一种槽道式处理机匣的准定常流动模型Ⅰ: 建模方法及验证

为降低对槽道式处理机匣流动进行模拟的计算量,特别地,为了提供一种可用于处理机匣工程设计的快速评估手段,基于对带有槽道式处理机匣的压气机非定常流动物理的理解,提出了一种处理机匣的准定常流动模型,并利用带有处理机匣的跨声压气机转子实验测量结果,以及非定常数值模拟结果对所提出的模型进行了验证.结果表明:处理机匣流动模型很好地预测了由于采用处理机匣所取得的转子失速裕度的提高,并且与非定常模拟结果比较,流动模型对转子主流以及处理机匣内部流动模拟的准确性也能得到保证.采用处理机匣流动模型所需的计算量仅约为非定常模拟的1%,这保证了提出的模型可用于快速评估槽道式处理机匣的气动特性,从而为其工程优化设计提供了有效的手段.      

驻室式处理机匣——内部流动及扩稳机理的数值研究

通过定常模拟的方法,研究了驻室式处理机匣对高负荷、高马赫数孤立转子性能的影响.结果表明:相同的处理机匣结构在不同的转速下取得的效果存在较大差异,在设计转速时,处理机匣并没有使风扇转子的失速裕度得到改善,并且效率下降约2.8%;在非设计转速时,处理机匣扩稳作用得到充分体现,转子稳定性得到较大程度的加强,并且没有导致转子性能的下降.通过对处理机匣内部流场的详细分析,揭示了驻室式处理机匣的扩稳机理.      

一种槽道式处理机匣的准定常流动模型Ⅱ: 跨声转子处理机匣的优化设计

对带气室的槽道式处理机匣的结构进行了参数化,然后采用所发展的处理机匣流动模型对槽道式处理机匣进行了数值模拟分析,获得了槽道式处理机匣各主要结构参数对处理机匣扩稳作用和转子效率的影响.基于原基准处理机匣,并选取各个结构参数经分析得到的最优值设计了一个优化的处理机匣.实验结果表明：优化的处理机匣设计在60%,80%,98%设计转速下都在原基准处理机匣的基础上进一步提高了转子的失速裕度,并且带有优化处理机匣的转子峰值效率比基准处理机匣、甚至实壁机匣的情形都有所提高.另外,为考察处理机匣槽道数的影响,对一个在优化处理机匣的基础上缩减槽道数而得到的处理机匣设计也进行了实验研究.     

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.      

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.      

斜沟槽型处理机匣对压气机性能影响的数值研究

采用数值模拟方法,研究了不同沟槽深度和开槽位置的斜沟槽型处理机匣对压气机气动性能的影响。结果表明,叶尖间隙较小时,与光壁机匣相比,机匣处理后压气机堵点流量提高,最大效率基本不变,稳定工作裕度下降;叶尖间隙较大时,机匣处理后压气机最大效率不变,堵点流量、压比和稳定工作裕度提高。适当减小开槽点与转子叶尖前缘距离,可在不损失效率的情况下提高压气机近失速点压比。斜沟槽型处理机匣对流动的影响:一是流通面积增加和斜坡带来的收缩通道作用,有助于缓解叶尖流动堵塞,降低损失;二是机匣突然升高造成后台阶流动分离,造成较大的总压损失和效率下降。     

非轴对称处理机匣的周向处理范围的实验

为了解决传统处理机匣对压气机扩稳降效的现象,打破处理机匣结构的轴对称传统,并设计了5种不同周向分布范围的非轴对称处理机匣.实验结果显示压气机的稳定裕度随非轴对称处理机匣的周向处理槽数的增多而单调增加,而效率则随处理槽数的增多先增加后减小.当非轴对称处理机匣的周向处理范围为120°时,能使压气机的稳定裕度和效率均有所增加,起到扩稳增效的效果.初步分析其原因是非轴对称的机匣结构改变了压气机叶尖的非定常流动.      

改进处理机匣扩大压气机的稳定工作裕度

阐述了处理机匣对轴流压气机的作用。针对某型低压压气机的具体情况提出了处理机匣的改进方案。通过对该压气机上的试验研究，获得了显扩大压气机稳定工作裕度的效果。     

处理机匣特征参数变化对多级轴流压气机性能的影响

处理机匣对压气机性能的影响已有很多文献发表,大部分都是针对不同处理机匣对压气机性能影响的结果。而本文要介绍的内容则是针对小叶片开槽驻定式处理机匣,在一台四级低压轴流式压气机中,通过改变处理机匣对一级转子叶尖的覆盖比、容腔比、前伸量以及加大处理机匣开度比对压气机试验性能的影响。试验均在某全台压气机试验器上进行。压气机进口条件为均匀进气。     

带周向槽叶尖处理机匣轴流压气机容总压畸变特性

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，对轴流压气机叶尖处理机匣容总压畸变特性进行了详细分析，并建立了处理机匣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，叶尖处理机匣虽能有效提高转子叶排抗总压畸变能力，但对其后的静子叶排抗畸变产生了明显不利影响，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。     

处理机匣对风扇稳定性影响的数值研究

在对驻室式处理机匣内部流动及扩稳机理进行数值研究叫基础上,采用数值模拟方法进一步分析处理机匣对风扇性能的影响。通过取消处理槽上方的驻室,提高了处理机匣对设计转速的扩稳能力。根据叶尖间隙内的相对速度分布和处理机匣内的回流量,分析了处理机匣的扩稳特性。研究结果表明：处理机匣产生扩稳作用的原因在于处理机匣能使转子叶尖进口气流加速,增加流体能量,从而抑制由叶尖泄漏流发展成泄漏涡．讲而改善流动环境。     

周向槽机匣处理对跨声速轴流压气机影响分析

设计了一种周向槽机匣处理结构,并利用全三维定常数值模拟方法,研究了该机匣处理结构对某跨声速轴流压气机转子性能和流场的影响。结果表明,数值模拟结果与实验结果符合良好,该周向槽处理机匣使压气机转子的失速点流量减小了11．5％．有效地扩大了其稳定工作范围,但是同时也使得其峰值效率下降了0．82％。对压气机转子内部流场的分析表明,周向槽处理机匣扩稳的主要机理在于其对叶尖间隙泄漏涡与激波干扰后形成的低速流团的抑制,以及对叶片吸力面附面层径向涡在机匣面堆积形成的低速流团的吸除。     

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.      

畸变进气对两级风扇稳定性影响的数值模拟

基于多级轴流压气机的逐级特性,建立了一种预估多级轴流压气机在均匀进气和周向畸变进气条件下的喘振边界的一维数值模拟方法。根据动态压缩系统模型,对一台两级风扇的喘振边界进行了数值预测,与基于李亚普诺夫理论的线化一维模型和试验结果的比较表明,该模型能较为准确地预估多级轴流压气机的喘振边界。对畸变进气条件下两级风扇稳定性进行的详细数值分析表明:进气总压畸变在流动过程中会生成总温畸变并伴随着总压畸变的衰减,进气总温畸变则会生成总压畸变并伴随着总温畸变的衰减;反向总温总压组合畸变进气时,畸变衰减快稳定裕度损失小,而正向总温总压组合畸变进气时,畸变衰减慢稳定裕度损失大。     

不同轴向偏转角处理机匣实验与机理分析

为了探索不同轴向偏转角处理机匣对压气机稳定裕度的影响,以一个亚声压气机为平台通过实验与数值仿真方法探索了8130r/min设计转速下3种与轴向成不同角度的处理机匣对该压气机稳定性的作用.详细的分析了各流量工况下不同处理机匣叶顶的流动结构、叶顶载荷分布、处理机匣缝(或槽)内的流动、周向平均后叶顶的损失分布和缝内喷射气流的轴向动量.研究发现:随着缝(或槽)与轴向所成夹角的增大,整个流量范围内,处理机匣的扩稳能力先增强后减弱;大流量工况下,转子叶顶载荷增加,转子的等熵效率降低.      

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。     

压气机稳定边界的数值预测研究

为研究不同压气机稳定性预测方法的准确性,采用最大静压升系数法与商用CFD软件,对某4级低速压气机的稳定边界进行了数值模拟,并与试验结果对比。计算结果表明:最大静压升系数法在预测压气机稳定边界上有一定的准确性。使用商用CFD软件NUMECA对某4级压气机进行模拟计算,考虑了不同的网格划分方案、使用不同的湍流模型和差分格式等因素,以出现数值发散作为压气机失稳的标准,结果表明:主流区的网格对计算结果影响较大。不同差分格式的结果显示,中心差分格式的结果最好。     

低速轴流压气机旋转失速演化机制研究

为深入探讨轴流压气机旋转失速机理,利用全环非定常数值模拟在出口边界添加节流阀模型模拟压气机节流过程,通过试验测量与数值模拟结果对比分析,澄清了低速轴流压气机失速先兆及失速团的产生和演化过程。研究结果表明：压气机在转子叶片安装角存在几何偏差的情况下,spike型失速先兆是由2阶模态的整阶扰动演化而来,并最终直接形成2个大尺寸全叶高的失速团;与轴对称转子模型相比,考虑存在几何偏差的转子模型的数值模拟结果更为接近试验测量结果。