一种测量跨声速多级压气机转子出口二维流场的方法

为了获得小型压气机设计所急需的关键流场信息,发展了一种基于圆柱单孔高频压力探针测量小型轴流压气机级间动态流场的测量方法.该探针测量原理基于圆柱绕流特性,借助高速锁相采集技术,利用旋转探针多角度法实现级间动态流场测量.采用插值和拟合对测量的数据进行处理,从而获得级间二维定常流场.误差分析表明,该探针测量精度较高,偏转角误差小于1.8 °,马赫数、总压和静压的极限误差分别为3.4％,0.94％和3％.将该高频探针应用于某小型跨声速3级轴流压气机,测量结果表明:85％叶高至机匣范围内,总压和马赫数明显要比叶根低得多,气流出现明显过转.这些测量结果为优化该压气机级间匹配指明了方向,验证了该高频压力探针测试技术的工程应用价值.     

压气机不同状态下转子出口三维紊流流场

用单斜热丝、圆柱单孔高频压力探针等手段,详细测量了单级压气机转子出口的三维紊流流场,揭示压气机在不同流量状态下转子出口的流动结构和紊流特性。      

圆柱单孔高频压力探针测量高亚音速二维周期流场的方法

本文详细介绍了作者发展的圆柱单孔高频压力探针测量高亚音速二维周期性流场的方法。该方法简化了压缩性影响的修正,测量时置探针于九个方位角。它已被成功地应用于单、多级高速压气机转子出口流场的测量      

小尺寸多级轴流压气机级间干扰现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,利用Kulite动态压力传感器以及高频压力探针,测量不同转速下转子叶顶动态静压分布以及级间流场,并对测得的动态压力信号进行分析,研究多级压气机转/静干扰作用。结果表明:高转速下,首级转子叶顶测得的流场能够反映典型的超声叶栅流动特征,多级压气机存在的级间干扰作用只影响到首级转子出口流场;中等转速下,级间干扰作用非常显著,影响到首级转子进口,并随压气机节流级间扰动强度增大。对这些级间扰动的对应频率进行模态分析,从而获得了非定常级间扰动的传播速度和模态数。     

压气机转子出口流场的发展及三维紊流特性

用单斜热丝和高频压力探针仔细测量了单级压气机转子出口及下游的三维紊流流场, 揭示转子出口流场的变化, 分析不同流量状态下单级压气机转子出口的三维紊流特性。      

三维跨声速多级压气机中的非定常压力频域分析

为揭示跨声速多级压气机中非定常压力的脉动频谱结构,基于三维定常Denton程序发展了三维非定常计算程序,对三维跨声速多级压气机近失速点进行了定常与非定常数值模拟,并在此基础上对三个典型径向截面的非定常压力进行了频域分析。结果表明:通过对非定常频域图谱的研究,从一个全新的视角来分析非定常流场,可以看到在时域流场中很难直观看到的出口数值反射等现象;在压气机静子的结构设计中,如果某级静子后续的转子工作在跨声速工况下,则该级静子尾缘处会受到较大的非定常气动力作用;多级压气机中后面级叶排频谱结构较为丰富,通过频率的4倍频振幅分量依然较大,在进行动态压力传感器的选型时需要考虑这点。     

高速多级风扇转子后流场测量

针对高速多级风扇转子出口流场的特点,突出追求高频响、小尺寸、高精度、可靠性,发展了一种圆柱单孔高频压力探针。借助位移机构和高速数据采集处理系统,并在测量过程中实时标定传感器零点和灵敏度,成功地直接测出了某高速多级风扇第三级转子出口二维周期性流场。以数据的准确性和精细的分辨率,为这个级的修改设计提供了重要的真实流场依据,并证明了这种探针、测量和数据处理计算方法及测量系统简单、精细、实用和可靠。      

研究转子内流动的大尺寸轴流压气机实验装置和动态测量技术

本文在评述国外同类技术的基础上,介绍近年研制成的,以研究转子内流动为主要对象的低速大尺寸轴流压气机实验装置和动态测量技术,包括实验台、旋转四坐标全电动探针位移机构、并行多通道高速数据采集器、高频压力探针及一整套高频压力探针、热丝和激光多普勒动态测量技术,列举了典型的转子内和转子进、出口复杂流场测量结果。      

欠频响压力探针测量压气机动态流场的结果分析

压气机内部流动具有很强的非定常特征,尤其是小尺寸发动机叶片通过频率高达30～80 kHz,而动态压力探针的响应频率只能与叶片通过频率相当,采用其测量不易获得具体的高频流场结构.为了研究这种欠频响情况下测得流场与真实流场的差异,以某低速压气机为对象进行了模拟研究.采用频响为420 Hz的动态压力探针及频响大干33 kHz的单斜丝热线探针,测量了叶片通过频率为303 Hz的转子出口流场.修正了动态压力探针的容腔效应对测得流场的影响,校验了在测试系统响应频率较低时,修正后流场与热线测得的参考流场之间的差异.对比结果表明:原始流场压力信号的部分频率成分产生了较大偏差,出口截面流场的周向位置有较大误差.经修正后,周向位置较为准确,泄漏堵塞区域形态以及强度都与参考流场的更为接近,但由于尾迹区存在部分高频,修正后结果与参考流场的差异仍较明显.     

多级轴流压气机级间参数测量的试验研究

较详细地介绍了某多级压气机修改前后,利用叶型受感部测取各级转子出口总压、总温分布的试验方法和结果。试验结果证明该方法是可行的,得到的转子出口流场数据是可信的。叶型受感部较大限度地降低了插入式探针对转子出口流场的干扰,为研究多级压气机级间匹配关系探索了一种新的测量方法。      

单斜热丝测量叶轮机内三维流动

本文改进了单斜热丝测量三维流动的计算处理方法,其特点是精度高、气流角度测量范围宽。测量中,置斜热丝于三个以上角度位置,借助高速数据采集系统和锁相采样平均技术,进行采样处理,再用本文发展的程序,计算三维速度平均量。用这种方法,成功地测出了轴流压气机转子出口周期性三维流场。对校准风洞流场的测量核实表明,速度测量误差不超过1％,角度测量误差不超过1°。     

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.     

多级轴流压气机转子通道流场的PIV测量

在四级低速大尺寸轴流压气机实验台上,基于粒子图像测速仪(particle image velocimetry,简称PIV)系统,发展了适用于多级叶轮机械转子内部全通道流场测量的PIV技术.自行研制了光学潜望镜和锁相触发装置,并在第3级转子的外机匣处开设了测量窗口.在设计工作点,对第3级压气机转子叶片全通道的流场进行了详细测量,获得了8个不同叶高截面处的二维速度矢量场.实验结果与三维定常Navier-Stokes(N-S)方程计算结果的对比分析表明:PIV测量结果合理地反映了转子通道内部的流场结构,第3级转子叶尖部分存在尺寸大、影响区域广的叶尖泄漏涡,泄漏涡控制了叶尖区域的流场,而气流在通道其余部分的流动状态较好,不存在明显的低速区.      

多级轴流压气机彻体力模型——三维应用

利用基于彻体力模型建立的时间推进三维计算模型,获得了某单级跨声速压气机在周向总压进气畸变下的总体特性及流场分布,并与相关试验数据进行对比,以验证该模型的准确性及可靠性。随后利用该模型详细分析了进口分别存在周向总压进气畸变及对涡旋流畸变下某四级低速轴流压气机内部流场特征。单级跨声速压气机总体特性的计算结果与相关试验数据的相对误差不超过2%,且内部流场参数的分布特征也与试验结果相吻合。四级低速轴流压气机的计算结果反映周向总压进气畸变导致压气机气动性能及稳定性恶化,对涡旋流进气畸变则影响有限。同时揭示了不同形式的进气畸变在多级轴流压气机内部的传递过程,充分说明该模型在进气畸变这类工程问题中的广泛应用前景。      

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。     

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,对跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。     

分散式叶型梳状五孔针—全台压气机级间参数测量新方案

作者首次提出分散式叶型梳状五孔针作为全台压气机转子后级间参数测量的新方案,并进行了实验论证。结果表明其静态特性光滑圆整明显优于球形五孔针而动态频响可提高七倍。