轴流压气机近失速状态叶片通过频率特性研究

为研究压气机转子叶片通过频率特性与压气机气动稳定性之间的内在联系，对某型单轴涡喷发动机的轴流式压气机静子机匣壁面静压信号进行了时频分析。结果表明，发动机运行过程中压气机叶片通过频率特性的变化可以反映特定的压气机级的流态变化。在中小转速的工况下，随着发动机工作点逐渐靠向喘振边界，机匣壁面静压信号中压气机第1级至第3级转子的叶片通过频率信号逐渐增强。与设计点相比，在近失速边界的工况下，压气机第1级转子叶片通过频率幅度增强达10dB以上。此外，在中低转速范围内打开放气带后，压气机前面级转子叶片通过频率幅度显著减小，与流场的变化情况相一致。因此，轴流压气机转子叶片通过频率特性可以提供压气机气动稳定工作状况的重要信息。     

某型轴流发动机气动不稳定试验

对某轴流式涡喷发动机节流过程中的气动不稳定现象进行了试验研究。通过定性分析和数据处理，揭示了节流过程中发动机气动失稳的过程和机理，压气机第1级静子机匣壁面静压脉动分量的形式和强度变化与上游转子端壁流动分离的程度密切相关，且静压脉动的概率密度函数分布可以反映这种变化。提出了一种检测失速征兆的新思路，即检测压气机第1级的流动分离，而不是直接检测出现在级负荷和轮毂比较高的压气机级中、导致压气机整机失速的模态扰动和(或)短周期扰动，来判断发动机工作点接近不稳定工作边界的程度。应用这种思路，预期可以提高失速征兆检测的时效性。     

概率密度函数分析监测发动机气动不稳定征兆

对某型单轴涡喷发动机节流过程中的喘振故障进行了试验研究。在手工关闭放气带的情况下,该型发动机的共同工作线确定地穿越喘振区域,从最大状态收油门减速将会导致该型发动机进入不稳定工作。数据分析中发现压气机第一级静子机匣壁面静压对节流最为敏感,且静压脉动分量的概率密度函数分布随节流有规律地发生变化。定义了概率密度函数特征值θ来量化这种变化。进一步的数据分析表明,θ可以反映压气机第一级端部的流动分离情况,可以作为试验发动机节流过程中的气动稳定性指标。与直接检测模态扰动和短周期扰动相比,监测θ的变化可以为该型发动机提供较长的失速预警时间。      

航空发动机压气机静子通道压力信号时频特征

进行发动机整机试验,获取了压气机第一级静子通道内的压力信号.通过时频分析,从压力信号中辨识出了以550 Hz和2200 Hz为中心的时频结构;辨识出了压气机前3级转子叶片通过频率信号及它们的一些和频、差频信号.同时,还观察到在试验发动机减速过程中,放气带打开前,压气机前3级转子的叶片通过频率信号及它们的一些和频、差频信号幅度显著增强,这表明减速过程中压气机第一级转子尖区的流动分离逐渐趋于严重.因此,监控压气机静子通道压力信号时频特征的变化,可以获得特定的压气机转子的流场信息,从而为压气机稳定性控制提供重要依据.      

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。     

轮毂处理对单级压气机性能的影响

在单级轴流压气机的静子内径处进行轮毂处理,以模拟转子尖部的机匣处理。用小型五孔探针详细测量了最佳工作状态和近失速边界状态下转子与静子叶片排下游气流的三元流场,特别是其端部流场。结果发现,对于转子叶尖失速型的级,静子轮毂处理不仅可以提高级的稳定裕度,而且也提高了转子的稳定裕度。      

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.      

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。     

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。     

某涡喷发动机压气机气动失稳过程的非线性分析

对某涡喷发动机压气机的气动失稳过程进行了相关积分分析。对节流过程中压气机静压信号进行延时嵌入重构,发现失稳过程中重构相空间的吸引子结构发生了显著变化;应用相关积分值作为压气机内部流动状况变化的评价指标,发现节流过程中压气机第1级端部的流动最先发生不稳定,随后第2级先于第3,4级发生不稳定征兆;1,2级的失速类型为渐进型失速,3,4级为突变型失速;第3级叶根最先发生不稳定,且发展较快,最终导致全叶高失速;低通滤波可以提高相关积分方法检测失速征兆的时效性。分析表明,非线性的相关积分分析方法是进行压气机气动失稳过程研究的有效手段。      

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.     

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.      

斜流压气机串列转子流场特性分析

以斜流压气机串列转子为研究对象,运用CFD软件进行了数值模拟,获得了该压气机在100%和80%设计转速下S1流面流场、子午流场、阻塞工况及近失速工况的流场特性,为斜流压气机串列转子的设计和性能分析提供参考。研究结果表明:该斜流压气机在设计转速(69900 r/min)下超声速特性明显,特性曲线较陡峭;当转速小于80%设计转速时亚声速特性明显,特性曲线较平缓。随着转速的减小,压气机的稳定裕度逐渐增大。该斜流压气机串列转子叶根和叶中截面的损失主要来源于叶型尾缘的掺混损失和叶型吸力面的小范围激波损失;而叶尖截面的损失主要来源于叶型吸力面的大范围激波损失、激波与附面层的相互影响的损失和激波与叶尖泄漏流相互作用的损失。该斜流压气机进入近失速工况后,前排转子的激波强度进一步增大,并且叶间存在大范围低速区,造成流动损失进一步增大。     

跨声速压气机转子旋转失速现象的非定常模拟

为研究跨声速压气机转子失速机理,全周非定常数值模拟了某跨声速压气机单转子的失稳过程。结果表明:该转子由叶尖Spike扰动诱发旋转失速。在小流量稳定工作状态,压气机转子叶尖区域存在"旋转不稳定"(Rotating Instability,RI)流动现象。压气机节流过程中,转子进出口的流量降低,叶尖区流场非定常波动幅值增大。近失速状态时,RI扰动团的典型流场结构"径向涡"在叶尖区域形成堵塞,导致相邻叶片前缘间歇性地出现溢流现象。随着压气机进一步节流,转子叶尖的负荷达到极值,叶片通道尾缘逆压力梯度过大,出现倒流。尾缘倒流的出现又进一步增加通道内的堵塞,最终形成Spike扰动。失速先兆对应的流场结构是沿叶片前缘额线向相邻叶片压力面周向运动的"径向涡"结构。     

跨声速轴流压气机不同工况下转子激波与导流叶片尾迹相互干涉研究

应用3维黏性流动计算软件Fine/Numeca,对某型1.5级跨声速轴流压气机进行内部流场和全工况特性数值模拟,得到该压气机特性曲线。在最高效率点和近失速点,在2种质量流量下,对压气机内部流场进行非定常对比计算,分析了在质量流量变小时,压气机内部流场的变化情况。     

轴向倾斜缝机匣处理影响压气机性能的机理

为了揭示缝式机匣处理影响轴流压气机性能的流动机理,对带轴向倾斜缝机匣处理的轴流压气机转子进行全三维非定常数值模拟,试验与数值结果均表明机匣处理在有效地扩大压气机稳定工作范围的同时,也使压气机等熵效率减少。通过详细地分析压气机内部流场,揭示了该机匣处理对该压气机转子性能及流场影响的机理,即倾斜缝内的回流具有抽吸或吹除端部低能流体的能力,在倾斜缝中形成的喷射流的作用下,叶顶通道内的低速气团得到了有利的激励,从而推迟转子的失速。但也使转子叶顶加功量下降,同时缝内的回流及其与叶顶主流的相互作用带来大的流动损失,最终降低压气机转子等熵效率。     

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。     

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。