实验探究周向进气畸变对局部喘振型跨声速轴流压气机进气的影响（英文）

为深入探究失速点变化机理,采用实验方法探究了三种不同周向畸变强度的进气边界对压气机失稳演化的影响机理。在试验过程中,通过增加动态测试点以测量转子叶尖的静压和静子尾缘的总压,并在压气机出口容腔内增加测点以检测系统响应。结果表明,当进口存在周向畸变时,失稳点流量的减小是由于压气机的失稳演化过程从局部喘振转变成了突尖波。在均匀进气时,该压气机失速演化过程为局部喘振,扰动以低频轴对称的形式出现在静子叶根区域。当进口存在周向畸变时,静子叶根处仍会出现不稳定低频扰动,但由于周向畸变的存在使其不再具备轴对称性,因此该低频扰动无法进一步发展,最终由于转子叶尖出现了突尖波导致压气机失稳。本研究主要结论为周向进气畸变可以通过改变压气机失速过程进而影响压气机失速点变化。     

某单级跨声速轴流压气机失稳过程试验

为了深入认识高负荷单级跨声速轴流压气机的失稳过程,揭示其不稳定流动现象的发生、发展及其诱导压气机失稳的物理本质,针对某单级跨声速轴流压气机开展试验研究,对整个失稳过程进行了稳态和动态试验测量.通过对原始信号进行低通滤波和FFT(fast Fourier transform)分析,结果表明:在失稳过程中,静子叶根区域首先出现大幅值、轴对称的轴向低频扰动,此时,该压气机50%叶高以下的加功能力有所下降,但整机并未完全失稳.由于该扰动具有频率低、轴对称、幅值大等典型特征,因此,将这一现象定义为局部喘振.随着流量进一步降低,该扰动会沿轴向和径向传播,最终发展到全叶高,此后,该扰动在转子叶尖区域诱发出旋转失速团,最终导致压气机完全失稳.      

叶根负荷对低速压气机失稳过程影响实验研究

基于在一台单级低速轴流压气机上发现的增大叶尖负荷可以使其失稳先兆由模态波变为突尖波的现象,一种假设认为失速先兆的类型与压气机径向负荷分布有着密切的联系。对此,设计了一系列实验来验证叶根负荷大小对压气机失速先兆类型及其失稳发展过程的影响。通过在压气机进口安装特殊设计的叶根畸变屏,可以实现压气机工作在不同的径向负荷分布。均匀来流条件下压气机最终的失速是由模态波引起,在此基础上加装叶根畸变屏增大叶根负荷,压气机仍发生模态波型失速,但经过仔细分析数据后发现,由线性增长的模态波转化为最终大幅值旋转失速团的时间间隔却相较增大。在这段过程中,转子进口壁面压力信号显示叶尖区域不存在完整的周向传播扰动。与此同时,叶根处先兆信号幅值相较变大。进一步加大叶根负荷,叶根区域失速先兆的压力脉动变得更加剧烈,使得气流沿叶片径向的流动和掺混加剧,从而进一步延迟了先兆诱发失速团出现的时间。综上,通过研究表明:增大叶根负荷,压气机失稳过程发生改变,失速先兆诱发旋转失速团出现的时间延长;在叶根区域,失速先兆脉动信号随着叶根负荷的增大而愈发强烈;径向负荷分布是影响压气机失稳过程发生变化的重要因素。     

跨声速压气机不同转速下失稳形式的实验研究

为了研究压气机在不同工作转速下失稳形式的不同,进而研究不同失稳先兆的发生机理,针对一台跨声速压气机在不同转速下的失稳过程进行了实验研究。分别在转子叶尖机匣、静子出口布置了高频响动态压力探针对压气机失稳过程进行实时监测和实验数据采集,采用FFT(Fast Fourier Transform)、WFT(Window Fourier Transform)、滤波等数据处理方法对实验数据进行频域和时域分析,得到了压气机在不同转速下流动失稳的变化规律。实验结果表明:随着工作转速的升高,该压气机的失稳过程也会发生改变,在低转速(亚声速)下表现为经典Spike引起的旋转失速,如65%设计转速;而在高转速(跨声速)下则表现为一种新型的失稳过程,由一种发生在近轮毂区域的低频、轴对称、大幅值的扰动诱导了失稳,如88%设计转速。这种失稳先兆被称为局部喘振。两种失稳模态之间的相互转换存在一个临界转速(约为78%设计转速),在临界转速下,局部喘振几乎与旋转失速同时发生。     

局部喘振的发生机理

为了深入研究高负荷压气机的失稳机制,明确失稳先兆局部喘振现象的发生机理,总结了某跨声压气机在均匀进气不同工作转速下失稳过程的实验结果,继而对其在进气畸变条件的失稳过程开展实验和数值研究.结果发现:在均匀进气条件下,局部喘振在低转速时并未发生,而发生于高转速情况下,推断局部喘振的发生与压气机叶根区域的相对高负荷有关.随后在高转速下降低叶根负荷,则局部喘振现象不再发生;而在低转速下升高叶根负荷,则局部喘振现象发生.所以得出结论,压气机叶根相对高负荷确实为局部喘振的发生条件.对于所研究的压气机,如果近失速点叶根扩散因子超过0.6,则会发生局部喘振现象.      

单级轴流压气机失速起始的数值模拟

基于某亚声单级轴流压气机试验台孤立转子环境下预失速行为的研究成果,进一步数值研究了该试验台单级环境下的失速起始过程.数值探针的监测结果表明,失速起始过程中单级轴流压气机的流动失稳始于转子叶尖部位,这与前期针对该试验台流动失稳的测量结果是一致的.对数值模拟的瞬态流场进行分析表明,先兆波的型式已从孤立转子环境下的“突尖”型转变为单级环境下的“多个小失速团”型,说明静叶的存在改变了近叶尖载荷的周向分布规律.然而,“叶尖二次涡”的形成与运动依然是“多个小失速团”型先兆波浮现的流体动力学机理.      

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。     

双级对转压气机的失速机理

在对实验室对转压气机进行定常数值模拟的基础上,开展了对转压气机旋转失速机理的初步研究.研究结果表明:①该对转压气机在近失速工况存在突尖波型失速初始扰动;②在近失速点转子2中间隙泄漏涡在三维空间上迅速发展,导致转子2流道严重堵塞,引起压气机内部失稳;③由于转子2叶片排存在较大的气动负荷,其叶顶间隙泄漏涡的发展情况很大程度上决定着对转压气机的稳定性.      

圆弧槽处理机匣对影响跨声速压气机叶根失速先兆发展过程的实验研究

针对在一台跨声速压气机上发现的叶根型失速先兆局部喘振,通过实验方法,探究了一种特殊设计的圆弧槽处理机匣对局部喘振型叶根失速先兆发展过程的影响。通过对比实壁机匣和圆弧槽处理机匣的实验数据,压气机的稳定工作裕度在应用处理机匣的情况下拓宽了19.88%,而总压比峰值点仅降低了0.3%,同时绝热效率基本保持不变。结果表明:(1)实壁机匣情况下,压气机失速时伴有低频的局部喘振和高频的失速团信号,而安装圆弧槽处理机匣的实验结果表明在同样的流量下局部喘振现象依然存在,但此时压气机仍能稳定工作,证明局部喘振的发生与叶根高负荷有关,但与叶尖的流动情况无关;(2)处理机匣的使用改善了叶尖流动情况,推迟了转子叶尖区域高频旋转失速团的发生,从而实现了对叶根型失速先兆压气机的拓稳效果,同时这也揭示了在局部喘振型失速发展过程中,由局部喘振诱导的高频、发生于叶尖的旋转失速团是压气机失速的重要原因。     

亚音轴流压气机近失速时叶尖流动的数值研究

以西北工业大学亚音轴流压气机实验台的孤立转子为研究对象,对其进行了单通道定常、非定常的全三维数值模拟,研究了轴流压气机近失速工况下转子叶尖流动特性。通过对比分析转子在最高效率工况和近失速工况下的定常模拟结果,发现在近失速工况下转子叶顶流线变得更加切向,来流攻角不断增大,最终导致失速的发生。非定常模拟指出,在失速先兆区转子叶顶出现了前缘溢流和尾缘回流的现象,这满足突尖型失速先兆出现的两个准则,所以压气机为突尖型失速。     

Effect of system response on partial surge initiated instability in a transonic axial flow compressor

Partial surge is a type of instability inception in transonic compressors and occurs in the form of axisymmetric low-frequency disturbances localized in the hub region. Previous studies illustrate that the frequency of partial surge is set by the Helmholtz frequency of the entire system,which motivates to propose a hypothesis that the system response performs an important role in the formation of partial surge. For further verification, a series of experiments are conducted to explore the link b...     

Effects of the radial blade loading distribution and B parameter on the type of flow instability in a low-speed axial compressor

Previous studies showed that an axisymmetric hub-initiated disturbance defined as partial surge may initiate the stall of a transonic compressor; to reveal the instability evolution under full-span incompressible flow for different levels of hub loading and B parameter, an experimental investigation is conducted on a single-stage low-speed compressor. Experimental results show that under a uniform inflow condition without inlet flow distortion, a modal-type stall inception dominates in this low-speed compressor. When an inlet screen introducing hub distortion is used to increase the hub loading, a compressor stall is initiated by a modal wave, but large disturbances are present in the hub region before the compressor stall, which become stronger as the hub loading increases. Under high hub loading and large B parameter (implemented by adding hub distortion through an inlet screen and enlarging the outlet plenum volume, respectively), a compressor stall is triggered by an axisymmetric hub-initiated disturbance, which is much different from the modal-like disturbances. The beginning of this axisymmetric disturbance may be captured over 800 rotor revolutions prior to the onset of stall, and the amplitude grows with time. The disturbance is hub-initiated because the disturbance signal at the hub is detected much earlier than that at the tip; meanwhile, the frequency of this axisymmetric disturbance changes with the length of the inlet duct. The characteristics of instability evolution in the low-speed compressor are also compared with those in a transonic compressor.     

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.      

转子叶片表面非定常气动力的构成及叠加分析

数值模拟了一个带有导叶的单级低速压气机中转子叶片表面的非定常气动力.通过研究转子叶片根部、尖部前缘和尾缘局部位置的非定常气动力,阐明了由尾迹和势扰动两种非定常性诱发的气动力在转子叶片表面的叠加特性.结果表明,上游尾迹的影响波及整个转子叶片弦长范围,而下游静子叶片势扰动仅影响转子叶片尾缘附近的脉动压力,改变上、下游叶片的时序位置,当整个转子叶片表面脉动压力的幅值比最大值减小19.4%时,其叶尖前缘脉动压力的幅值仅比最大值减小9.4%.      

进口预旋对高负荷跨声风扇性能的影响分析

利用三维数值模拟手段,研究了全转速条件下高负荷风扇进口级转子的预旋设计形式和其对气动性能的影响,以及在优化的预旋分布规律下,转子的典型部分转速特性.该风扇转子叶尖切线速度为480m/s,设计总压比为2.55,负荷系数高达0.42.结果表明:使用常规转子仍能达到该负荷水平,但采用带进口导叶的设计形式十分必要;在转子叶尖采...     

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。     

轴流压气机试验若干异常气动现象表征与机理分析

在梳理某压气机试验器开展的历次压气机性能试验结果基础上,分析了试验系统发生的若干典型异常气动物理现象,通过试验数据表征分析与抑制方法试验验证,初步揭示了压气机试验异常气动现象的形成机制.研究结果表明:进口局部导叶角度失调会对下游流场产生扰动,导致压气机性能与稳定性出现恶化;转子顶部容腔通道逆流是导致压气机转子前外壁静压测量值偏高的原因,通过抑制容腔逆流可以改善压气机气动性能;改变进口节流比观察换算流量是否发生变化,是判定压气机试验进气系统漏气问题的有效方法.研究结果对于指导压气机性能试验故障诊断和提高试验分析能力具有重要作用.      

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.