风车状态下转子性能及通道内流动分析

为探究低展弦比压气机转子在风车状态下由压气机模式向涡轮模式转化过程中性能、内部流场结构以及气动损失的演化过程,提出了一种基于叶片和流体间能量传递的简化数值计算方法,以获得某转速下的风车状态临界流量点。在数值模拟的基础上,重点对比了同一转速线上压气机工况点(小流量工况)、风车临界点和涡轮工况点下叶尖泄漏损失的演化机制,同时探究了叶片通道内流动分离的演化过程。 结果显示,随着转速的增加,转子风车状态临界流量呈现近似线性的变化趋势。而同转速下随流量增大,叶尖泄漏流从吸力面流向压力面,并与压力面上的低能量流体进行掺混,造成了流动堵塞。同时,从压气机模式转向涡轮模式的过程中,叶尖区域的流动分离从吸力面分离转变为压力面分离,随后分离强度和尺寸逐渐增大,造成的气动损失显著增加;而在轮毂区域,流动分离始终保持吸力面分离,其分离尺度沿径向有所发展。     

融合式叶尖小翼对低速压气机转子气动性能的影响

为了进一步揭示融合式叶尖小翼对压气机转子间隙流动的影响机理,采用数值模拟方法对低速压气机转子加装叶尖小翼控制间隙流动进行研究,着重考察了不同几何宽度及安装方式小翼对转子气动性能的影响。结果显示,叶尖小翼改变了转子中的泄漏涡轨迹,影响着叶片吸力面附面层的分离程度,适当几何宽度的压力面小翼可以在压气机转子效率略有降低的情况下使其失速点流量系数减小8.20%。     

叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子的影响研究

为了控制压气机转子叶尖泄漏流动,减少叶尖泄漏流和叶尖泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,针对小流量压气机进口跨声速转子进行了叶尖小翼的数值研究,探索了叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子性能的影响和对叶尖泄漏流的控制机理。研究表明,4倍压力面宽度的压力面叶尖小翼可以使得压气机转子的流量裕度增加24.5%;吸力面叶尖小翼和压力面叶尖小翼影响失速的主要因素不同,吸力面叶尖小翼增大了吸力面侧流体的逆压梯度,扩大了低速流体区域,压力面叶尖小翼通过降低叶尖负荷,从而减弱泄漏强度,减小了低速流体区域。     

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.      

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.      

亚声速轴流压气机转子轴对称机匣造型优化的数值研究

以西北工业大学某亚声速轴流压气机孤立转子为研究对象,提出了较为可靠的数值模拟方法,进而采用NUMECA软件包中DESIGN/3D软件块,在峰值效率工况下对该转子机匣进行了轴对称造型优化,最终得到优化转子.优化转子在叶片前缘将叶顶间隙泄漏涡推离叶片吸力面,虽然该结果导致前30%轴向弦长间隙泄漏涡涡量及流动损失有一定程度增大,但是在后70%轴向弦长,优化转子间隙泄漏涡的涡量与流动损失比原始转子有了很大程度降低,从而使得全局损失降低,峰值点效率提高,出口绝对总压增加.优化转子的峰值点效率提升约为0.36%,大流量点效率增加更多,但是近失速点会更早地形成叶顶低速区从而诱发失速,使得优化转子比原始转子稳定裕度略有降低.      

跨声速压气机转子旋转失速现象的非定常模拟

为研究跨声速压气机转子失速机理,全周非定常数值模拟了某跨声速压气机单转子的失稳过程。结果表明:该转子由叶尖Spike扰动诱发旋转失速。在小流量稳定工作状态,压气机转子叶尖区域存在"旋转不稳定"(Rotating Instability,RI)流动现象。压气机节流过程中,转子进出口的流量降低,叶尖区流场非定常波动幅值增大。近失速状态时,RI扰动团的典型流场结构"径向涡"在叶尖区域形成堵塞,导致相邻叶片前缘间歇性地出现溢流现象。随着压气机进一步节流,转子叶尖的负荷达到极值,叶片通道尾缘逆压力梯度过大,出现倒流。尾缘倒流的出现又进一步增加通道内的堵塞,最终形成Spike扰动。失速先兆对应的流场结构是沿叶片前缘额线向相邻叶片压力面周向运动的"径向涡"结构。     

不同转速下叶尖间隙流对跨声速压气机失速的影响

为了研究不同换算转速下叶尖间隙流对转子失速的影响,对不同工况下叶尖间隙流动的特点进行了分析,讨论了压气机转子叶顶两个低速区的形成机理,以及该转子在多种换算转速下的失速机制。研究表明,转子失速是近压力面前缘和吸力面尾缘两个低速堵塞区共同作用的结果。二者的形成都与泄漏涡关系密切,前者是泄漏涡受激波干扰破裂而形成,后者是吸力面气流在泄漏流、吸力面二次流以及激波相互作用下而形成。不同换算转速下压气机失速机制不尽相同:在70%~100%换算转速,压气机叶顶失速主要是由于叶尖泄漏涡与激波相互作用而破裂;在115%换算转速,失速的主要触发因素为径向涡导致吸力面附面层低速气流向叶顶堆积。     

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。     

斜流压气机串列转子流场特性分析

以斜流压气机串列转子为研究对象,运用CFD软件进行了数值模拟,获得了该压气机在100%和80%设计转速下S1流面流场、子午流场、阻塞工况及近失速工况的流场特性,为斜流压气机串列转子的设计和性能分析提供参考。研究结果表明:该斜流压气机在设计转速(69900 r/min)下超声速特性明显,特性曲线较陡峭;当转速小于80%设计转速时亚声速特性明显,特性曲线较平缓。随着转速的减小,压气机的稳定裕度逐渐增大。该斜流压气机串列转子叶根和叶中截面的损失主要来源于叶型尾缘的掺混损失和叶型吸力面的小范围激波损失;而叶尖截面的损失主要来源于叶型吸力面的大范围激波损失、激波与附面层的相互影响的损失和激波与叶尖泄漏流相互作用的损失。该斜流压气机进入近失速工况后,前排转子的激波强度进一步增大,并且叶间存在大范围低速区,造成流动损失进一步增大。     

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。      

低反力度跨声速转子的叶顶喷气扩稳数值研究

为进一步提高低反力度压气机的稳定工作范围，以某三级低反力度高负荷压气机首级跨声速转子为研究对象，借助三维数值模拟方法，进行了叶顶喷气扩稳研究，分析讨论了叶顶喷气提升低反力度压气机转子稳定性的机理，并探讨了不同喷气轴向位置对扩稳效果及气动性能的影响。结果表明：叶顶喷气通过削弱叶顶泄漏涡和通道激波的相互作用，抑制了转子近失速工况下泄漏涡的破碎，消除了叶顶通道的大面积堵塞，拓宽了转子的稳定工作边界；随着喷嘴的位置从叶顶前缘处沿轴向上游移动，转子的失速裕度提升量呈现出先增大后减小的趋势，综合扩稳效果和对压气机总性能参数的影响，最佳喷气轴向位置为叶顶前缘上游转子5%叶顶轴向弦长处；叶顶喷气改变了转子气动参数的径向分布，降低了转子上15%叶高范围内的负荷，同时也使得其它叶高区域的负荷提升。     

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。     

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。      

跨声速轴流压气机径向涡现象与失稳机理

对NASA Rotor 37进行数值模拟并与实验结果对比,计算了堵塞点到失稳点的全部工况,详细探究了跨声速轴流压气机附面层分离规律与失稳机理.研究发现:激波后的吸力面附面层中存在一条径向涡,它增强了附面层分离,使部分靠近吸力面的主流向叶尖堆积.随着工况向失稳点推进,压气机转子叶尖出现两块堵塞区,由叶尖泄漏涡与激波作用引起的堵塞区位于压力面前端,由叶尖泄漏涡与径向附面层分离涡耦合作用引起的堵塞区位于吸力面50%弦长后,两块堵塞区的叠加作用最终引起压气机失稳.      

Numerical Investigation of Inlet Distortion on an Axial Flow Compressor Rotor with Circumferential Groove Casing Treatment

On the base of an assumed steady inlet circumferential total pressure distortion, three-dimensional time-dependent numerical simulations are conducted on an axial flow subsonic compressor rotor. The performances and flow fields of a compressor rotor, either casing treated or untreated, are investigated in detail either with or without inlet pressure distortion. Results show that the circumferential groove casing treatment can expand the operating range of the compressor rotor either with or without inlet pressure distortion at the expense of a drop in peak isentropic efficiency. The casing treatment is capable of weakening or even removing the tip leakage vortex effectively either with or without inlet distortion. In clean inlet circumstances, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex cause the untreated compressor rotor to stall. By contrast, with circumferential groove casing, the serious flow separation on the suction surface leads to aerodynamic stalling eventually. In the presence of inlet pressure distortion, the blade loading changes from passage to passage as the distorted inflow sector is traversed. Similar to the clean inlet circumstances, with a smooth wall casing, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex are still the main factors which lead to the compressor rotor stalling eventually. When the rotor works trader near stall conditions, the blockage resulting from the tip leakage vortex in all the passages is very serious. Especially in several passages, flow-spillage is observed. Compared to the clean inlet circumstances, circumferential groove casing treatment can also eliminate the low energy zone in the outer end wall region effectively.     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

压气机转子通道内尖区三维平均流场

在低速大尺寸压气机试验台上,借助旋转四坐标全电动探针位移机构,用锥形五孔压力探针分别测量压气机设计状态和近失速状态转子通道内尖区的三维平均流场,揭示压气机转子通道内尖部的流动结构及其变化