动参数和流场结构进行了全面的计算对比分析,证明采用所提出的低速模化设计方法是成功的,实现了在流量系数相同的情况下,加工量因子和转子扩压因子分别为98.16%,94.95%的相似度.      

轴流涡轮基元级动叶稠度特性的数值研究

利用商用软件数值模拟了5个不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况,以研究动叶稠度对轴流涡轮基元级性能和流动情况的影响.通过对动叶稠度对基元级反力度、叶片进出口气流角、转子和静子中的流场及损失影响情况的考察研究,发现动叶稠度的改变对涡轮基元性能和流动情况的影响与静叶稠度存在重要关系.静叶稠度不变时,动叶稠度的改变通过影响流过涡轮基元级的流量来使基元级的反力度发生变化.当动叶稠度过大时,气流在转子中会过度膨胀加速而产生激波损失及其与附面层干涉形成的流动分离损失.动叶稠度过小时,转子进口会出现极大的正攻角致使动叶吸力面发生大范围的流动分离.静叶稠度一定时,存在一个最佳的动叶稠度,使涡轮基元级呈现最好的性能.      

负荷系数0.5 的高负荷单级轴流压气机设计及试验研究

为探索高负荷多级压气机的设计方法,开展了负荷系数0.5的进口级设计及试验研究。该进口级设计流量35.3 kg/s,压 比2.07,叶尖切线速度388 m/s。设计中采用了反预旋、高反力度的设计思路,转子进口相对速度全叶高超音。转静子均采用小展 弦比设计,其中转子展弦比0.68,静子展弦比1.1。该压气机在中国航发沈阳发动机研究所A219试验器上完成试验,录取了1.0和 0.95相对换算转速特性。试验结果表明：在1.0设计转速,工作点换算流量36.37 kg/s,压比2.121,效率0.894,喘振裕度8%,验证了 高反力度、高负荷多级压气机进口级设计方法。给出了流路、转静子叶型几何坐标等气动设计数据,同时也给出了试验数据,这些 数据可用于仿真软件的校核,对提高仿真软件预测精度具有重要意义。     

进口导叶角对叶根失稳压气机流动失稳的影响

以一台航空高速压气机为研究对象，通过加装进口导叶调整压气机进气预旋角，采集失稳过程中的动态压力信号，观察不同导叶角度、流动失稳演化过程。结果表明：在负导叶角情况下，压气机由转子叶尖突尖波引起失稳；在零导叶角及较小的正导叶角情况下，由静子叶根区域的局部喘振诱发失稳；在较大的正导叶角情况下，静子叶根在节流过程中首先出现局部失稳，进一步节流导致叶尖旋转失速团出现，压气机完全失稳。分析认为，导叶角的增加通过降低反力度，调整了转静间的负荷分配，从而引起了失速初始扰动发生上述“转子突尖波-静子局部喘振-静子局部失稳”的转变。