轴流压气机非定常流及端壁边界层测量中的热线技术

本文总结了测量轴流压气机失速喘振工况及端壁边界层流场时所采用的方法,并提供若干典型结果。大量试验表明这些方法行之有效。用三支同型探针,沿周向不等间隔分布,失速喘振时,用频谱分析确定频率成分,用互相关分析确定两两信号的时差,即可判明是失速或喘振,并决定团数、团的传播速度及团的形状。用单丝旋转法测量端壁边界层以保证所测参数严格属于同一半径,同时又具有 X 型探针的二维能力,以测定速度矢量,湍流度及雷诺应力,在此测量中我们研究了机匣探针孔对边界层流场的干扰问题。灰尘油污的污染,气流温度随压气机工况的变化是遇到的主要问题。     

离心压气机导风轮叶顶端壁引气扩稳研究

对一台在导风轮叶顶设置有自循环机匣处理的离心压气机,借鉴其试验结果制定了3种引气位置A,B和C,并结合不同的引气量进行了端壁引气扩稳的数值研究.计算结果表明:引气位置和引气范围对扩稳效果有重要影响,引气位置C覆盖了整个叶尖回流区,引气面积最大,扩稳效果最好.随引气量的变化,出现了两种不同的扩稳机理:小引气量可以吸除叶尖泄漏流,缓解通道阻塞,延缓端壁失速;过大的引气量则挤占有效流通面积,将通流区域压向轮毂侧,增加了叶轮的做功能力.兼顾压气机的效率考虑,小引气量具有优势,引气位置C用5%引气量可以获得19.6%的裕度提升.      

移动端壁对压气机叶栅中叶尖泄漏流动的影响

对一压气机平面叶栅进行全三维数值模拟,分别对两种不同叶尖间隙情况下,移动端壁对叶栅性能及泄漏流流动结构的影响进行分析。详细对比了不同条件下,叶栅损失,泄漏涡传播轨迹及影响范围,泄漏流量等参数的变化,同时通过三维流线结构的对比,对泄漏流在间隙中的流动特点及其在通道中与主流的相互作用进行分析。结果表明:移动端壁加入使泄漏流量增加,泄漏涡传播轨迹向远离吸力面,靠近端壁的方向偏移,削弱通道流与泄漏流之间的剪切作用,改变通道中的各个二次流动结构所占比例。间隙较小时,移动端壁的影响主要集中在端壁附近,而间隙较大时,移动端壁能够抑制叶顶分离涡,从而影响整个间隙中泄漏流的速度分布,进一步削弱通道流与泄漏流动之间的剪切作用。      

非轴对称端壁对轴流风机二次流动的影响

为了研究非轴对称端壁对低速风机二次流动的影响机理,本文在某单级低速轴流风机的静子轮毂采用了非轴对称端壁(CEW)造型,并利用三维数值模拟软件进行了数值分析。结果表明:100%设计转速下工作点的等熵效率和总压升系数均有所提高,且在小流量点的提升幅度大于大流量点;其中风机峰值效率点的等熵效率提升了1.27%,总压升系数提高了2.97%;非轴对称端壁通过型面变化来改变局部的压力梯度,其中近吸力面凹槽使得流向逆压梯度(APG)减弱,而近叶栅通道出口的端壁凸包可以提高其前方压力,抑制横向流动的发展,这两种型面均有利于抑制角区分离。对该非轴对称端壁凹槽结构的径向深度幅值进行了对比分析,发现其存在一个约为静子根部弦长5.73%的最佳深度。      

端壁等离子体气动激励抑制高负荷压气机叶栅角区流动分离实验

为揭示端壁等离子体气动激励抑制高负荷压气机叶栅角区流动分离的影响规律和流场特征,在不同流场参数和激励条件下分别开展了微秒脉冲和纳秒脉冲等离子体气动激励抑制叶栅流动分离的实验研究.结果表明:端壁等离子体气动激励可以有效抑制叶栅角区的流动分离,其作用效果在攻角为3°时最佳,随攻角的增大逐渐下降;微秒脉冲激励的流动控制效果随来流速度的增大而降低,随激励电压和占空比的增大而提高,最佳非定常脉冲频率为500Hz;在较高来流速度下,微秒脉冲激励的作用效果十分微弱,但纳秒脉冲激励能够有效抑制角区流动分离;纳秒脉冲激励的流动控制效果随激励电压增大而提高,激励频率对控制效果至关重要,作用效果随激励频率的增大而不断增强,但当激励频率为5kHz时,作用效果有所下降.      

叶身/端壁融合技术工况的适用性

在前期提出并初步验证了叶身/端壁融合(BBEW)技术效果的基础上,以NASA Rotor 67为例实施BBEW改型,研究了100%,90%和80%三种转速,海平面与万米高空两种不同雷诺数工况条件下BBEW技术的实施效果.数值结果表明:相对于原型,BBEW改型在几乎所有工况范围内均显现出总压比、效率等性能提升.在低转速和低雷诺数下的收益更为明显,效率收益可达0.6%~0.8%.这表明BBEW技术具有宽广的工况适用性,将是弯、掠以外叶轮机全三维叶片造型的又一重要方面.      

非定常环境下动叶气膜冷却流场的数值模拟

对非定常环境下动叶气膜冷却的流场进行了数值模拟,研究了动静部件之间非定常效应对气膜冷却效率的影响.计算结果表明,静叶的尾流迁移在冷气喷射位置处时,冷气在喷射位置下游壁面附近的覆盖宽度增大,距喷射位置下游约30%弧长范围内具有较高的气膜冷却效率,但在喷射位置附近的冷却效果略差一些.气膜冷却效率的振荡幅度随着吹风比的增大而增大.由于端壁附近旋涡的影响,冷气很难到达端壁附近,而是被卷吸到喷射位置的下游去,在喷射位置下游靠近端壁附近的冷却效果更好一些.      

用端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的数值研究

分别对常规叶栅、下端壁上凸和下端壁下凹叶栅的流场进行了详尽的数值模拟,通过将下端壁上凸和下端壁下凹叶栅中的通道涡的发生、发展过程与常规叶栅进行对比分析,对非轴对称端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的机理进行了初步的探讨。结果表明:下端壁上凸叶栅出口处的总压损失比常规叶栅下降了4.2%,下端壁下凹叶栅出口处的总压损失比常规叶栅增加了11.9%;在下端壁上凸叶栅中,下通道涡的形成比常规叶栅和下端壁下凹叶栅滞后,失去了充分发展的"机会"。这是非轴对称端壁造型能够减小涡轮叶栅二次流损失的根本原因。     

非对称处理机匣周向分区数的实验

为了改善传统的对称处理机匣对压气机"扩稳降效"的普遍现象,设计了五种周向分区数的非对称处理机匣。实验结果显示,非对称处理机匣的分区数对压气机的稳定裕度影响不大;而对效率和总压升影响较大:随着分区数增加,压气机的性能先增加后降低。其中一种优选结构的非对称处理机匣能使压气机的稳定裕度扩大13%,同时使其峰值效率提高0.8%。这种非对称处理机匣能取得明显优于轴对称处理机匣的"扩稳增效"的原因是它改变了处理槽对压气机叶尖作用的非定常信号。根据非定常耦合流动理论,其产生的独特的低频激励信号能够对压气机叶尖复杂的非定常流场产生耦合整流效果。     

轴流式压气机近失速状态端壁流动时频分析

为准确辨识某型单轴涡喷发动机压气机近失速点的流动特征,对其端壁静压信号进行了时频分析。时频分析结果表明,近失速点的工况下,与其它各级相比,压气机第一级静子机匣壁面流动变化最为显著;随着发动机工作点沿共同工作线趋近喘振边界,压气机第一级静子机匣壁面静压信号中以550Hz为中心的宽带信号开始出现并逐步增强。所发现的压气机端壁流态特征可用于发动机节流过程中工作点接近失速边界的程度的判定,具有一定的工程应用价值。