评估周向槽机匣处理扩稳效果的新指标

在分析周向槽机匣处理扩稳装置结构的基础上, 采用三维粘性数值分析方法对带周向槽机匣处理的叶栅通道进行了计算, 获得一些有益的结果。首次提出用通过处理槽的气流流通量评估周向槽机匣处理的扩稳效果和扩稳能力, 分析讨论了处理装置的各种结构尺寸参数对扩稳效果的影响, 并得到大量实验结果的证实。为工程设计压气机机匣处理装置提供了理论依据。      

旋转畸变条件下新型机匣处理扩稳效果试验

开展了一种新型机匣处理扩大轴流风扇/压气机稳定裕度的试验研究。在低速风扇试验台上模拟旋转进气畸变,分析此种畸变进气条件对压气机工作性能造成的影响,并且考察一种新型机匣处理的扩稳效果。旋转进气畸变下,压升-流量特性曲线失速边界向右下偏移,压气机失速裕度明显降低。新型机匣处理在旋转进气畸变条件下对风扇/压气机有显著的扩稳效果,较小畸变转速(200,500r/min)情况下,新型机匣处理能提高压气机稳定裕度10%~20%,同时并没有带来明显的效率损失;畸变转速为800r/min情况下,机匣处理的扩稳效果相比并不明显,但可以提高压气机工作效率1%~2%。较大畸变转速情况下,畸变方向不同,机匣处理扩稳效果有所差别:正向畸变时机匣处理提高压气机失速裕度3%~10%,提高效率1%左右;而反向畸变时,失速裕度均提高10%以上,甚至达到20%,但压气机效率损失在1%左右。     

自循环机匣处理轴向位置影响扩稳能力的机理

为了揭示自循环机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理,采用非定常数值方法研究了3种不同轴向位置对机匣处理（CT）扩稳能力的影响,结果表明:机匣处理喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的扩稳能力最强,喷气装置在叶顶前缘正上方的次之,喷气装置在叶顶前缘上游较远处的最弱,对应机匣处理获得的综合失速裕度改进量分别为9.40%,7.09%,5.49%.通过详细地分析压气机叶顶流场表明:喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的机匣处理施加有利影响程度最高的范围刚好覆盖叶顶前缘处,此处是引起转子失速的关键部位,因此抑制叶顶间隙泄漏流造成的堵塞的效果最好,对应的扩稳能力在3种机匣处理中最强.      

跨声压气机周向槽处理机匣非设计工况研究

设计了某单级跨声压气机周向槽处理机匣,利用全三维定常数值模拟方法研究了三种典型转速下的机匣扩稳机理;对比分析得出处理机匣扩稳性能与压气机工况、处理槽位置的关系:转速越高,处理槽扩稳效果越好,而且位于叶尖弦长中部的处理槽更有效.当转速降低时,扩稳效果减弱,靠近尾沿的处理槽更为明显.研究表明,该压气机在降转速过程中存在一个扩稳机理的转变:在高转速下扩稳以抑制间隙涡破裂为主,而低转速下则以抑制叶尖吸力面附面层分离为主.      

钟形曲线法对低速大尺寸压气机轴向缝机匣处理扩稳效果的研究

为了降低机匣处理设计过程中的海量试验和计算成本与周期,从实际角度出发,采用了一种可快速判断不同机匣处理扩稳能力的钟形曲线法。其优势在于:不需要对机匣处理方案进行整条特性线计算,只通过比较其在光壁机匣近失速点的对应流量下动叶端区累加轴向动量,即"钟形曲线",就可以快速判断出不同机匣处理的扩稳能力。以缝式机匣处理为示例,在低速大尺寸压气机上设计了三种不同的轴向缝方案,利用钟形曲线对其扩稳能力进行了预估,并完成了实验验证。结果表明,采用钟形曲线法预测扩稳能力与实验结果趋势一致,大幅缩减了轴向缝扩稳效果的评估周期,体现了该方法在机匣处理设计方面具有良好的工程应用价值。     

周向槽机匣处理的三维理论分析

本文首次采用三维定常不可压 N- S方程数值分析了带周向槽式机匣处理的叶栅通道。从数值模拟这一角度分析了周向槽机匣处理的扩稳机理 ,描述了作用的流动图画和物理模型 ,为分析设计机匣处理装置提供了新方法     

可控转速机匣转速对跨声速压气机转子流动稳定性的影响

可控转速机匣是一种通过控制机匣结构中的可转动环段旋转对叶顶间隙流场施加作用的机匣处理方式,可以一定程度上改善机匣处理中存在的效率下降以及难以完全适应变工况条件的难题。针对起始于动叶叶顶前缘、宽度为叶顶轴向弦长的可转动环段,对设计转速下的跨声速压气机转子流动稳定性的数值研究结果显示,随着可转动环段转速的增加,转子的稳定工作裕度逐渐提高,扩稳效果先弱后强,当可转动环段转速为转子设计转速时,在保证最高效率基本不变的情况下,稳定工作裕度提高了52.56%。可控转速机匣在较低转速时主要是通过减小叶顶的堵塞区实现扩稳,而高转速时则主要是通过抑制叶顶泄漏涡的破碎推迟失稳,不同转速下稳定工作裕度均有不同程度提升。     

变转速下跨声速压气机的耦合扩稳方法

为了探索在不同转速下均可有效提高压气机失速裕度的扩稳方法，以跨声速压气机为研究对象，利用缝式机匣处理和叶顶喷气进行耦合设计，并参数化研究了缝数目、缝长、缝宽及喷嘴周向宽度对压气机性能的影响规律，结合非定常数值模拟揭示了耦合型机匣处理的扩稳机理。研究结果表明，在100%、80%、60%转速下，压气机失速裕度分别提高9.31%、8.26%、8.68%,设计点效率分别降低0.77%、0.23%、0.41%。缝数目、缝长、缝宽是影响压气机失速裕度及效率的显著因素，而喷嘴周向宽度对压气机失速裕度及效率的影响较小。耦合型机匣处理内形成了抽吸、喷气的耦合流动循环，耦合强度的增加有利于压气机失速裕度的提高，但会降低压气机效率。耦合型机匣处理提高了叶顶负荷，但降低了叶顶泄漏强度，极大消除了叶顶泄漏涡引起的叶顶堵塞，这是压气机失速裕度提高的主要原因。耦合型机匣处理具有在不同转速下均能有效扩稳的潜力。     

变宽度斜槽机匣处理对组合压气机的扩稳效果研究

采用三维数值模拟方法,对高负荷轴流-离心组合压气机开展了机匣处理扩稳设计技术应用研究.为了同时达到较好的扩稳效果和较小的设计点效率降幅,在组合压气机第一级转子对应机匣位置采用了前伸出转子叶尖前缘、槽宽从前端到后端变化的斜槽机匣处理设计.对设计结果的分析显示,变宽度斜槽机匣处理在转子尖部区域呈现明显的抽吸-再注入扩稳流动...     

对转压气机中自循环机匣处理扩稳机理的研究

为拓宽自循环机匣处理的适用范围,以对转压气机为研究对象,采用数值方法研究了自循环机匣处理的扩稳机理和轴向喷气位置对其扩稳能力的影响,详细分析了自循环机匣处理前后对转压气机的总体特性和转子叶尖流场的变化.结果表明:对最先失速的转子配置自循环机匣处理可以获得可观的裕度改善,但轴向喷气位置对扩稳效果和压气机的气动性能均有显著...     

叶顶引气位置对自循环机匣处理扩稳能力的研究

为了探究自循环机匣处理的引气口位置在叶顶变化时对压气机稳定性的影响,以亚声速压气机孤立转子为研究对象,采用数值模拟的方法对3种叶顶不同引气位置的自循环机匣处理方案进行了扩稳能力的研究。结果显示,引气位置在叶顶沿轴向变化时,3种引气位置获得的流量裕度分别为5.43%,22.77%,18.23%,扩稳能力呈现出先增强后减弱的趋势,引气位置越靠近叶顶低速阻滞区核心,扩稳能力越强。对自循环机匣处理后的叶顶流场进行分析,可知在叶顶引气的自循环机匣处理的扩稳机理在于:通过抽吸叶顶处低速阻滞流体和抑制叶顶泄漏流动来改善叶顶区的流动状况,从而达到扩稳目的。     

槽式处理机匣几何结构参数的正交试验

针对一亚声速单级轴流压气机试验台,根据正交试验的要求设计了9种周向槽机匣处理结构.以其为载体系统地研究了槽式机匣几何结构参数对其扩稳效果的影响.正交实验结果表明:在两种换算转速下无需对所用可能组合的处理机匣结构进行试验,使用正交分析方法对试验结果进行分析都能成功预测扩稳效果最好的处理机匣结构型式.      

缝式机匣处理对对转压气机的扩稳机理

为探索缝式机匣处理在对转压气机中的适用性,采用数值模拟的方法研究了缝式机匣处理对对转压气机气动性能和稳定裕度的影响。通过分析缝式机匣处理对压气机总体性能和叶尖流场的影响,以揭示缝式机匣处理在对转压气机中的扩稳机理。研究表明：缝式机匣处理可以提高对转压气机的失速裕度,机匣处理的轴向位置对对转压气机的气动性能和失速裕度有显著的影响。随着机匣处理的前移,对转压气机峰值效率的亏损逐渐减小,而失速裕度改善程度相差不大。机匣处理缝的抽吸和射流效应减弱了转子R2叶顶通道的堵塞程度,通过抑制叶尖泄漏流和二次泄漏流的发展以推迟失速的发生,进而实现扩稳。此外,缝式机匣处理时可能改变该对转压气机的最先失速级,同时也证明了缝式机匣处理在变工况下扩稳的有效性。     

离心压气机自循环预旋喷气机匣处理的设计和验证

采用一种预旋喷气机匣处理提高离心压气机特定转速范围内的稳定裕度.通过引气加大离心叶轮进口基元级流量降低通道堵塞,并借助回流预旋喷气改变前缘攻角抑制叶背分离是该机匣处理扩稳的主要机理.基于这样的认识,对机匣处理做了几何参数设计研究,发现轴向搭接位置、搭接长度和开槽角度是影响机匣处理性能的3个主要参数.通过几何参数的合理选取,在尽量提高80%设计转速稳定裕度的同时兼顾100%设计转速的效率.压气机部件性能试验验证了该设计方法的有效性,并观测到在低转速时,机匣处理可以同时提高稳定裕度和效率.      

跨声速压气机叶片掠和机匣处理组合效应的机理研究

针对典型跨声速压气机转子，采用非定常数值模拟方法研究了叶片掠设计和机匣处理的组合作用对压气机转子性能的综合影响。分别探讨了转子前掠、后掠和掠叶片与机匣处理组合等形式对转子峰值效率和稳定工作裕度的影响效果和内在机制。研究发现，前掠转子与机匣处理组合能够以较小的效率损失（-0.56%）为代价获得最佳的扩稳效果；在前掠转子与机匣处理组合作用下，对间隙泄漏流的动量激励和叶顶低能堵塞流体的有效消除是组合机匣处理扩稳的本质原因。结果表明，采取前掠转子和机匣处理的组合形式，可以弥补前掠转子设计损失转子最大负荷的不足，同时以较少的效率损失代价充分发挥了机匣处理的扩稳潜力。     

不同轴向引气位置对自循环机匣处理的影响研究

针对转子失速时叶顶的具体流动情况,基于抽吸叶顶堵塞区低速流体的目的,设计了四种新的自循环机匣处理方案,探究其扩稳机理与常规自循环机匣处理的作用差异。数值计算选用Numeca Fine软件包的Euranus求解器,计算结果表明,通过抽吸叶顶堵塞区低速流体设计的自循环机匣处理结构,其达到的扩稳效果高于常规的自循环机匣处理。在优化设计中,当轴向引气位置位于转子叶顶堵塞区核心附近时,达到的扩稳效果最好,最大综合裕度改进量能达到15.00%。此外,本文还分析了自循环机匣处理后转子叶顶流场的差异,得出自循环机匣处理的扩稳机理在于把造成叶顶区堵塞流动的低速气流吸走,抑制了叶顶泄漏流动,改善了叶顶区的流动状况,以此来扩大转子的稳定工作范围。     

机匣处理的非定常数值分析

采用非定常计算方法对轴流式压气机中机匣处理的扩稳效果进行了研究.进行了某型风扇斜缝带背腔式机匣处理在单转子和单级环境下及Rotor37轴向缝式机匣处理的数值计算, 分析了下游静子的存在对机匣处理数值模拟结果的影响.结果表明该计算方法能够模拟出机匣处理的非定常作用, 并且只有当危险截面位于叶尖附近时, 机匣处理才有扩稳的能力.发现单转子环境下的计算不能准确地表现出机匣处理的真实作用, 下游静子的存在会导致上游转子危险截面位置的改变.      

失速先兆抑制型机匣处理研究进展

随着现代高负荷航空发动机推重比的不断提高,风扇/压气机流动稳定性问题日益突出,而机匣处理是目前最有效的扩稳技术措施之一。首先回顾了机匣处理扩稳设计的研究历程和所面临的技术困难,进而阐述了失速先兆抑制型(SPS)机匣处理的研究思路和基本原理。基于所发展的SPS机匣处理理论设计模型,针对亚声速风扇和跨声速压气机进行了扩稳效果评估,结果显示,可以使亚声速风扇TA36和跨声速压气机J69Stage的流量裕度分别提高7.6%和6.8%。然后通过实验验证了SPS机匣处理的有效性,亚声速风扇TA36和跨声速压气机J69Stage流量裕度分别提高5.5%和9.3%,综合失速裕度均能够达到12%以上。同时,SPS机匣处理在小穿孔率大背腔情况下能够保持压气机原有的压升特性、峰值效率以及叶片径向负荷分布。最后,通过对失速先兆演化过程的对比分析发现,SPS机匣处理基于波涡相互作用改变了动力系统的阻抗边界条件,抑制了流场中的失速先兆的非线性放大,从而抑制旋转失速的发生。SPS机匣处理扩稳技术明显有别于传统机匣处理力图改变压气机尖区流动结构的扩稳思路,也完全不同于主动控制技术对消失速先兆波的研究策略,该技术为风扇/压气机流动稳定性控制提供了一种可供选择的技术途径。     

带有机匣处理结构的叶栅流场数值计算

完成了一种数值计算带有机匣处理装置叶栅流动的方法。计算采用三维、非定常、可压缩Ｎ－Ｓ方程组及ｋ－ε紊流模型方程，选择３种典型的处理结构，周向槽式机匣、轴向缝式机匣、轴向倾斜缝式机匣为算例，并引入参数周向平均的概念，以与稳态实验测量的结果做定量对比，结果发现符合较好。本文为分析机匣处理的扩稳机理提供了理论基础，也为工程设计机匣处理装置提供了新的数值工具。     

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.