基于试验设计的高负荷轴流压气机叶顶喷气参数化研究

为了揭示叶顶喷气对压气机稳定裕度的影响规律,对一跨声速轴流压气机进行三维非定常数值模拟,结合试验设计与统计学分析的方法对叶顶喷气展开参数化研究,并分析了叶顶喷气的扩稳机理。研究表明,叶顶喷气整体上提升了压气机的性能,通过激励叶顶环壁附面层抑制叶顶泄漏涡堵塞,达到提升压气机稳定裕度的目的。同时,叶顶喷气会引起压气机失速类型的变化。不同喷气量下的喷气规律是不同的,喷气量与喉部高度、喷气角度间存在交互作用。喷气量较小时应减小喷嘴喉部高度,在相对坐标系下沿转子叶顶前缘中弧线方向喷气;喷气量较大时应增加喉部高度,避免引起叶顶过载失速,喷气应提供正预旋来减小叶顶攻角。喷嘴应与转子叶顶前缘保持一定距离。     

叶顶喷气的喷嘴数目对轴流压气机稳定性影响的数值研究

为了揭示叶顶喷气中喷嘴数目对跨声速压气机气动性能的影响,采用六通道非定常数值计算对一跨声速轴流压气机进行了数值研究。共选取两个喷气周向覆盖比例水平对喷嘴数量进行研究,主要分析喷嘴数目对压气机稳定裕度和流动参数径向分布的影响机理。研究表明喷嘴数目和喷气的周向覆盖比例都对压气机失速有影响,且这两参数间存在交互作用。当喷气的周向覆盖比例为54%时,喷嘴数目对压气机的稳定裕度没有影响;当叶顶喷气的周向覆盖比例为27%时,喷嘴数目由6个增加至18个,压气机流量裕度改进量由3.5%降低至2.5%。叶顶喷气对压气机稳定裕度提高在于喷气对叶顶堵塞的有效抑制,这种抑制作用需要单个喷嘴与叶顶反流区有充分的接触时间。喷嘴数目过多导致单个喷嘴与叶顶反流区的接触时间过短,无法有效降低叶顶堵塞。喷嘴的离散分布引起转子叶顶出口流动参数的非定常变化,其变化程度随喷嘴数目的增加而减小。对喷嘴数目的选择需综合考虑叶顶喷气对稳定裕度以及流动不均匀性的影响。     

叶顶喷气对高负荷轴流压气机性能的非定常影响机理

为了揭示叶顶喷气对高负荷压气机气动性能和稳定裕度的非定常影响机理,对一跨声速轴流压气机进行六通道三维非定常数值模拟,定量分析了两种喷嘴作用下压气机内部流场的变化。研究表明叶顶喷气提升了压气机的总压比和稳定裕度,对效率的影响不大,喷气量决定了对压气机气动性能的影响程度。喷气引起叶顶进出口流量的非同步周期性变化,当喷气流沿通道到达转子尾缘后完成对叶顶的降载作用,叶顶负荷呈周期性变化。喷嘴喉部高度不变时,27.3%和54.6%的周向覆盖比例分别获得3.3%和3.6%的裕度改进,分析可知喷气的扩稳效果取决于喷气对叶顶堵塞的抑制在通道出口产生的影响。喷气流在通道中的流动延迟使得喷气对通道出口堵塞抑制的时间大于对通道进口堵塞的抑制时间,因而较小宽度的喷嘴可以保证对叶顶堵塞的有效抑制,增加喷嘴的宽度对稳定裕度的影响不大。     

低反力度跨声速转子的叶顶喷气扩稳数值研究

为进一步提高低反力度压气机的稳定工作范围，以某三级低反力度高负荷压气机首级跨声速转子为研究对象，借助三维数值模拟方法，进行了叶顶喷气扩稳研究，分析讨论了叶顶喷气提升低反力度压气机转子稳定性的机理，并探讨了不同喷气轴向位置对扩稳效果及气动性能的影响。结果表明：叶顶喷气通过削弱叶顶泄漏涡和通道激波的相互作用，抑制了转子近失速工况下泄漏涡的破碎，消除了叶顶通道的大面积堵塞，拓宽了转子的稳定工作边界；随着喷嘴的位置从叶顶前缘处沿轴向上游移动，转子的失速裕度提升量呈现出先增大后减小的趋势，综合扩稳效果和对压气机总性能参数的影响，最佳喷气轴向位置为叶顶前缘上游转子5%叶顶轴向弦长处；叶顶喷气改变了转子气动参数的径向分布，降低了转子上15%叶高范围内的负荷，同时也使得其它叶高区域的负荷提升。     

变转速下跨声速压气机的耦合扩稳方法

为了探索在不同转速下均可有效提高压气机失速裕度的扩稳方法，以跨声速压气机为研究对象，利用缝式机匣处理和叶顶喷气进行耦合设计，并参数化研究了缝数目、缝长、缝宽及喷嘴周向宽度对压气机性能的影响规律，结合非定常数值模拟揭示了耦合型机匣处理的扩稳机理。研究结果表明，在100%、80%、60%转速下，压气机失速裕度分别提高9.31%、8.26%、8.68%,设计点效率分别降低0.77%、0.23%、0.41%。缝数目、缝长、缝宽是影响压气机失速裕度及效率的显著因素，而喷嘴周向宽度对压气机失速裕度及效率的影响较小。耦合型机匣处理内形成了抽吸、喷气的耦合流动循环，耦合强度的增加有利于压气机失速裕度的提高，但会降低压气机效率。耦合型机匣处理提高了叶顶负荷，但降低了叶顶泄漏强度，极大消除了叶顶泄漏涡引起的叶顶堵塞，这是压气机失速裕度提高的主要原因。耦合型机匣处理具有在不同转速下均能有效扩稳的潜力。     

自循环机匣处理轴向位置影响扩稳能力的机理

为了揭示自循环机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理，采用非定常数值方法研究了3种不同轴向位置对机匣处理（CT）扩稳能力的影响，结果表明:机匣处理喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的扩稳能力最强，喷气装置在叶顶前缘正上方的次之，喷气装置在叶顶前缘上游较远处的最弱，对应机匣处理获得的综合失速裕度改进量分别为9.40%，7.09%，5.49%.通过详细地分析压气机叶顶流场表明:喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的机匣处理施加有利影响程度最高的范围刚好覆盖叶顶前缘处，此处是引起转子失速的关键部位，因此抑制叶顶间隙泄漏流造成的堵塞的效果最好，对应的扩稳能力在3种机匣处理中最强.      

轴流压气机跨声级转子叶顶喷气的流动特性

采用带周向槽处理机匣的动叶叶顶喷气方法,研究了叶顶喷气对一轴流压气机跨声级转子在设计转速下的性能(包括失速裕度和效率)和内部流动特征的影响。结果表明,叶顶喷气能显著提高压气机的失速裕度,同时效率有所降低。不同流量和角度喷气的计算结果比较得出,近0°喷气角和0.5%喷气流量时,喷气效果最佳。对比无喷气时,失速裕度提高10%,峰值效率下降不到0.5%。内部流场结构的剖析揭示了叶顶喷气控制叶顶区的流动引起失速裕度提高和效率下降的内在流动机理。     

自循环机匣处理周向覆盖比例和喷嘴轴向位置对轴流压气机扩稳效果的影响

为了揭示自循环机匣处理周向覆盖比例和喷嘴轴向位置对扩稳效果的影响规律,在固定引气位置于叶顶阻塞区域的前提下,设计了6个不同周向覆盖比例和4个不同喷嘴轴向位置的自循环机匣处理结构,并以一个高亚声速轴流压气机转子为研究对象进行了数值模拟。结果表明:随着周向覆盖比例增大,压气机的综合稳定裕度先增大后减小,峰值效率则单调降低,综合稳定裕度改进量最大的周向覆盖比例为90%,兼顾扩稳效果和效率损失的最佳周向覆盖比例为30%。随着喷嘴位置由叶顶前缘沿轴向逐渐前移,压气机的扩稳效果变化不大,但效率有所提升,而且喷嘴位置越往前移,效率提升越多。     

叶顶引气位置对自循环机匣处理扩稳能力的研究

为了探究自循环机匣处理的引气口位置在叶顶变化时对压气机稳定性的影响,以亚声速压气机孤立转子为研究对象,采用数值模拟的方法对3种叶顶不同引气位置的自循环机匣处理方案进行了扩稳能力的研究。结果显示,引气位置在叶顶沿轴向变化时,3种引气位置获得的流量裕度分别为5.43%,22.77%,18.23%,扩稳能力呈现出先增强后减弱的趋势,引气位置越靠近叶顶低速阻滞区核心,扩稳能力越强。对自循环机匣处理后的叶顶流场进行分析,可知在叶顶引气的自循环机匣处理的扩稳机理在于:通过抽吸叶顶处低速阻滞流体和抑制叶顶泄漏流动来改善叶顶区的流动状况,从而达到扩稳目的。     

轴流压气机端壁失速的耦合扩稳方法及机理研究

为了探索可有效控制轴流压气机端壁失速的扩稳方法,将缝式处理机匣与叶顶喷气进行耦合设计,参数化研究了缝的长度、位置和角度对压气机性能的影响,结合非定常数值模拟阐释了"耦合型处理机匣"的扩稳机理以及影响压气机效率的作用机制。研究结果表明,在"耦合型处理机匣"作用下,压气机失速裕度提高18%,压气机效率在小流量工况略有提高,在设计工况降低0.21%。缝长度是影响压气机性能的关键,其最大长度不应超过叶顶轴向弦长的50%,缝的位置和角度的影响程度有限。"耦合型处理机匣"内存在缝内循环和由缝到喷嘴间的循环两种主要流动形式,这两种循环在有效控制叶顶泄漏涡的同时降低了叶顶负荷,是提高压气机失速裕度的主要原因。"耦合型处理机匣"与压气机间的作用具有自适应性,这种自适应性降低了其对压气机工作点效率的负面影响,同时保证了对叶顶堵塞的控制效果。缝与喷嘴的耦合设计具有不降低压气机效率的同时,大幅度提高压气机失速裕度的潜力。     

Experimental and numerical study of tip injection in a subsonic axial flow compressor

Parametric study of tip injection was implemented experimentally on a subsonic axial flow compressor to understand the underlying flow mechanisms of stability improvement of the compressor with discrete tip injection.Injector throat height varied from 2 to 6 times the height of rotor tip clearance,and circumferential coverage percentage ranged from 8.3％ to 25％ of the annulus.Static pressure fluctuations over the rotor tip were measured with fast-response pressure transducers.Whole-passage time-accurate simulations were also carried out to help us understand the flow details.The combinations of tip injection with traditional casing treatments were experi mentally studied to generate an engineering-acceptable method of compressor stall control.The results indicate that the maximum stability improvement is achieved when injectors are choked despite their different sizes.The effect of circumferential coverage percentage on compressor stabil ity depends on the value of injector throat height for un-choked injectors,and vice versa.Tip blockage in the blade passage is greatly reduced by the choked injectors,which is the primary reason for stability enhancement.The accomplishment of blockage diminishment is maintained in the circumferential direction with the unsteady effect of tip injection,which manifests as a hysteresis between the recovery of tip blockage and the recovery of tip leakage vortex.The unsteady effect is primarily responsible for the effectiveness of tip injection with a partial circumferential coverage.Tip injection cannot enhance the stability of the rotor with axial slots significantly,but it can improve the stabil ity of the rotor with circumferential grooves further.The combined structure of tip injection with circumferential grooves is an alternative for engineering application.     

自适应流通处理机匣喷气位置对压气机性能的影响

采用数值模拟方法研究了跨声风扇转子Rotor 67的失速机理和3个喷气位置的自适应流通处理机匣对转子性能的影响.结果表明:叶顶间隙泄漏涡中低速团是诱发失稳的主要原因;3个喷气位置的处理机匣均增大了压气机的稳定工作范围,喷气位置居中和后移的处理机匣综合稳定裕度改进量分别为13.43%,9.47%,均大于前移的2.72%;喷气位置居中和后移有利于抑制间隙泄漏流的发展,减小低能流体泄漏范围;相比前移和居中,后移不能激励压力面前缘处的低速团和抑制低能流体从叶顶前部泄漏.      

低雷诺数下跨声速转子流动失稳及周向槽处理机匣扩稳

采用数值方法模拟了低雷诺数条件下NASA Rotor 37跨声速压气机转子内部流场。结果表明,附面层径向涡是该压气机转子流动失稳的一个很重要的原因。根据该压气机转子低雷诺数条件下流动失稳的特点,研究了周向槽处理机匣结构对其性能的影响。结果表明,引入处理机匣后,附面层径向涡得到一定程度的抑制,由附面层径向涡所引发的叶顶阻塞区有所减小,提高了压气机转子的失速裕度。     

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.      

轴流压气机叶尖射流扩稳试验

采用转子叶尖射流对轴流压气机进行了扩稳试验研究.试验中对无射流的轴流压气机失速起始类型进行了测量,发现该轴流压气机以尖峰波的形式进入旋转失速;之后采用叶尖射流发现射流对压气机的失速起始过程没有明显影响.试验中对射流孔数目、射流孔周向分布和射流偏转角3个参数对压气机扩稳效果的影响进行了分析.测量结果发现:保持总射流流量不变,增加射流孔数目会降低轴流压气机扩稳效果;而在单个射流孔流量不变的情况下,增加射流孔数目会增大扩稳效果;射流孔周向分布越均匀扩稳效果越明显;射流扩稳效果与转子相对坐标系下的气动参数有直接关系,故采用相对坐标系下射流零攻角方向的动量分量与主流动量比值对扩稳效果进行了关联.      

Adaptive feedback control of stability in an axial compressor with circumferential inlet distortion

The adaptive feedback control of stability with circumferential inlet distortion has been experimentally investigated in a low-speed, axial compressor. The flat-baffles with different span heights are used to simulate different distorted inflow cases. Compared with auto-correlation and root-mean-square analysis, cross-correlation analysis used to predict early stall warning does not depend on the distortion position. Hence, the cross-correlation coefficient was used to monitor the stable status of the compressor and provide the feedback signal in the active control strategy when suffering from different distortions. Based on the stall margin improvement of tip air injection obtained under different distorted inflow cases and the sensitivity analysis of cross-correlation coefficients to injected momentum ratios, tip air injection was adopted as the actuator for adaptive feedback control. The digital signal processing controller was designed and applied to achieve adaptive feedback control in distorted inflow conditions. The results show that the adaptive feedback control of air injection nearly achieves the same stall margin improvement as steady air injection under different distortion intensities with a reduced injection mass flow. Thus, the proposed adaptive feedback control method is ideal for the engine operation with circumferential distorted inflow, which frequently occurs in flight.     

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。