处理机匣情形下的轴流压气机转子失速

为了解在处理机匣作用下的压气机转子失速点流动,采用非定常模拟方法对跨声轴流压气机转子在带气室斜槽处理机匣情形下的流动进行了模拟研究,获得了高、低转速下的转子特性,并针对近失速点流场进行了分析.结果表明,在处理机匣的作用下,转子失速的主要产生原因与实壁情形不同.在失速点,处理机匣有效地抑制了叶尖泄漏流的负面作用,但由于不能更多地吸纳叶尖的低能流体,使得叶片吸力面附面层中向叶尖迁移的低流向动量流体堆积于叶尖吸力面尾缘处,形成严重的流动堵塞,从而导致转子叶尖失速.      

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。      

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。     

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.      

进口畸变下新型处理机匣改善压气机性能的机理研究

为了揭示进口畸变下,处理机匣改善压气机性能的机理,采用全通道非定常计算方法研究了进口畸变时新型处理机匣-自适应流通处理机匣对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中进口总压畸变通过在进口径向段布置栏杆实现。数值结果表明,进口畸变后采用自适应流通处理机匣能够提高转子的性能,其中效率的增加效果比总压比的明显,并获得近6.8%的综合失速裕度改进量。通过详细地分析压气机内部流场表明,处理机匣后使部分叶顶通道吸力面附面层分离起始位置向后缘移动,最大后移距离约为11%叶顶弦长,削弱了叶顶通道由气流分离造成的不良影响,并抑制叶顶间隙泄漏流从相邻叶片叶顶前缘的溢出,当喷气装置对准叶片通道时,其抑制前缘溢流的效果才是最佳的。     

部分处理机匣的性能预估模型

利用进气畸变平行压气机理论划分子压气机的思想，将部分处理机匣压气机沿周向分为处理机匣子压气机和实壁机匣子压气机，再由动量守恒和能量守恒求得部分处理机匣压气机出口参数，并依据失速点流量与处理区周向角度呈线性关系的实验结论提出部分处理机匣性能预估模型假设.模型预估与实验对比结果表明:预估特性与实验特性曲线在整体趋势上一致.跨声速条件下98%设计转速峰值效率预估偏差小于0.5%，综合裕度预估偏差小于0.6%.      

带自适应流通处理机匣的轴流压气机全通道数值研究

采用全通道数值模拟方法研究了两种自适应流通装置数目的处理机匣对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,非定常数值计算结果表明两种自适应流通处理机匣分别获得了6.3％,9％的失速裕度改进量,通过详细地分析压气机叶顶流场表明,高速喷射气流能抑制前缘溢流现象的产生,有效地改善了叶顶通道的流动状况.随着自适应流通装置数目从10增加到15,喷射气流对转子叶顶间隙泄漏流的影响频率也随着提高,因此增强了处理机匣抑制叶顶间隙泄漏流负面影响的能力.     

处理机匣激励频率对跨声速压气机性能的影响

通过改变处理机匣槽数来改变处理机匣对压气机内部流场的非定常激励频率,对4种激励频率下压气机性能进行了测试。实验结果表明,处理机匣槽数对应的非定常激励频率是影响压气机性能的关键因素之一。通过优化处理机匣对压气机非定常激励的频率,压气机性能可以得到全面提升:对于实验用跨声速压气机,在近设计转速下峰值效率、综合裕度和最大流量分别提高0.17%,19.86%和0.81%,而在低转速下这三个增量最大分别可达到1.13%,57.84%和1.57%。     

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。     

一种槽道式处理机匣设计及实验验证

对实壁机匣的实验转子进行了定常雷诺平均N-S方程(RANS)模拟,考察了实验转子叶尖端区流动状况,并基于转子叶尖端区在设计状态和近失速状态下的若干主要流动特征设计了一个带气室的轴向斜槽式处理机匣.在高速压气机试验台上对处理机匣的性能测量结果表明,设计的处理机匣有很好的扩稳效果,效率损失也可接受.这说明通过对实壁机匣的转子其流动结构的分析和把握、进而完成处理机匣的设计在一定程度上有可行性.      

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。      

反叶片角向缝机匣处理影响轴流压气机性能的机理

采用试验和非定常数值模拟方法研究了反叶片角向缝机匣处理对亚声速轴流压气机性能的影响.试验与数值计算结果均指出反叶片角向缝机匣处理后,转子在降低12%左右最大等熵效率的基础上获得30.1%左右的失速裕度改进量.详细的转子叶顶流场分析表明反叶片角向缝机匣处理改善了叶顶间隙泄漏流动,消除了实体壁机匣时叶顶通道低速泄漏流形成的堵塞,因此转子稳定性得以提高.同时转子叶片与处理缝的相对位置变化会影响处理缝的扩稳能力.处理缝中回流、处理缝形成的喷射流与叶顶通道主流的相互作用都造成较大的流动损失,进而使转子等熵效率降低.反叶片角向缝机匣处理前移约55%叶顶轴向弦长的数值研究结果表明,与反叶片角向缝机匣处理比较,反叶片角向缝机匣处理前移获得的失速裕度改进量降低约10.4%,但等熵效率的恶化程度降低近64%.      

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅰ——实验和理论研究

在低速大尺寸压气机实验台上,利用体视图像粒子测速(SPIV)技术测量了设计状态和近失速状态转子尖部的三维复杂流动,对典型二次流流动结构的特性及其产生、发展和演化机制做了研究。实验测量覆盖整个转子通道,从测量得到的各阶物理量中可以识别出叶尖泄漏涡、角区旋涡、通道涡和进口导叶尾迹等多种二次流流动结构。通过分析各种二次流流动结构造成的流动堵塞和损失发现:在设计状态,叶尖泄漏涡是流动堵塞和损失的主要来源,在转子出口处造成的流动堵塞约为总流量的0.35%;在近失速状态,角区旋涡对流动堵塞和损失的分布起了决定性作用,造成的流动堵塞可以达到总流量的8.5%。最后,借鉴二次流理论对角区旋涡的产生、发展和演化机制做了理论分析,结果表明角区旋涡的发展过程主要由流向速度的展向分布规律决定。     

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.      

叶尖间隙对跨声速轴流压气机近失速的影响

以跨声速轴流压气机rotor 37为研究对象,利用数值仿真计算方法,采用高密度网格对跨声速轴流压气机设计间隙、1/2设计间隙、1/4设计间隙、2倍设计间隙以及零间隙下近失速状况进行计算.计算结果显示:由设计间隙减小到1/2设计间隙时,跨声速轴流压气机压升和绝热效率损失不大,跨声速轴流压气机失速裕度却提高了4%.在此基础上,引入失速分类方法以及涡动力学理论,对流场进行细节分析.提出适当改变间隙可以有效地拓宽跨声速轴流压气机稳定工作范围,但是间隙改变对泄漏涡破碎以及边界层分离有着重要的影响,甚至诱导不同的失速形式,为跨声速轴流压气机间隙设计提供参考,并且从气动角度探讨在跨声速轴流压气机中应用间隙控制技术的条件.     

跨声速离心压气机多部件耦合优化扩稳

基于最优拉丁超立方采样、多项式代理模型、傅里叶幅值敏感性试验、梯度变异混合优化算法构建了跨声速离心压气机耦合优化方法,实现了自循环机匣处理扩稳的同时不降低等熵效率的目标。耦合优化后压气机气动性能全面提升,设计点和近失速点的等熵效率分别提高2.79%、1.82%,且峰值效率略高于实壁机匣压气机。耦合优化扩稳增效的机理是：自循环机匣抽吸流量增大,更多低能流体被移除;叶轮入口攻角改善,流动分离风险减小;前缘激波与叶尖泄漏涡干涉被抑制,叶轮下游低能流体减少,周向均匀性增强;机匣回流槽入射角增大,叶轮入口径向畸变被削弱;叶轮叶片尾缘安装角及扩压器有叶段尾缘半径的增大弥补了等熵效率损失;叶轮叶片前缘后掠角减小弥补了堵塞流量。     

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%.      

轴向偏转型自循环机匣处理对高速压气机扩稳效果的影响机理

本文提出了一种新的轴向偏转型自循环机匣处理结构,偏转角度为叶片顶部弦长与压气机轴向的夹角,设计了正偏和反偏2种方案,然后,以一个高速轴流压气机转子为研究对象进行数值模拟,结果表明：相对于实壁机匣,压气机在正偏、反偏自循环机匣处理时的综合稳定裕度分别增加11.52%、10.15%,峰值效率仅分别下降了0.32%、0.59%。分析原因是正偏型自循环机匣处理时,喷射的高速气流将叶顶泄漏流沿叶顶弦长方向吹向下游,改善了叶顶流场,起到了扩稳效果,同时,喷射流与压气机叶顶主流方向一致,提高了进口速度,减小了掺混损失,因此,效率下降很小。反偏型自循环机匣处理时,喷射的高速气流将叶顶泄漏流吹向转子叶片吸力面,抑制和削弱了叶顶泄漏流,也起到了扩稳效果,但由于喷射流与叶顶泄漏流、压气机主流都存在夹角,因此,造成了较大的掺混损失,效率比正偏型自循环机匣处理时下降略多。