大转角正弯扩压叶栅流场性能实验与数值研究

实验对不同冲角下三种叶型折转角环形压气机直、弯叶栅进、出口流场进行了详细的测量,并利用实验结果对数值模拟结果进行了校核,得到了详细的直、弯叶栅流道内的计算结果。结果表明,大折转角叶栅流道内旋涡由多涡结构向单一涡结构转变的趋势明显,叶片正弯使得流道内近吸力面的涡系径向掺混作用加强;叶展中部流动分离的加重导致集中涡系破裂,从而引起流道内气流的严重堵塞,这是损失激增的主要原因,因此,要在高负荷压气机叶栅中应用正弯叶片,必须有效抑制中部流动的恶化。     

压气机直、弯静叶Clocking效应实验研究

实验研究静叶Clocking效应对采用直、弯静叶的某低速双级轴流压气机气动性能影响.结果表明,随Clocking位置不同,上游静叶尾迹被输运到下游叶列流道中不同周向位置并与该列叶栅不同区域流体掺混是导致压气机性能变化的主要原因,且采用弯曲静叶的压气机性能随Clocking位置不同而变化的幅度要小一些.静叶Clocking位置固定时,采用弯静叶时压气机效率比直静叶时明显提高,且随流量减小而趋势显著,设计工况和近喘振点处分别约提高0.7%、3.5%.针对本文研究的压气机,综合静叶造型和Clocking效应影响,采用弯曲静叶的压气机设计点处效率最高可提高1.22%,最低提高为0.07%.     

压气机静子通道内的流场测量

为了研究根部间隙对压气机静子通道内流场的影响,设计了4根不同长度的“L”型五孔探针和1根四孔探针.通过位移机构带动上述探针,在最大流量和近失速两种工况下,对某双级低速轴流压气机的第1级静子通道内5个不同轴向位置截面进行了流场测量.实验结果表明:静子通道内总压损失主要是由叶尖附近角区分离以及根部泄漏流与主流的相互掺混引起的.静子通道内主要存在着上/下通道涡、叶尖角涡和泄漏涡等旋涡结构.      

弯扭管道引起的旋涡畸变对离心压气机气动性能的影响

为了研究弯扭管道进气产生的旋涡畸变对离心压气机气动性能产生的影响,采用数值模拟及实验的方法进行研究。首先明确了管道出口截面二次流场结构随扭转角度的演化过程,发现随管道扭转角度增大,旋涡结构在孪生涡和偏置涡之间变化;当扭转角度等于90°时,管道出口近似呈现团涡结构。研究表明,与孪生涡相比,近似团涡的旋涡形式对压气机性能的影响更显著。在设计转速下,当近似团涡的旋涡方向与叶轮转动方向相同时,压气机压比和效率的下降量约达25%,并减小了喘振流量;而旋涡方向与叶轮转动方向相反时,压气机性能无明显变化,喘振流量同时增大。通过阐述不同叶高气流旋涡角度、旋涡强度与相对气流角之间的关联关系,发现叶轮进口气流旋涡在不同叶高位置上的旋涡角度和强度改变了叶片前缘相对气流角,进而对进气攻角产生明显作用。     

小尺寸无静叶对转风扇/压气机气动设计与变工况性能分析研究

无静叶对转风扇/压气机能有效减小发动机陀螺力矩,在轴向长度方面具有优势。然而,无静叶往往导致下游叶片攻角变化较大,变工况性能难以保证,且这一特点随叶尖切线速度的增大而恶化。本文利用小尺寸涡扇发动机风扇叶片根部周向速度较低的特点,尝试对其进行风扇与压气机无静叶对转方案设计。通过速度三角形分析了无静叶对转风扇/压气机的性能特点,开发了无静叶对转风扇/压气机一维设计程序进行参数方案的筛选优化,设计得到小尺寸无静叶对转风扇/压气机构型方案,设计点效率为85.1%,压比为3.16。结果表明,对转压气机的下排叶片相对进口气流角的变化范围较常规转叶+静叶相对进口气流角范围更小,而对转下排叶片的进口速度却将增大1.5～3倍,因此,需要合理选择对转风扇/压气机的轮毂比及转速比,才能保证对转风扇/压气机变转速工况下的设计点效率及失速裕度。减小对转风扇/压气机转速比有利于提高设计点效率和裕度,但本文受发动机总体指标限制,对转速比选择进行了折中。     

高负荷压气机叶栅内三维旋涡结构及其形成机理的研究进展

压气机内的三维流场中存在着复杂的旋涡运动及气流分离,这些复杂的流体运动影响着压气机的高效及稳定运行,有必要了解并掌握压气机内旋涡结构的产生与发展机理。本文首先回顾了叶轮机械内经典的旋涡模型,重点综述了压气机叶栅旋涡模型的研究成果。然后,详细介绍了在矩形扩压叶栅和跨声速压气机静叶的旋涡结构方面取得的阶段性研究成果,分别讨论了三维旋涡结构的三种研究方法,验证了数值计算获取叶栅旋涡结构的可靠性,阐述了高负荷矩形扩压叶栅旋涡结构与流动损失的关联性,建立了跨声速压气机静叶三维定常旋涡结构模型,揭示了压气机静叶失速过程的涡动力学机理,并分析了非定常因素对静叶旋涡结构的影响规律。最后,针对今后在压气机旋涡结构的发展中会遇到的技术挑战和未来的发展方向做了几点展望。     

非轴对称静子对压气机气动性能的影响

为降低进气畸变对压气机气动性能的影响,设计了 1种压气机非轴对称静子,并对设计方案开展数值模拟研究。仿真结果表明:在最高效率工况下,非轴对称静子能减小畸变区静叶的流动分离,缩小叶尖低密流区域,提升通道的流通能力,压气机的最高效率约增加 0.46%,此外,畸变区叶片进口气流角得到改善,在 90%叶高处的峰值气流角降低 2.5°;在近失速工况下,非轴对称静子能降低畸变区静叶上半叶高的扩压因子,缩小分离范围,虽略微恶化了叶根区域流场,但压气机整体气动性能与流通能力有所提升,能够在更低的流量下工作,稳定裕度增加 31.5%。     

端区流动对跨声速压气机失速影响的数值研究

为了揭示近失速工况下动叶间隙和静叶角区的复杂流动结构,探索诱发压气机失速的主要因素,对高负荷跨声速压气机开展数值研究,获得了整级压气机和单转子的特性曲线,进而对压气机的流场进行了详细分析。结果表明:对于研究对象,失速最先起始于静叶上角区。上角区完成由开式分离到闭式分离的转变过程,可以认为是静叶发生失速的标志。在近失速工况下,动叶叶尖泄漏涡发生"泡式破裂"堵塞流道,泄漏涡破裂引起的堵塞作用一直从叶顶延伸至70%叶高左右。     

单转子压气机出口三维流场紊流特性

单转子压气机设计状态出口叶尖通道中部、叶根吸力面角区和转子尾迹内具有较强的紊流脉动,泄漏涡是造成尖部气流掺混的主要因素。近失速状态通道内气流脉动明显增强,并沿周向和径向呈现出较大的梯度,叶尖通道中部的紊流强度分布证实了气流剧烈交混的发生,0.87 叶高和0.25 叶高吸力面附近的强紊流中心来源于叶背附面层分离形成的旋涡。在出口测量截面上紊流强度3 个分量的最大值,径向分量最大,轴向分量次之,切向分量最小。      

端弯联合弯叶片对叶栅旋涡结构和气动性能的影响

为了研究弯叶片弯角、端弯弯高和端弯弯角三个参数对扩压叶栅流道内的旋涡结构和气动性能所造成的影响大小和交互作用的主次顺序,以环形扩压叶栅为研究对象,通过正交试验设计的方法,对试验结果进行分析。结果表明,存在一个最佳弯叶片弯角以平衡集中脱落涡和壁角涡对叶栅出口总压损失分布的影响;弯叶片弯角的提高会导致壁角涡减弱并且涡核靠向端壁,集中脱落涡增强并且涡核靠向流道中部;旋涡结构的变化进而导致端部高损失区域损失减小并且靠向集中脱落涡涡核,流道中部损失增厚并且向中部收缩。端弯的弯高和弯角对角区的影响明显强于流道中部;壁角涡强度的提高导致端部损失的增加;集中脱落涡涡核向端壁移动,导致流道中部损失向端区扩散,但损失减小有限。     

变轴向间隙下压气机近失速工况时弯曲静叶改善流场的实验研究(英文)

The outlet flow fields of a low-speed repeating-stage compressor with bowed stator stages are measured with five-hole probe under the near stall condition when the rotor/stator axial gap varies. The performances of the straight stator stages are investigated and compared to those of the bowed stator stages. The results show that using bowed stator stages could alleviate the flow separation at both upper and low corners of the suction surface and the endwalls, and decrease the losses along the flow passage as well as the outlet flow angle. As the rotor/stator axial gap decreases, although the diffusion capacity of the compressor increases obviously, the outlet flow field in the straight stator stages deteriorates quickly. By contrast, little changes occur in the bowed stator stages, indicating that as the rotor/stator axial gap decreases, improved performance is achieved in the bowed stator stages.     

跨声速风扇的弯、掠三维设计研究

以某小型跨声速单级轴流风扇为平台,采用数值模拟的方法,研究并探讨了弯、掠三维设计技术对具有较高负荷的跨声速轴流压气机性能改善所起到的作用和抑制流动损失增加的机理.分别探讨了在动叶上半叶高和静叶端区采用不同的弯、掠形式对风扇设计点以及等转速线上的小流量工况性能的影响.研究结果表明:动叶上半叶高采用反弯设计能够有效改变动叶端区压力梯度,减少泄漏流在出口压力面侧的堆积,增加动叶顶部的通流能力.静叶端区采用前缘反弯和尾缘正弯的复合弯、扭技术,同时实现了端区增容和控制二次流发展的目的,随着流量的减小,弯、扭设计静叶更好地控制住了端区二次流的恶化,端区损失增长明显较直叶片缓慢,风扇的稳定工作范围得到提高.      

大转角涡轮叶栅复合弯曲定性分析与应用验证

通过定性推导分析了复合弯曲对叶栅吸力面静压分布与端部周向迁移流体折转过程的影响,明确了复合弯曲对大转角高负荷平面涡轮叶栅流场的影响机制,并结合已有仿真结果进行了初步验证.复合弯曲是在反弯叶片吸力面端部进行局部正弯,令叶片压力面反弯、吸力面端部正弯结合叶身反弯的造型方式.研究表明,复合弯曲设计通过改变吸力面低能流体的展向...     

低雷诺数下压气机的二次流旋涡结构

为了探究高空低雷诺数条件下跨声速压气机的流动规律,对NASA Rotor37进行单通道数值模拟,探索其在低雷诺数进气条件下二次流的旋涡结构.研究发现:马蹄涡压力面分支诱发压力面角区诱导涡,壁角涡形成了顺流和逆流的两段式结构,脱落涡由叶根角区发展起来后不断从尾缘脱落,泄漏涡近失速点仅局部破裂不是失稳触发的主要原因.通道中的激波系诱发了吸力面和压力面的两个径向涡,压力面径向涡构成闭合的气泡式分离,吸力面径向涡在叶顶的破碎诱导产生分离涡,触发了低雷诺数下压气机的失稳.流场旋涡结构由马蹄涡、壁角涡、径向涡、泄漏涡、分离涡、脱落涡6个大尺度旋涡以及其他小尺度旋涡组成.      

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。      

Multi-scale nature of non-blade-order propagating flow disturbances in axial compressors

Non-blade-order flow disturbances, also referred to as pre-stall disturbances or tip flow unsteadiness, are closely related with compressor instabilities. The present work provides a comprehensive investigation on multi-scale nature of non-blade-order disturbances and the underlying flow physics in axial compressors. By applying full-annulus Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) simulations, along with space–time correlation and spatial Fourier decomposition, to the disturbed pressure, the propagating feature of the non-blade-order disturbances is obtained. Further, a bridge between non-blade-order disturbances and the evolution of unsteady vortex has been set up. The results show that non-blade-order disturbances, featured as short-length-scale (35 modes across annulus), first appear as the occurrence of tip leakage vortex fluctuation, while the compressor still operates far from stall. Leading-edge radial vortex appears at near stall condition, and its movement induces a circumferential propagating disturbance overlaying on the one induced by oscillating tip leakage vortex. The interaction of the short-scale disturbances with a low-amplitude long-scale (of circumference) disturbance is observed, which results in disturbances with multiple scales of consecutive spatial modes, along with multiple frequency peaks in spectra. The compressor falls into stall as the circumferential nonuniform scattering of the leading-edge vortexes occurs. The densely- and sparsely-scattered leading-edge radial vortexes induce a high-amplitude long-scale (of circumference) disturbance, i.e. stall disturbance.     

正弯涡轮叶栅内旋涡结构的数值模拟

对某型涡轮正弯及直叶栅流场进行了三维粘性求解。给出了马蹄涡及通道涡的详细演化过程。通过对弯直叶栅两类流场拓扑结构上的差异分析,指出与直叶栅相比采用合适的弯角后正弯叶栅有利于形成稳定的通道涡,并且在相当大的轴向弦长范围内保持着这种稳定的涡结构。并将其对损失的影响进行了分析     

间隙变化对压气机静叶叶栅气动性能的影响

利用压气机平面叶栅试验,在大负攻角工况、设计工况和角区失速工况下,研究间隙变化对叶栅气动性能的影响,并分析内部流动变化与气动性能变化的关联。试验结果表明,不同工况下间隙变化对流场结构的影响不同,因而对叶栅性能的影响规律也不同。大负攻角工况下,不同间隙叶栅内在压力面前缘附近都存在一对由端壁向叶展中部发展的分离涡,间隙增大可以使叶栅总损失近似线性减小,并使间隙侧气流折转能力略微提升。设计工况下,无间隙侧吸力面角区存在轻微的角区分离,小间隙（0.2%展长）的引入首先会加剧间隙侧角区分离,当间隙进一步增大时,角区分离消失并形成泄漏涡结构。叶栅总损失随间隙增大呈先增大后减小再增加的趋势,角区分离的消除有助于提高间隙侧气流折转能力。角区失速工况下,间隙的引入可以削弱并移除间隙侧角区失速结构,从而使叶栅总损失下降,并在0.5%展长间隙时达到最小值,同时间隙侧气流折转能力得到增强。当间隙进一步增大时,叶栅损失变化不大。在间隙变化过程中,两侧端部流动结构产生相互影响,使两侧流场性能变化呈相反趋势。通过对比全工况范围内的气动性能,叶栅在选取0.5%展长间隙时整体性能最优。     

低速压气机不同静叶弯角对流动特性影响的数值模拟

本文采用全三维粘性数值模拟方法研究了重复级低速压气机不同静叶弯角对流动特性的影响。计算结果表明,静叶弯曲能有效地控制静叶端壁区二次流动,降低端壁区流动损失,特别是有间隙的根部区流动。因此,静叶弯曲后改善了近失速点的流动,扩大了低速压气机的稳定工作范围。另一方面,静叶弯曲促使端壁区的低能流体向叶片中部迁移,使得叶片中部附近的损失增加,从而效率降低。叶片弯曲的同时叶片表面积增大,使得叶片表面摩擦损失增加。几方面原因导致静叶弯曲存在一个最佳角度,本文数值计算结果表明弯角为10°附近流动效率最高