轮毂处理扩稳的机理探讨

在单级轴流压气机上,用周向槽式处理机匣在静子内径处进行轮毂处理,与转子尖部机匣处理作类比。用小型5孔探针测试技术详细测量了在最佳工作状态和近失速边界状态下静子叶片排下游气流的三元流场,特别是其端部流场,发现对于转子叶尖失速型的级,在其静子轮毂处理也可以提高级的稳定裕度。并提出其扩稳机理与失速转移的关系,提出了周向诱导速度影响二次流的物理模型,进一步剖析了周向槽机匣处理的扩稳机理。     

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。     

静子容腔泄漏对某压气机性能影响的数值研究

利用全三维数值模拟方法研究了压气机静子容腔泄漏流动对压气机性能以及流场的影响,研究表明静子容腔泄漏流动不仅导致压气机效率和压比降低,而且使得压气机提前失速,稳定裕度下降5.19%.详细流场分析显示静子容腔泄漏流动对上游叶片排流动影响较小,但对本级静子以及后面叶片排根部流场的影响明显,静子容腔泄漏流动还改变了压气机失速的原因:静子容腔泄漏流动导致第1级静子根部尾缘发生流动分离,使得第2级转子根部攻角过大,整个叶背发生流动分离,引起压气机提前失速.      

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。      

提高超声速压气机级喘振裕度方法研究

在超声速压气机气动设计时,为实现设计点高性能和宽喘振裕度,提出采用优化方法以设计点性能为目标进行叶片设计,通过转/静子叶片几何手动修改提高压气机喘振裕度。以NASA Rotor 37为原型,应用此方法进行更高性能超声速压气机转子气动设计,并匹配静子,构成压气机级。结果表明:超声速压气机转子通道激波推出和静子大攻角分离是失速发生的主要原因,因此分别进行转子叶片前掠设计、改变叶尖稠度,以控制激波位置,单转子喘振裕度可从约7%提高到18%以上;静子上采用前掠、切向弯、修改叶片数及几何进口角等措施,最终将此压气机级的喘振裕度由约18%提高到30%以上。     

端壁附面层抽吸对对转压气机性能的影响

以双级对转压气机为研究对象,通过在两排转子机匣处开设抽吸孔,采用数值方法研究了不同抽吸流量下端壁附面层抽吸对压气机性能的影响,为吸附式压气机优化设计提供参考。计算结果表明:在级环境下端壁附面层抽吸可以提升压气机失速裕度,但抽吸流量过大会对效率造成一定损失,当抽吸1.6%流量时失速裕度提升了3.8%,压气机性能达到最佳;失速主要由间隙泄漏涡引起并首先在第二排转子叶尖发生,抽吸削弱了泄漏涡的强度推迟失速发生;端壁附面层抽吸增大了叶尖流通能力,使转子叶尖效率和压比得到提升,并有效改善了出口导叶流场。     

高负荷两级轴流压气机耦合型机匣处理的设计研究

为了提升高负荷两级轴流压气机的失速裕度,在分析传统缝式机匣处理无法扩稳的流动机理基础上,设计了一种耦合型机匣处理结构,采用三维数值模拟对该结构进行了优化设计。针对优化的耦合型机匣处理进行了非定常数值模拟,阐述了该机匣处理的扩稳机理以及机匣处理作用下压气机新的失速机制。研究表明,两级高负荷压气机的失速由第一级转子叶顶强激波诱发的附面层分离引起,缝式机匣处理无法有效消除该附面层分离引起的通道堵塞,因而无法提高该压气机的失速裕度。耦合型机匣处理结合了缝式机匣处理和自循环机匣处理各自的优势,将第一级转子叶顶的低能流体抽吸至进口导叶通道,极大改善了转子叶顶的流动状况,使压气机的稳定工作范围提高了49.3%,设计点效率提升了0.54%。在耦合型机匣处理的作用下,静子通道内集中脱落涡诱发的通道堵塞成为触发压气机失速的新因素。     

高负荷风扇气动设计与数值验证

在叶尖切线速度U=480 m/s的条件下,对级压比为2.4、负荷系数为0.42的风扇进口级进行了初步的气动设计,并进行了数值验证.分析了转子尖部和静子根部的设计难点,重点考察了进口预旋分布、设计压比分布、转子叶尖激波前马赫数、静子根部进口马赫数以及静子出口气流角等参数,以及静子附面层抽气对性能的影响及其内部机制.结果表明:采用常规设计的转子能够达到0.42的负荷系数;在该负荷条件下,静子根部会出现进口超声的情况,并在根部通道中产生强烈的正激波;如果静子根部存在贯穿通道的正激波,即D因子较小,仍会发生严重的分离失速.     

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%。     

不同转速下自循环机匣处理对转子性能的影响

以NASA Rotor 37为研究对象,采用数值模拟的方法研究了自循环机匣处理的引气位置在不同转速下对转子性能的影响。研究结果表明:自循环机匣处理的引气位置和转子转速对转子性能的影响具有交互性,其本质原因在于转子在不同转速下处于近失速状态时,转子叶顶区域的流动状态不同,从而造成引气位置和叶顶堵塞区域的相对位置会随着转子转速的变化而变化,进而对转子的性能影响呈现出交互性。通过对三种转速下自循环机匣处理的引气位置对转子稳定性的影响分析知,引气位置位于转子叶顶堵塞区尾缘处时对转子叶顶区的流动堵塞抑制能力最强,极大地改善了转子叶顶区域的流通状况,对转子的失速裕度改进量最为有利,在100%、90%和70%设计转速下,失速裕度改进量的最大值分别为7.46%、8.52%、6.14%。此外,通过对转子叶顶的流场细节分析得知,不同转速下自循环机匣处理的引气位置位于转子近失速工况的叶顶堵塞区尾缘处时，在叶顶造成的高比熵区最少,对转子效率的降低幅度最小,于效率最为有利。      

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.      

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。     

带周向单槽的低速轴流压气机失速起始过程

为了深入认识周向槽轴向位置对压气机失速机制的影响规律,针对某叶尖敏感的低速单转子压气机开展实验测量与数值模拟相结合的研究。实验与计算结果均表明,位于叶片弦长中部的周向单槽扩稳效果最好,而位于叶片前缘下游20%~30%轴向弦长位置的周向单槽扩稳效果最差。进一步分析了利用非定常、多通道计算模型获得的数值结果,发现对于光壁机匣和扩稳效果最好的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下到达叶片前缘位置,压气机通过突尖型失速先兆进入失速状态;对于扩稳效果最差的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下仍位于叶片通道内部距离叶片前缘20%的轴向弦长位置,压气机经历了由准模态型失速先兆向突尖型失速先兆转换的失速起始过程。     

Numerical Investigation of Inlet Distortion on an Axial Flow Compressor Rotor with Circumferential Groove Casing Treatment

On the base of an assumed steady inlet circumferential total pressure distortion, three-dimensional time-dependent numerical simulations are conducted on an axial flow subsonic compressor rotor. The performances and flow fields of a compressor rotor, either casing treated or untreated, are investigated in detail either with or without inlet pressure distortion. Results show that the circumferential groove casing treatment can expand the operating range of the compressor rotor either with or without inlet pressure distortion at the expense of a drop in peak isentropic efficiency. The casing treatment is capable of weakening or even removing the tip leakage vortex effectively either with or without inlet distortion. In clean inlet circumstances, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex cause the untreated compressor rotor to stall. By contrast, with circumferential groove casing, the serious flow separation on the suction surface leads to aerodynamic stalling eventually. In the presence of inlet pressure distortion, the blade loading changes from passage to passage as the distorted inflow sector is traversed. Similar to the clean inlet circumstances, with a smooth wall casing, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex are still the main factors which lead to the compressor rotor stalling eventually. When the rotor works trader near stall conditions, the blockage resulting from the tip leakage vortex in all the passages is very serious. Especially in several passages, flow-spillage is observed. Compared to the clean inlet circumstances, circumferential groove casing treatment can also eliminate the low energy zone in the outer end wall region effectively.     

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.      

带周向槽叶尖处理机匣轴流压气机容总压畸变特性

基于叶尖处理机匣轴流压气机叶排实验特性，应用畸变传递的矩阵分析模型，对轴流压气机叶尖处理机匣容总压畸变特性进行了详细分析，并建立了处理机匣对总压畸变及其沿轴流压气机叶排衰减特性影响规律。计算结果表明，叶尖处理机匣虽能有效提高转子叶排抗总压畸变能力，但对其后的静子叶排抗畸变产生了明显不利影响，这对设计合理的扩大轴流压气机稳定裕度处理机匣结构尤为重要。     

低速轴流压气机周向单槽机匣处理扩稳实验研究

周向槽机匣处理作为一种有效的扩稳措施得到了广泛应用,但是缺乏对其机理的深入理解和认识。为此,在一台低速单转子轴流压气机上考察了周向单槽机匣处理随轴向位置变化的扩稳效果。实验中获得了单槽不同轴向位置的扩稳规律,在该台压气机上得出了扩稳效果最好的槽位于40%~60%轴向弦长,而当单槽位于27%轴向弦长附近时,其扩稳效果最差。在此基础上,选取了最优扩稳槽位和最差扩稳槽位进行详细的壁面非定常流场测量和尾迹测量,对比分析了光壁条件与各单槽处理机匣对叶顶间隙泄漏流和转子尾迹的影响。结果表明,采用扩稳效果最优槽位之后,周向单槽能推迟叶顶间隙泄漏流与主流交界面前移,以及减弱叶顶间隙泄漏流非定常性,且能明显增强尾迹区1BPF(叶片通过频率)的能量,同时减弱0.5BPF的能量,达到扩稳的目的。而对于扩稳效果最差槽位而言,叶顶间隙泄漏流与主流交界面直到失速前也无法跨过单槽从叶片前缘溢出,周向单槽改变了叶顶间隙内部诱发突尖失速先兆的扰动传播方式;另外,其对转子尾迹区0.5BPF和1BPF的影响也比较小,从而使得其扩稳效果减弱。     

带导流叶排的轴流压气机级叶尖处理机匣容畸变特性

基于叶尖处理机匣轴流压气机叶排实验特性,应用畸变传递的矩阵分析模型,分析了进口导流叶排对叶尖处理机匣结构容总压畸变特性影响,初步建立了在进口导流叶排下几种处理机匣结构对总压畸变及其沿轴流压气机叶排衰减特性影响规律。计算结果表明,叶尖处理机匣虽均能有效提高压气机级的稳定工作范围,但削弱了转子叶排和静子叶排的抗总压畸变能力,这对设计合理的扩大轴流压气机稳定裕度处理机匣结构尤为重要。      

槽式机匣槽宽变化对扩稳效果影响的试验与数值研究

 采用试验与数值手段研究周向凹槽槽宽变化对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行3种不同槽宽的周向槽处理机匣试验。试验结果表明3种不同槽宽的机匣处理都提高压气机的失速裕度,最小槽宽的扩稳效果最好,其他两宽槽次之。数值计算所获得总性能与试验结果符合良好。通过详细地分析凹槽槽宽变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽槽宽对压气机性能影响的流动机理。