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。     

驻涡式处理机匣对跨声速压气机扩稳的数值模拟

提出了一种驻涡式处理机匣结构,通过叶片通道前后以及叶片压力面和吸力面共同作用的压差,驱动流体产生回流.将通道后部的附面层流体吸除,然后在叶片前缘注入,增大叶尖泄漏流内的动量,从而达到扩稳的效果.该设计将抽气槽与喷气槽的方向和主流流动方向设计成一致方向,以减少掺混损失.此外,该处理机匣在轴向上完全在转子叶片内部,不需要前伸量,因而可以方便地应用于多级压气机中的任何一级,而不会和静子叶片发生干涉.通过数值模拟对这一设计进行了验证,结果表明该处理机匣可以扩大跨声速压气机转子裕度17.39%,而对效率不会产生明显的影响.      

实壁/圆弧斜槽周向不对称组合式处理机匣实验

对实壁/圆弧斜槽组合式处理机匣在跨声压气机实验台上进行了实验研究.不同于传统处理机匣,实验的组合式处理机匣能够在大幅度提高压气机失速裕度的同时,使得其绝热效率增加接近1%,该组合式处理机匣能够取得"扩稳增效"的主要原因是,提高了叶尖区域的流通能力,抑制了分离流动,减缓了旋转失速的发生;通过采用周向非均匀分布的组合形式,减少了处理槽内的流动损失,使得机匣处理的收益大于损失,提高了压气机效率.      

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。     

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/压气机非定常相互作用分析

实验研究了三个不同槽数圆弧斜槽处理机匣对压气机气动性能的影响,实验结果显示,只有当处理槽数确定的处理机匣/压气机非定常相互作用频率锁定在压气机分离绕流流场非定常特征频率附近时,处理机匣才能展示出满意的扩稳能力.实验利用25孔总压耙测量压气机静子出口S3流面总压流场结构,测量结果表明,处理机匣/压气机非定常相互作用不但大幅度改善了压气机分离绕流流场结构,还影响了压气机总压升径向分布.      

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%。     

处理机匣参数优化研究

本文提出了影响驻室式处理机匣效果的主要参数。对相对后段槽长进行了优化试验研究,给出了该参数变化对压气机流量、效率及不稳定边界影响的试验曲线。按试验结果,对一台跨音速压气机处理机匣进行了改进设计,使其在失速裕度大体不变的情况下,流量提高1.2％,效率提高1.4个百分点。     

桥式槽处理机匣的扩稳机理研究

利用数值模拟的手段对桥式槽处理机匣的失速机制和扩稳机理进行研究。通过与实壁机匣和全通槽处理机匣的对比分析结果表明:叶尖泄漏和叶片吸力面的分离均会引起叶尖通道堵塞,进而诱发失速。在实壁机匣情况下叶尖泄漏流堵塞叶尖通道是诱发失速的主要原因;全通槽和桥式槽处理机匣均能减弱叶尖泄漏流强度,但是全通槽处理机匣加剧了吸力面的分离,这造成了较大的效率损失;而桥式槽处理机匣能够通过改变抽吸区和喷气区的面积大小控制泄漏流和分离流引发的流道堵塞,从而在裕度提升和效率损失之间取得平衡。研究表明:喷气区面积越大,叶尖攻角越大,吸力面分离越强,压气机效率越低;抽吸区面积越大,泄漏流越弱,压气机的失速裕度越大。     

凹槽导叶式处理机匣轴向叠合量对风扇性能的影响

为探索凹槽导叶式处理机匣(RVCT)轴向叠合量对风扇性能的影响,选取升力风扇为对象,采用数值模拟方法对实壁机匣和4种不同轴向叠合量的凹槽导叶式处理机匣进行研究。结果表明:随着轴向叠合量的增大,带处理机匣风扇相比实壁机匣风扇裕度分别改进1.27%、8.01%、12.3%、32.4%,设计点效率分别下降了0.82%、1.38%、2.2%、4.1%;处理机匣的引入使得凹槽与主流通道间形成局部循环流动,减小了来流攻角和叶顶低能流体的堆积,平衡了叶顶吸、压力面压差,且轴向叠合量越大,局部循环越强烈,风扇稳定性提高;凹槽与风扇主流间的交互流动决定着处理机匣对风扇性能的影响,其中抽吸流和喷射流是反映处理机匣扩稳效果的两个重要参数。      

Experimental investigation on SPS casing treatment with bias flow

Generally, casing treatment（CT） is a passivity method to enhance the stall margin of fan/compressor. A novel casing treatment based on the small disturbance theory and vortex and wave interaction suggestion is a method combining passive control and active control, which has been proved effective at enhancing the stall margin of fan/compressor in experiment. In order to investigate the mechanism of this kind of casing treatment, an experimental investigation of a stall precursor-suppressed（SPS） casing treatment with air suction or blowing air is conducted in the present paper. The SPS casing treatment is designed to suppressing stall precursors to realize stall margin enhancement in turbomachinery. The experimental results show that the casing treatment with blowing air of small quantity can improve the stall margin by about 8% with about 1% efficiency loss. By contrast, the SPS casing treatment with micro-bias flow does not improve the stall margin much more than that without bias flow, even worse. Meanwhile, the present investigation has also attempted to reveal the mechanism of stall margin improvement with the casing treatment.It is found that the stall margin improvements vary with the modification of the unsteady shedding flow and the unsteady wall boundary impedance. The experimental results agree fairly well with the theoretical prediction using a flow stability model of rotating stall.     

Influence of SPS casing treatment on axial flow compressor subjected to radial pressure distortion

The present work is about the stall margin enhancement ability of a kind of stall precursor-suppressed (SPS) casing treatment when fan/compressor suffers from a radial total pres-sure inlet distortion. Experimental researches are conducted on a low-speed compressor with and without SPS casing treatment under radial distorted inlet flow of different levels as well as uniform inlet flow. The distorted flow fields of different levels are generated by annular distortion flow gen-erators of different heights. The characteristic curves under these conditions are measured and ana-lyzed. The results show that the radial inlet distortion could cause a stall margin loss from 2% to 30% under different distorted levels. The SPS casing treatment could remedy this stall margin loss under small distortion level and only partly make up the stall margin loss caused by distortion in large level without leading to perceptible additional efficiency loss and obvious change of charac-teristic curves. The pre-stall behavior of the compressor is investigated to reveal the mechanism of this stall margin improvement ability of the SPS casing treatment. The results do show that this casing treatment delays the occurrence of rotating stall by weakening the pressure perturbations and suppressing the nonlinear amplification of the stall precursor waves in the compression system.     

双级跨声风扇双段轴向缝式机匣扩稳机理分析

以高负荷,高转速的双级跨声轴流风扇为对象,用数值模拟的方法研究了双段轴向倾斜槽类机匣的扩稳机理。计算得到的实体壁机匣和处理机匣的性能曲线与实验结果符合得较好。计算和实验均表明,双段缝式处理机匣扩大亚声速工况下的稳定工作范围。通过详细的流场分析表明,亚声工况下双级风扇第1级动叶吸力面附面层分离造成的叶顶通道阻塞是双级风扇流动失稳的关键因素。双段缝式处理机匣利用叶顶通道的压差在缝内形成回流,该回流将转子顶部通道内的低能流体抽吸进入缝中并向缝上游输运,在输送过程中在压差的作用下加速,最后在缝上游区重新进入主流。通过这种方式激励了转子顶部通道端壁区的低能气团,从而有效地扩大了亚声速工况下该跨声速风扇的稳定工作范围。     

机匣处理改善某单级跨声轴流压气机性能的机理研究

采用全三维数值方法研究了轴向倾斜缝机匣处理对某单级跨声轴流压气机性能的影响.数值结果表明:机匣处理不仅扩宽压气机稳定工作范围,而且还略微提高了单级跨声轴流压气机峰值效率.通过详细分析压气机转子内部流场,揭示了该机匣处理对该单级跨声轴流压气机性能及流场影响的机理,在倾斜缝中形成的回流作用下,使叶顶吸力面气流分离的起始位置向下游推移,并削弱了分离流与叶顶间隙泄漏流相互作用造成的恶劣影响,提高了叶顶通道的流通能力,进而推迟压气机失速的发生.      

风扇/增压级设计与非设计性能数值模拟

为了研究双涵道风扇／增压级的设计与非设计状态性能，利用三维数值模拟软件对某型双涵道风扇／增压级80％设计转速、88％设计转速、96％设计转速、100％设计转速下的各种工作状态进行了数值模拟。重点分析了典型工况下风扇／增压级出口特性参数分布与非设计转速下内涵特性。同时通过和实验结果的比较表明，对风扇／增压级设计状态性能的模拟较非设计状态性能的模拟更为准确。     

Recent development of casing treatments for aero-engine compressors

Casing treatment is a mature stabilization technique which has been widely applied on aero-engines for modern aircrafts and turbo-chargers for automobiles. After the investigations of half century since the 1960s, this technique has been well developed for various configurations with different effectiveness. From the perspective of stabilization mechanism, this paper roughly categorizes the configurations of casing treatment into two types: traditional ones which work by affecting the flow structure of blade tip region; a novel one named as Stall Precursor-Suppressed (SPS) casing treatment. The effectiveness of both types will be demonstrated for their applications on axial compressors and centrifugal compressors with uniform or distorted inlet. And the stabilization mechanism of casing treatments for regular types and SPS one will also be explained respectively. In addition, this review will summarize the methodologies of casing treatments with the numerical simulations for regular grooved configurations and the eigenvalue approach for SPS casing treatment. Looking forward to the future of compressor stabilization, casing treatment technique will still exist as a general and inexpensive option, and the exploration for its effectiveness and mechanism will be deeper with the development of computational fluid dynamics and advanced measurement techniques.     

跨声速压气机机匣处理的数值研究

介绍了所开发的压气机内流场三维N-S方程计算程序.在利用典型算例验证了计算程序的描述能力和精度的基础之上, 对带有顶隙和机匣处理的跨声速压气机内的流动进行了三维数值模拟.研究了环向槽机匣处理方式, 比较了不同开槽方式下, 机匣处理对顶隙泄漏流和压气机性能的影响.      

槽式处理机匣开槽数目对扩稳效果的影响

采用试验与数值手段研究周向凹槽槽数变化对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行4种不同槽数的周向槽处理机匣试验。试验结果表明,4种不同槽数的机匣处理都提高压气机的失速裕度,在相同槽宽下开槽数最多的扩稳效果最好,开槽数目最少的扩稳效果最次。数值计算所获得总性能与试验结果符合良好。通过详细地分析凹槽槽数变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽槽数变化对压气机性能影响的流动机理。     

涡扇发动机性能优化调整的理论与试验研究

1引言现代无人飞行器涡喷、涡扇发动机通常采用固定几何式结构[1~4],为了能够将已有的涡扇发动机用于不同的飞行器,在不对发动机结构做较大改进的情况下,可以通过调整影响发动机特性的某些重要截面来实现发动机总体性能调整与优化,这些重要截面亦称为关键截面,例如本文所研究的