多级轴流压气机彻体力模型——理论方法及简化应用

基于时间推进技术及有限体积法,将彻体力模型与基元叶栅法的思想相结合,提出了一个适用于预测大尺度进气畸变对多级轴流压气机气动性能及稳定性影响的三维数值计算模型。在进气条件轴对称的前提下,利用相应的简化模型重点分析了一台四级轴流压气机在均匀进气及叶尖径向总压畸变进气下的内部流场特征。均匀进气下的模型计算结果与相关试验结果相吻合。叶尖径向总压畸变进气下模型的计算结果表明:径向畸变在压气机流道内会发生显著的径向掺混作用,叶尖径向总压畸变对该压气机稳定性有显著恶化影响,随着畸变强度的增加,压气机稳定边界逐步下降。计算结果支持了该模型用于预测径向进气畸变影响的可能。     

多级轴流压气机彻体力模型——三维应用

利用基于彻体力模型建立的时间推进三维计算模型,获得了某单级跨声速压气机在周向总压进气畸变下的总体特性及流场分布,并与相关试验数据进行对比,以验证该模型的准确性及可靠性。随后利用该模型详细分析了进口分别存在周向总压进气畸变及对涡旋流畸变下某四级低速轴流压气机内部流场特征。单级跨声速压气机总体特性的计算结果与相关试验数据的相对误差不超过2%,且内部流场参数的分布特征也与试验结果相吻合。四级低速轴流压气机的计算结果反映周向总压进气畸变导致压气机气动性能及稳定性恶化,对涡旋流进气畸变则影响有限。同时揭示了不同形式的进气畸变在多级轴流压气机内部的传递过程,充分说明该模型在进气畸变这类工程问题中的广泛应用前景。      

轴流压气机插板式进气畸变数值仿真

以航空发动机稳定性评价体系中常用的插板实验为背景,分别进行低速、高亚声速、跨声速轴流压气机与插板畸变发生器的耦合数值仿真,研究插板畸变条件下压气机的流场特性以及不同类型压气机在插板畸变影响下的失速起始机制。研究发现:转子进口截面的周向流动是影响低速压气机稳定边界的主要因素;插板角涡对转子叶顶泄漏涡的扰动是影响高亚声速压气机稳定边界的重要原因;畸变气流影响下的叶片通道内激波强度和位置的变化是影响跨声速压气机稳定边界的关键因素。      

单级跨声速压气机进气畸变数值模拟

基于彻体力模型的基本思想,发展了一套能够反映进气畸变对风扇/压气机气动性能影响的三维数值计算程序CSAC.首先详细研究了彻体力模型的具体建模方法,然后发展了相应的三维数值计算程序.利用该程序针对某单级跨声速压气机在均匀进气下的流场进行了计算验证,计算结果与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,流场主要参数分布与相关实验数据也有很好的一致性.利用该程序分别计算分析了进口存在稳态周向总压畸变及周向总温畸变的全环三维畸变流场,结果表明:压气机进口畸变流场存在大尺度、强三维特征,将导致压气机总压比及稳定裕度下降.所有计算结果均显示该模型能够在降低对计算资源和工程经验依赖的同时,有效分析进气畸变对压气机特性的影响.      

进气畸变对跨声速轴流压气机气动影响的机理研究

利用插板模拟跨声速轴流压气机进口流场畸变.通过实验和数值模拟两种手段详细分析了进口畸变下跨声速压气机的流动特点、激波沿周向的分布以及压气机的失速机理.实验和数值模拟的结果表明:插板使压气机前的不同周向位置产生正、负预旋流动;转子前速度的周向分布沿轴向是不断变化的,在距离转子较近时,畸变区的轴向速度反而较大;气流在过渡区A（转子进入低压区）时为正预旋,为非激波区;在过渡区B（转子退出低压区）和畸变区时为负预旋,为强激波区;过渡区的泄漏涡最强,是不稳定流动的诱发区域.      

多级轴流压气机总压畸变试验研究

介绍了稳态总压畸变对一台高性能多级轴流压气机性能影响的试验研究结果。试验中采用了四幅网格 ,其中两幅为 180°周向畸变网格 ,两幅为 36 0°径向畸变网格。试验结果表明稳态总压畸变均使压气机效率降低、流量减少 ,但是周向和径向畸变对压气机的稳定工作范围的影响有所不同     

周向总压畸变对多级轴流压气机稳定性影响的逐级模拟方法

介绍了1种分析进口总压畸变对多级轴流压气机特性影响的逐级模拟方法。应用该方法对J85-13压气机的进口总压畸变进行了分析,并对压气机在稳态和畸变情况下特性的逐级模拟计算结果进行了详细的数值分析,讨论了压气机的失稳关键级以及有效进气攻角对多级轴流压气机特性的影响。计算结果与试验结果的比较表明,该模拟方法是合理可行的。     

进气畸变下低速轴流压气机失速起始特性试验

为探索进气畸变对压气机失速起始特性的影响,本文以一台双级低速轴流压气机为研究对象,对均匀进气和多种进气畸变形式下的失速起始特性进行了详细研究。进气畸变包括1×90°稳态单波、2×90°稳态双波和1×90°周向旋转单波3种形式,压气机转速为600 r/min和800 r/min。试验结果表明,在均匀进气和固定进气畸变条件下该压气机均表现为模态波式失速起始特征,而在旋转畸变时观察不到失速前扰动信号。均匀进气时,失速前20～30个转子旋转周期即可观察到模态波的存在,其传播速度等于42%转子转速,并诱导产生旋转失速团,而且在失速发展过程中,失速团旋转速度保持不变。稳态进气畸变时,也是由模态波诱导产生旋转失速,但在失速团发展过程中,失速团的旋转速度会发生变化。旋转进气畸变时,失速前检测不到42%转子转速的模态波扰动,也没有发现尖脉冲扰动。     

进气畸变对压气机性能影响的三维彻体力模型

基于三维彻体力模型理论初步发展了一个能有效预测进气畸变下压气机性能的压气机三维稳定性分析模型(CSAC).该模型通过求解带有源项的可压三维Euler方程组,对压气机内部全环三维流场进行模拟.叶片对气流的作用力和做功源项根据压气机三维稳态Navier-Stokes(N-S)解的相关气动参数计算得到,并给出了源项与叶片进口气动参数之间的数据库关联方法.利用该模型计算和分析了NASA Rotor 37在均匀进气下的气动性能,并与三维稳态N-S计算结果对比,验证了该模型的准确性.最后利用该模型模拟了Rotor 37在稳态周向总压畸变下的性能.结果表明:总压畸变不但降低了压气机的气动性能和稳定裕度,而且在压气机转子出口诱发总温畸变,研究表明该模型在消耗较少的计算资源下正确地反映了进气畸变对压气机性能的影响,是目前分析进气畸变对压气机性能影响的有力工具.      

进气畸变对低速轴流压气机失速特性的影响

利用插板扰流器模拟压气机进口畸变流场,并深入分析了此畸变流场对某单级低速轴流压气机的旋转失速特性的影响.通过对压气机性能瞬时响应、失速扰动信号的发展和失速扰动信号的频谱特性的分析,探讨了进气总压畸变对压气机失速形式、失速强度、失速频率的影响.在畸变区形成的失速扰动将经历形成、发展、衰减甚至消失这一发展过程,只有当阻尼不足以阻止失速扰动的发展和周向传播时,压气机才会进入旋转失速状态,从而影响了压气机失速特性.      

周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级预测分析

基于多级轴流压气机的逐级特性,发展了1种预测周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级的方法。该方法结合平行压气机模型和级叠加计算方法,以进气畸变条件下多级轴流压气机某级的有效相对气流角达到稳定状态时该级的最大相对气流角为条件,进行多级轴流压气机失速首发级的预测分析。通过对J85—13发动机8级轴流压气机总压畸变试验数据进行模拟计算,预测出该轴流压气机畸变条件下的失速首发级。     

损失及落后角代理模型在多级轴流压气机特性预测中的应用

为了提高轴流压气机设计能力,进而提高发动机的特性,需要掌握一种能够较好预测轴流压气机的压比、效率等特性的方法。结合运用三元流动理论和传统损失落后角模型计算出的压气机流场数据,利用正则化径向基函数神经网络取代经验公式搭建了一种新的损失及落后角模型,计算了E3十级高压压气机的特性;并分别研究了不进行正则化和进行正则化对损失及落后角预测的影响与其对压气机效率和压比特性预测的影响。结果表明,在多级压气机中,在训练样本区分转静子、区分转速、区分工况条件下,使用正则化的径向基神经网络代理模型在大部分情况下能够较好地预测损失、落后角及多级压气机整体特性,但是对沿叶高分布的损失及落后角预测能力还有待提高。     

多级轴流压气机不同工况下失速／喘振试验研究

通过试验的形式，开展了多级轴流压气机在静叶优化角度及中间级引气情况下的失速／喘振试验研究。采用高精度、高频响的动态压力传感器，高速同步采集板、快速A／D采集板和高速处理机相结合，借助于频谱分析的方法来找出失速／喘振频率，并且找出对应该频率的各通道之间的相位差，分析出失速／喘振首发级。利用DASP6．61数据大容量自动采集与信号处理系统对喘振信号进行数学处理。试验结果表明：测量手段及数学处理模型是可行的。在压气机静叶优化条件下，不同的引气量对失速／喘振有影响。     

级间引气对多级轴流压气机性能的影响

为了验证多级轴流压气机级间引气对其性能的影响,建立了在设计过程中优化改进级间引气的依据,基于数值模拟和试验的方法,研究了级间引气对某总压比20以上的10级轴流压气机总性能和匹配特性的影响。结果表明：引气对压气机各级的单级特性影响较小,但改变了压气机进口总流量和引气上下游的流量分配及级间匹配,进而影响了压气机的总性能。在多级轴流压气机设计转速状态下,前面级处于流量堵塞工况,与第7级引气相比,第4级引气可显著增大压气机的流量,改变压气机匹配特性,引气位置越远离压气机进口对总流量的影响越小。试验结果表明：第4级引气增加或者减少2%,总流量相应增加0.8%或者减少1.3%。相比第4级增加引气,第4级减少引气对压气机性能影响更为显著。试验得到的引气对压气机总性能、各级工作点匹配影响与数值模拟的一致。     

船用多级轴流压气机低工况扩稳优化研究

以船用九级轴流压气机为研究背景,探讨减少可转导叶列数的可行性,并提升低工况喘振裕度,通过数值模拟方法研究通流布局优化对压气机低工况稳定性的影响。通过特性分析和详细流场分析表明：一维关键参数选取对最佳可转导叶控制策略影响较大。优化部分级关键参数,不仅减少了可转导叶列数,而且提升了低转速下的喘振裕度,在75%转速下喘振裕度提升了2.27%,在70%转速下喘振裕度提升了3.3%。     

多级轴流压气机级间性能试验研究

对某多级轴流压气机级间性能进行试验研究,详细分析了该压气机在设计角度与优化角度下,不同工况时的性能特性(包括各级做功能力、级压比和不稳定边界变化规律等)和级间匹配情况。研究结果表明,在非设计状态下各级匹配可以进一步优化、改进设计;进口静叶角度变化会改变压气机的级负荷分配和级不稳定边界位置,影响压气机不稳定边界移动。建议适当开大一、二级静叶角度,以改善二、三级转子流场,提高其性能;同时,应在不影响整台压气机不稳定边界的情况下进行静叶角度优化。     

进口畸变条件下轴流压气机转子内流的PIV研究

用50%堵塞比的插板畸变屏模拟低速轴流压气机进口流场畸变,用PIV(粒子图像速度场仪,ParticleImageVelocimetry)技术测量均匀和畸变进气条件下压气机转子叶片通道内的流场结构。实验表明,进气畸变条件下压气机流场在转子叶片通道内不同的周向位置会产生四种不同的流动结构状态,同时,进气畸变大大增加了漩涡扰动、流动亏损和转子叶排气流分离的强度,这样必然会对压气机的性能产生很大的影响。实验也验证了经典平行压气机理论的缺陷。      

进口畸变下缝式机匣处理改善轴流压气机性能的研究

为了研究进口畸变下缝式机匣处理改善轴流压气机性能的机理,以亚声速单级轴流压气机的孤立转子为研究对象,在53.4%设计转速下,采用10通道非定常的数值模拟方法,开展进口畸变下轴向倾斜缝机匣处理改善轴流压气机性能的机理研究。采取在进口径向延伸段中部沿周向设置栏杆的方式产生畸变。与进口均匀实体壁机匣相比,进口畸变实体壁机匣的失速裕度改进量和峰值效率改进量分别为-5.88%和-1.44%,而进口畸变带机匣处理的失速裕度改进量和峰值效率改进量分别为24.37%和-1.09%。进口均匀实体壁机匣时,压气机的失速类型为典型的突尖型失速,即由叶顶间隙泄漏流引起的堵塞所造成。进口畸变引发叶顶处吸力面的气流分离,且气流分离沿周向呈非轴对称分布,进口畸变后叶顶通道内的低速区在很大程度上还是由叶顶间隙泄漏流所造成,只不过相比于进口均匀,叶顶处吸力面的气流分离提前发生,并且反过来又加剧叶顶间隙泄漏流的负面影响,即进口畸变后压气机失速的主要诱因没有发生本质的变化。机匣处理上、下游的喷射、抽吸过程分别对叶顶通道上游、中部的低速区气流起到激励、吹除作用,其有效地抑制了由叶顶间隙泄漏流所造成的叶顶前缘溢流和叶顶通道内压力面附近的回流,进而提高了叶顶通道的流通能力。     

进口畸变对轴流压气机流场影响的全通道数值研究

采用全通道非定常数值模拟方法研究了进口畸变对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中通过在进口径向段设置栏杆的方式产生畸变,非定常数值计算结果表明进口总压畸变后降低了压气机转子的性能,失速裕度减小了3.1％.通过详细地分析压气机进口延伸段及内部流场表明,畸变后在转子上游进口环面上出现低值进气角区,促使部分通道叶顶吸力面附面层分离起始位置靠前,造成通道内堵塞严重,并使叶顶间隙泄漏流在更高叶展前缘处溢流到相邻叶片通道进而诱发转子失速,进口均匀时压气机失速主要是由叶顶间隙泄漏流引起的堵塞造成.