带90°弯管的离心压气机进口畸变数值研究

采用数值模拟计算的方法研究了90°弯管对离心压气机进口流场产生的畸变,并对比了两种弯管在不同轴向位置时其内部流场的区别,分析了弯管所致的进口畸变造成压气机性能下降的原因。结果表明,弯管畸变对离心压气机性能的恶化程度与弯管所在位置有关,距离叶轮进口较远的弯管影响较大。与无弯管相比,弯管造成叶轮进口的流场紊乱。畸变引起压气机性能在大流量时有明显降低,在小流量时恶化程度较小。这是因为流量增大时,进口畸变的作用增强,可以一直发展到蜗壳入口,并与舌部引起的周向畸变联合作用导致压气机性能下降。流量减小时,进口畸变的影响会减弱叶轮流道中的损失,有利于保持近失速状态下的压气机性能。      

Mechanism of stall and surge in a centrifugal compressor with a variable vaned diffuser

To expand the stable operating range of compressors, understanding the mechanism of flow instability at low flow rates is necessary. In this paper, the mechanism of stall and surge in a centrifugal compressor with a variable vaned diffuser is experimentally investigated, where the diffuser blade setting angle can be adjusted. Many dynamic pressure transducers are mounted on the casing surface of the compressor. From the design condition to surge, dynamic pressure data is recorded throughout the gradual process. According to the signal developing status, the typical modes of compressor instability are defined in detail, such as stall, mild surge, and deep surge. A relatively high-frequency stall wave originates in the impeller and propagates to the diffuser, and finally stimulates a deep surge in the compressor. The compressor behavior during surge differs at different diffuser vane angles. When the diffuser vane angle is adjusted, both the unstable form and the core factor affecting the overall machine stability change. A specific indicator is proposed to measure the instability of each component in a compressor, which can be used to determine the best region for stability extension technologies, such as a holed casing treatment, in different compressor applications.     

稳态联合畸变下多级轴流压气机的气动稳定性分析

发展了一种分析稳态压力 -温度联合畸变下多级轴流压气机气动稳定性的逐级平行压缩系统模型。导出了基于双对角线格式的数值预测方法。对三级实验压气机进行数值分析后 ,给出了压气机进口稳态压力、压力 -温度联合畸变与压气机稳定裕度损失之间的定量关系 ;并给出了压气机失稳首发级的识别方法。     

非对称端壁造型对离心压气机性能的影响

非对称端壁造型应用在轴流压气机和涡轮中具有较好的提高效率的作用。为了探究非对称端壁造型对离心压气机性能的影响,借鉴非对称端壁造型在轴流压气机中的设计经验,借助Autoblade和CFX商用软件,设计了四种非对称端壁造型结构,并对带叶片式扩压器的离心压气机展开数值计算研究。研究发现,与原型压气机相比,采用压力面附近为凸曲率形状、吸力面附近为凹曲率形状的非对称端壁造型结构PEW1_10%(profiled end wall 1_10%)可以在保证全工况效率不降低的情况下,使离心压气机的性能曲线向小流量和大流量均有拓展,稳定工作范围扩大11.8%。通过分析流场发现,在近喘振工况,非对称端壁造型PEW1_10%使扩压器通道内流量重新分配,吸力面附近径向速度增大,低能流体减少,改善了扩压器通道的流动状况,进而推迟喘振的发生。     

离心压气机进气流场研究及控制

对某车用增压离心压气机进行了三维数值模拟,研究了离心压气机设计点和不同转速下近喘振点进气流场,基于此提出了离心压气机进气轮盖导叶流场控制措施并进行了验证实验.研究表明:离心压气机近喘振点压力面与吸力面压力差异影响到进气流场,导致进气口轮盖附近出现与叶轮转向相反的切向速度;且从低转速到高转速,该与叶轮转向相反的切向速度逐渐增大;离心压气机设计点进气在叶片压力面和吸力面前分别形成与叶轮转向相反和相同的切向速度区域,该区域不限于轮盖附近.轮盖导叶的流动控制方法可以有效抑制近喘振点切向反速度,实验结果表明,轮盖导叶使得离心压气机整体性能得到了提高,在90000r/min近喘振点压比提高了3.4%,效率提高了3.0%.      

进口管道对离心压气机性能影响的数值模拟

用数值模拟研究了不同进口管道对离心压气机性能的影响.计算模型包括进口管道、离心叶轮、无叶扩压器、蜗壳和出口管道.计算结果表明, 不同的进口管道导致离心压气机的实际性能曲线明显变化.当进口管道较长和直径较小时, 其对应的压比和效率较低, 堵塞流量较小, 这是因为进口管道改变了进口处的攻角条件.如果比较压气机的折合性能, 则进口管道的影响相对较小, 但当进口管道较长以及直径较小时, 对应的折合堵塞流量仍然较小.      

双轴涡喷发动机地面台架进气畸变试验

 介绍进气总压畸变对双轴涡喷发动机性能和稳定性影响的试验及其结果。试验在地面台架进行。发动机为低压和高压各三级、中等增压比加力式双轴涡喷发动机。 稳态周向压力畸变由90°扇形纱网造成。测定了不同堵塞比的纱网或叠合纱网产生的畸变幅度随发动机空气流量的关系曲线。 在有畸变和无畸变条件下,对装有两种不同展弦比的第一级超音级压气机叶片的发动机,分别测定喘振边界线和工作线,给出低压和高压压气机喘振裕度变化规律,对比试验结果进行了初步分析。 改变发动机喷口面积比由100～142％,在三种畸变和无畸变条件下进行了充分的稳、动态试验,发动机未出现不稳定工作情况。给出无畸变时工作线随喷口面积比变化曲线。 试验采用公司自行设计调试成功的燃油阶跃装置,逼喘双轴涡喷发动机42次。分别获得高压和低压压气机喘点84个以及进喘过程的示波曲线,简要分析了喘振过程参数变化特征。     

离心压气机管式扩压器研究进展及评述

紧凑高效的扩压器设计非常具有挑战性,成为制约高压比离心压气机应用于工程实际的主要技术障碍。管式扩压器是解决高压比离心压气机扩压器设计难题的有效手段。目前管式扩压器已经在国外先进中小型航空发动机中得到了应用,有效地提升了离心压气机性能。本文从管式扩压器设计参数对压气机性能的影响以及管式扩压器内部复杂流动机理研究两个方面对管式扩压器的国内外研究进展进行了回顾,讨论了管式扩压器内部流动机理及其对离心压气机性能的影响,并指出了管式扩压器研究的发展趋势。     

局部喘振的发生机理

为了深入研究高负荷压气机的失稳机制,明确失稳先兆局部喘振现象的发生机理,总结了某跨声压气机在均匀进气不同工作转速下失稳过程的实验结果,继而对其在进气畸变条件的失稳过程开展实验和数值研究.结果发现:在均匀进气条件下,局部喘振在低转速时并未发生,而发生于高转速情况下,推断局部喘振的发生与压气机叶根区域的相对高负荷有关.随后在高转速下降低叶根负荷,则局部喘振现象不再发生;而在低转速下升高叶根负荷,则局部喘振现象发生.所以得出结论,压气机叶根相对高负荷确实为局部喘振的发生条件.对于所研究的压气机,如果近失速点叶根扩散因子超过0.6,则会发生局部喘振现象.      

U型进气管道对某离心压气机性能的影响

采用实验和数值模拟的方法研究了U型管道进气对某离心压气机性能的影响.实验结果显示,相比直管进气,U型管道进气在大流量工况下显著降低了压气机性能,压比、效率的下降量分别可达10%和18%以上.数值分析表明:U型管道进气时,其出口产生静压和总压畸变;压气机下游蜗壳因几何周向不均而存在相应的压力畸变,该畸变沿叶轮槽道向上游传播的过程中与进气畸变发生耦合.这种耦合作用改变了叶轮进口的流场结构,使叶轮槽道流量分布发生变化,叶轮对应畸变区域的熵值增加;同时还改变了叶片表面静压的分布形式,使整个叶轮主叶片的平均载荷增大约8%.      

基于台架试验的涡轴发动机喘振发生位置规律

为了探究某型涡轴发动机喘振发生位置规律,采集并分析了台架喘振试验时进气道、轴流压气机叶尖、轴流压气机出口和离心压气机出口的压力信号。采用连续小波时频变换对压力信号进行特征提取,以小波系数作为喘振信号特征,阈值为小波系数最大值的10%,结果表明:某型涡轴发动机的轴流压气机总是比离心压气机先发生喘振,喘振在轴向上由进气道向离心压气机传递的同时,在周向上也沿着压气机转子叶片旋转方向传递。对某型号发动机进行实时喘振监测时,监测轴流压气机能比监测离心压气机更早发现喘振,在后续某型涡轴发动机改型设计时,可增加轴流压气机的喘振裕度来提升整机防喘能力。      

动态压力畸变下压缩系统稳定性分析

基于逐级压缩系统模型，发展了一种动态压力畸变下压缩系统失稳识别的数值预测方法。应用方法对一多级轴流压缩系统进行了数值分析。给出了动态压力脉动频率与压缩系统失稳首发级及不稳定发生时间之间的定量关联关系。     

某型发动机对畸变进气响应的流动耦合分析

建立了畸变进气下某型双轴发动机高压压气机，扩压器间流动耦合模型，完善了畸变进气对发动机稳定性影响模拟方法。数值模拟结果表明，考虑耦合影响给出的高压压气机出口静压畸变与其总压畸变不仅相位相反，而且随进口总压畸变强度变化而变化。据此所给出的高、低压压气机畸变响应和发动机推力响应特性也与进气道，发动机相容性理论相符合。     

双涵道S形弯管气动性能的数值研究

环型双涵道S形弯管是涡轮风扇发动机中连接风扇和高压压气机的重要部件。采用有限容积法对双涵道S形弯管在不同进气条件下的流场进行了数值研究。计算过程中使用两种不同的湍流模型：标准k-ε模型和雷诺应力模型。通过对比可以发现两种湍流模型的计算结果有着明显的差别,尤其是在存在较强剪切应力的区域。此外,还对不同的进气条件（环形管流和均匀来流）对S弯管流场的影响进行了分析。可以看出,不同进气条件中附面层速度剖面的不同能够影响S弯管中轴向速度的分布与发展。     

深度喘振倒流在离心压缩机系统中的发生特征

建立了一个低压离心压缩机喘振实验台，使用热线风速仪等动态测试手段在级出口管段及储气槽部位，对各流量工况下的喘振脉动波形进行了测量，观察了喘振发生倒流的部位及特点，从而解释了深度喘振倒流的发生机理。同时也证实在深度喘振工况下，气流的可压缩性是非常重要的流动特征。     

进气畸变对轴流压气机性能影响的准三维计算

为了提高分析进气畸变对轴流压气机气动性能和稳定性影响的能力,发展了一种沿叶高将压气机分割为若干个子压气机、采用二维可压缩非定常的Euler方程描述各子压气机回转面上无叶区的流动,并利用二维可压缩"激盘"取代各子压气机的转子和静子叶排的预测进气畸变影响的准三维模型。稳定边界的确定采用Koch的最大失速静压升系数法,并引用了临界畸变角的概念。计算分析了总温畸变、总压畸变以及总温 总压组合畸变沿多级轴流压气机的传递和对压气机性能和稳定性的影响。计算结果与现有的实验数据十分一致。     

某型双轴涡喷发动机在高空台试车“放炮”故障分析及排除

本文介绍进口流场畸变对发动机稳定性的影响.文章针对某型双轴涡喷发动机在湍流型动态畸变流场条件下压气机喘振放炮的实例,重点分析了该发动机在高空台喘振放炮的原因及其排除故障的方法.增设气动格栅和收敛段整流装置可使进口流场较为均匀,使涡喷发动机在高空台地面进气流场下工作稳定可靠.     

Effects of the radial blade loading distribution and B parameter on the type of flow instability in a low-speed axial compressor

Previous studies showed that an axisymmetric hub-initiated disturbance defined as partial surge may initiate the stall of a transonic compressor; to reveal the instability evolution under full-span incompressible flow for different levels of hub loading and B parameter, an experimental investigation is conducted on a single-stage low-speed compressor. Experimental results show that under a uniform inflow condition without inlet flow distortion, a modal-type stall inception dominates in this low-speed compressor. When an inlet screen introducing hub distortion is used to increase the hub loading, a compressor stall is initiated by a modal wave, but large disturbances are present in the hub region before the compressor stall, which become stronger as the hub loading increases. Under high hub loading and large B parameter (implemented by adding hub distortion through an inlet screen and enlarging the outlet plenum volume, respectively), a compressor stall is triggered by an axisymmetric hub-initiated disturbance, which is much different from the modal-like disturbances. The beginning of this axisymmetric disturbance may be captured over 800 rotor revolutions prior to the onset of stall, and the amplitude grows with time. The disturbance is hub-initiated because the disturbance signal at the hub is detected much earlier than that at the tip; meanwhile, the frequency of this axisymmetric disturbance changes with the length of the inlet duct. The characteristics of instability evolution in the low-speed compressor are also compared with those in a transonic compressor.     

脉动背压下涡轮增压离心压气机入口流场试验

为了研究离心压气机在强脉动背压下的入口流场分布,研制了用于非定常流场测量的全自动二维步进装置。使用该装置结合一维热线风速仪测量了不同脉动频率、时均流量下离心压气机入口非定常流场分布。结果表明：背压脉动时,离心压气机入口速度与气流角在周向及径向分布形态均随背压变化呈大幅周期性振荡,且气流角在叶尖处的变化幅度显著高于叶根处。蜗壳上游周向角区内轴向速度显著低于下游,且该周向畸变强度随频率及时均流量增加而增强。径向气流角最大差异出现在约85%叶高处:小流量时最大气流角差异为8°,大流量时为12°。研究探明了脉动背压工况下离心压气机入口流场的非定常演化规律,为针对实际工况的压气机优化设计理论提供了试验基础。     

进口总压径向畸变对离心压气机性能的影响

本文介绍了进口总压径向畸变对某离心压气机性能影响的试验研究。通过试验录取了进口有/无畸变时离心压气机的性能,并对试验结果进行了对比和分析,讨论了进口总压径向畸变对离心压气机性能的影响。