轴流压气机静子容腔对性能影响的全三维数值模拟

鉴于轴流压气机静子根部容腔对压气机性能影响显著,本文利用CFD数值模拟手段,以某小流量多级轴流压气机第一级为研究对象,详细分析了该压气机第一级带静子容腔与不带静子容腔模型中的三维流动情况。结果显示,静子容腔叶根间隙泄漏流会造成静子叶根附近的流动发生明显变化,效率下降,级稳定工作范围变窄。     

压气机静子通道内的流场测量

为了研究根部间隙对压气机静子通道内流场的影响,设计了4根不同长度的“L”型五孔探针和1根四孔探针.通过位移机构带动上述探针,在最大流量和近失速两种工况下,对某双级低速轴流压气机的第1级静子通道内5个不同轴向位置截面进行了流场测量.实验结果表明:静子通道内总压损失主要是由叶尖附近角区分离以及根部泄漏流与主流的相互掺混引起的.静子通道内主要存在着上/下通道涡、叶尖角涡和泄漏涡等旋涡结构.      

单级轴流压气机叶端区二次流动的研究

为揭示某单级压气机非设计转速下影响效率和稳定性的关键因素,采用实验和数值模拟相结合的方法,系统地研究了该压气机动、静叶通道内的二次流动随工况（即叶片负荷）的变化规律.对于转子,大流量工况叶端区的二次流主要以泄漏流/泄漏涡和轮毂角区分离为主,而到了峰值效率和近失速工况,整个叶高基元的过度扩压导致的叶片失速抑制了轮毂角区失速的发生.静叶叶尖端区的二次流动虽然具有三维性,但到了近失速工况它依然没有发展成为角区失速.静叶叶根的泄漏流动虽然对端壁附面层的低能流体向轮毂吸力面角区的汇聚起到了一定的抑制作用,但它对角区失速的控制效果却受到压气机不同流量工况的影响.近失速工况叶根泄漏流动抑制角区失速的能力不足是导致压气机效率下降的主要因素,而转子叶尖的二次流动造成的对整个叶尖通道的阻塞是限制压气机稳定性的关键因素.      

可控转速机匣转动方向对高负荷压气机级稳定性的影响

可控转速机匣是一种新型的机匣处理方法，将机匣设计为可转动环段与固定环段两个部分，可转动环段会对转子叶顶区域的气流施加周向附加作用力并改变叶顶区域的周向压力梯度，进而对压气机级的稳定工作裕度产生影响。针对可转动环段在不同转动方向下的数值研究结果表明：当可控转速机匣与转子转动方向相反时，叶顶区域周向压力梯度的增大，加剧了转子的叶顶泄漏程度，泄漏涡及其破碎后气流的流动轨迹向相邻叶片压力面偏移，导致静子进口冲角逐渐减小至负冲角，压气机级失速提前。而当可控转速机匣与转子转动方向相同时，叶顶区域的周向压力梯度减少，降低了叶顶泄漏流动的原始驱动力，同时转子叶顶区域的泄漏涡及破碎后气流的流动轨迹远离相邻叶片压力面，通流能力增强。但静子进口冲角的增加使得静子吸力面分离加剧，限制了其扩稳能力的进一步提高，压气机级的稳定工作裕度最大可提升45.44%。     

弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响

为了研究压气机弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响,在一台低速轴流压气机上,采用实验方法,对比分析了第1级静子叶片分别为弯曲叶片和直叶片时叶尖射流的扩稳效果以及压气机内部流场信息.结果表明:第1级静子叶片由直叶片改为弯曲叶片后,在压气机失速过程中,模态波主要集中在叶尖区域,而叶尖射流恰好是通过改善叶尖区域的流场来拓宽压气机的稳定工作范围的,所以第1级弯曲静子叶片使得叶尖射流的扩稳效果更加显著.      

端区流动对跨声速压气机失速影响的数值研究

为了揭示近失速工况下动叶间隙和静叶角区的复杂流动结构,探索诱发压气机失速的主要因素,对高负荷跨声速压气机开展数值研究,获得了整级压气机和单转子的特性曲线,进而对压气机的流场进行了详细分析。结果表明:对于研究对象,失速最先起始于静叶上角区。上角区完成由开式分离到闭式分离的转变过程,可以认为是静叶发生失速的标志。在近失速工况下,动叶叶尖泄漏涡发生"泡式破裂"堵塞流道,泄漏涡破裂引起的堵塞作用一直从叶顶延伸至70%叶高左右。     

压气机角区失速预测模型的改进与实验验证

角区分离普遍存在于压气机中,随着负荷的提升,角区分离可能发展为角区失速,导致流动的堵塞与损失显著增大。前人基于二维叶栅,提出了预测叶片角区失速的模型,但这些模型并没有考虑到真实压气机环境中流动的强三维性。本文在现有模型基础上,一方面对其进行改进,以考虑压气机中流动具有强三维性的影响;另一方面,利用低速压气机实验台上获得的大量实验数据对现有模型和改进后的模型进行校验。结果表明:在真实压气机中,现有的准则不再可行;而基于改进后的模型,存在一个临界参数D=0.405±0.02,能够准确判断静子根部角区分离和角区失速;另外,改进后的参数D与静子根部端区流动影响范围内的堵塞和损失存在很强的关联。     

4 级重复级低速模拟压气机的试验与计算

低速模拟试验技术为航空发动机高压压气机设计体系的发展完善以及关键技术验证提供了重要手段。为了验证和完善低速模拟试验技术,对1台模拟某高压压气机后面级的4级重复级低速大尺寸压气机进行了详细的试验研究,并利用小尺寸高精度5孔气动探针获得了详细的转静子出口流场数据。试验结果表明:该4级压气机实现了典型的重复级流动,较好地模拟了高速原型的流动特征,随着流量系数的减小,静子尾迹均匀增厚,未出现角区失速,流场组织合理。基于试验数据对常用的CFD软件进行校验,表明CFX、Numeca和Turbo在叶片落后角、转子叶尖泄漏和静子损失等方面模拟存在不足。     

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。     

低速压气机不同静叶弯角对流动特性影响的数值模拟

本文采用全三维粘性数值模拟方法研究了重复级低速压气机不同静叶弯角对流动特性的影响。计算结果表明,静叶弯曲能有效地控制静叶端壁区二次流动,降低端壁区流动损失,特别是有间隙的根部区流动。因此,静叶弯曲后改善了近失速点的流动,扩大了低速压气机的稳定工作范围。另一方面,静叶弯曲促使端壁区的低能流体向叶片中部迁移,使得叶片中部附近的损失增加,从而效率降低。叶片弯曲的同时叶片表面积增大,使得叶片表面摩擦损失增加。几方面原因导致静叶弯曲存在一个最佳角度,本文数值计算结果表明弯角为10°附近流动效率最高     

高负荷压气机精细化设计

为保证压气机在负荷水平不断提高的同时仍具有良好的气动性能，需要对级间匹配、泄漏流和端区流动的控制进行精 细化处理。为兼顾压气机效率和裕度2个指标，需要对流量系数进行精细筛选以获得其最佳取值；通过增加级的反力度，可以有 效利用高负荷条件下转子的高稳定性，进而缓解负荷提高后静子易分离失稳的问题 ，同时使转、静子的扩散因子均得到较好地控 制；级间引气流场对压气机的级间匹配有较大影响，需要对引气结构进行优化设计，并在气动设计过程中对相关叶片排的攻角、落 后角作出补偿；合理控制篦齿封严泄漏流、转子叶尖泄漏流可以大幅提高高负荷压气机的气动性能；采用波浪壁流路可以较好地 控制高负荷压气机的局部端区流动，实现其效率和裕度水平的提升。     

缝式机匣处理对对转压气机的扩稳机理

为探索缝式机匣处理在对转压气机中的适用性，采用数值模拟的方法研究了缝式机匣处理对对转压气机气动性能和稳定裕度的影响。通过分析缝式机匣处理对压气机总体性能和叶尖流场的影响，以揭示缝式机匣处理在对转压气机中的扩稳机理。研究表明：缝式机匣处理可以提高对转压气机的失速裕度，机匣处理的轴向位置对对转压气机的气动性能和失速裕度有显著的影响。随着机匣处理的前移，对转压气机峰值效率的亏损逐渐减小，而失速裕度改善程度相差不大。机匣处理缝的抽吸和射流效应减弱了转子R2叶顶通道的堵塞程度，通过抑制叶尖泄漏流和二次泄漏流的发展以推迟失速的发生，进而实现扩稳。此外，缝式机匣处理时可能改变该对转压气机的最先失速级，同时也证明了缝式机匣处理在变工况下扩稳的有效性。     

旋转失速状态下静子叶排的新认识

测量了孤立转子及单级轴流压气机的旋转失速起始边界、旋转失速后续性能及其流场结构以及整个压缩系统的不稳定形态。讨论了单级轴流压气机中静子叶排对各特征参数的影响, 分析了旋转失速状态下静子叶排所起的作用。通过分析指向静子叶盆的滑移速度, 讨论了旋转失速状态下静子叶排加入后各性能参数的变化趋势, 解释了单级压气机所固有的一些性质。      

带周向槽机匣处理的压气机内部流动数值模拟与试验

采用试验和数值模拟的方法研究了周向槽机匣处理对轴流压气机性能以及内部流场的影响。在单级轴流压气机试验台上对实壁机匣和周向槽机匣结构进行了详细的实验测试。同时,对每一种机匣结构的内部流场进行了全三维数值模拟,数值模拟结果与试验结果符合良好,相比于实壁机匣,试验以及数值模拟结果均表明周向槽机匣处理结构能够扩大压气机的稳定工作裕度,而对效率的影响不大。对内部流场的详细分析表明周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡形成和发展的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因。      

轮毂处理对单级压气机性能的影响

在单级轴流压气机的静子内径处进行轮毂处理,以模拟转子尖部的机匣处理。用小型五孔探针详细测量了最佳工作状态和近失速边界状态下转子与静子叶片排下游气流的三元流场,特别是其端部流场。结果发现,对于转子叶尖失速型的级,静子轮毂处理不仅可以提高级的稳定裕度,而且也提高了转子的稳定裕度。      

对转压气机中自循环机匣处理扩稳机理的研究

为拓宽自循环机匣处理的适用范围,以对转压气机为研究对象,采用数值方法研究了自循环机匣处理的扩稳机理和轴向喷气位置对其扩稳能力的影响,详细分析了自循环机匣处理前后对转压气机的总体特性和转子叶尖流场的变化.结果表明:对最先失速的转子配置自循环机匣处理可以获得可观的裕度改善,但轴向喷气位置对扩稳效果和压气机的气动性能均有显著...     

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。     

间隙流触发压气机内部流动失稳机制及周向槽扩稳机理

利用高频响动态压力传感器对某低速轴流压气机转子的失速先兆和顶部流场进行了详细的测试,探明该压气机内部存在与叶顶间隙泄漏流相关的突发型失速先兆,对压气机转子内部流场进行了单通道定常和非定常数值模拟,详细分析了压气机内部流动失稳过程中顶部流场结构的变化,揭示顶部间隙泄漏流触发轴流压气机内部流动失稳机理.在此基础上,利用周向槽处理机匣结构对顶部间隙泄漏流进行控制,并探讨了周向槽处理机匣结构提高压气机稳定工作裕度机理.      

近失速压力扰动的试验

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3个截面上的动态压力进行测量,实验研究了压气机近失速的流场特性。实验结果表明:压气机失速前,存在两个特征频率的压力扰动;这两个特征扰动的扰动频率与压气机转速成正比,与转子转动频率的相对频率分别等于5和8;相对频率为5的特征扰动强度随着流量系数减少而增大,在失速点达到最大,而相对频率为8的特征扰动随着流量系数减少先增大,在失速点突然下降;选择相对频率为5的特征扰动作为压气机失稳预警信号,设定某一λ值作为报警的阈值,可以有效防止压气机失速。