压气机旋转不稳定性的研究进展

在压气机运行过程中,旋转不稳定是一种常见的流动不稳定现象.研究旋转不稳定性对保障压气机安全高效工作具有重要意义.首先回顾了旋转不稳定性研究的发展历程,从概念特征、产生机制和影响因素等方面进行了介绍.从现有的研究情况来看,旋转不稳定性与叶顶泄漏流有关的动力学模式或者与剪切层不稳定性有关.随后,梳理了旋转不稳定性的若干研究...     

离心压气机无叶扩压器旋转失速实验研究

人们通常把呈现准同步的旋转速度脉动这种不稳定流动现象定义为旋转失速。当压气机的流量减小到一定程度会出现这种现象。它使得压气机的性能下降,甚至可构成激振源,限制了压气机的运行范围。因此研究失速的特征对设计和运行压气机有一定的指导意义。      

轴流压气机角区分离的研究进展

角区分离是一种常发生于轴流压气机"吸力面-端壁"角区的三维分离现象,该现象以及随之产生的流场堵塞和流场损失会对压气机的稳定工作和效率造成不良影响,严重时会发展为"角区失速"。随着现代轴流压气机单级负荷的提升,角区分离所产生的负面影响日益突出,严重阻碍了高负荷压气机的发展,各种主动、被动流动控制方法也因此被广泛应用于角区分离的流动控制。首先,从角区分离对轴流压气机性能的影响、角区分离的流场特征和角区失速的判别准则3个方面对轴流压气机角区分离的流动机理研究进行了回顾,详细讨论了角区分离的影响因素、角区分离的流动拓扑分析以及角区失速的定义与判别方法。其次,对三维叶片设计、翼刀与凹槽、旋涡发生器、非轴对称端壁造型、射流式旋涡发生器、等离子体气动激励以及附面层抽吸与附面层射流7类流动控制方法的研究进展进行了回顾,重点探讨了这些流动控制方法在抑制角区分离方面的应用,并给出了这些流动控制方法的对角区分离的作用机制。最后,对角区分离领域的研究现状进行了简要地总结,指出了现有角区分离的机理研究和流动控制研究所存在的不足,并对该领域未来的发展进行了展望。     

跨声速压气机转子叶尖非定常流动的数值模拟

为了进一步加深对转子叶尖区域非定常流动现象的认识,针对某一跨声速单转子轴流压气机,采用三维非定常数值方法开展了详细研究。对单转子在不同进气条件以及不同工作流量下分别进行非定常模拟,来研究该转子叶尖区域复杂流动结构以及叶尖非定常流动的发展过程。结果表明:不同进气条件下,转子叶尖区域流场结构形式表现不同.当进口非轴向进气时,叶尖非定常流动呈单通道周期形式;而轴向进气时,叶尖区域出现了类似于“旋转不稳定”的沿周向传播的非定常流动现象,且随着工作流量的减小,叶尖区域流场结构也相应发生改变.      

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘开槽流动机理研究

扩压器前缘几何结构直接决定着扩压器的性能和内部流场特性,为进一步拓宽离心压气机的稳定工作范围,以高负荷离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟方法开展扩压器叶片前缘开槽流动机理研究,详细讨论了扩压器开槽对压气机性能及内部流动影响的机理。研究结果表明,扩压器叶片前缘开槽能够在保证离心压气机性能基本不变的前提下,使其失速裕度提高13.5%,与原型扩压器相比,扩压器叶片前缘开槽所诱导的间隙泄漏流能有效抑制扩压器通道内的流动分离,从而提高了离心压气机的稳定裕度。     

低速离心压气机非稳态流和机匣处理的数值分析

机匣处理能够改善压气机稳定裕度,扩大其稳定工作范围。为了验证并分析其扩稳机理,对带沿气流流向槽的低速离心压气机内部进行了全三维数值模拟,将数值计算结果与实验结果进行了比较,并详细对比分析了实壁机匣和机匣处理后离心压气机转子顶部区域流场结构,以及阐述了机匣处理对叶顶间隙泄漏涡和二次流等非稳态三维紊流流动的影响。     

间隙流触发压气机内部流动失稳机制及周向槽扩稳机理

利用高频响动态压力传感器对某低速轴流压气机转子的失速先兆和顶部流场进行了详细的测试,探明该压气机内部存在与叶顶间隙泄漏流相关的突发型失速先兆,对压气机转子内部流场进行了单通道定常和非定常数值模拟,详细分析了压气机内部流动失稳过程中顶部流场结构的变化,揭示顶部间隙泄漏流触发轴流压气机内部流动失稳机理.在此基础上,利用周向槽处理机匣结构对顶部间隙泄漏流进行控制,并探讨了周向槽处理机匣结构提高压气机稳定工作裕度机理.      

旋转失速状态下静子叶排的新认识

测量了孤立转子及单级轴流压气机的旋转失速起始边界、旋转失速后续性能及其流场结构以及整个压缩系统的不稳定形态。讨论了单级轴流压气机中静子叶排对各特征参数的影响, 分析了旋转失速状态下静子叶排所起的作用。通过分析指向静子叶盆的滑移速度, 讨论了旋转失速状态下静子叶排加入后各性能参数的变化趋势, 解释了单级压气机所固有的一些性质。      

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。     

周向槽调控轴流压气机非定常间隙泄漏流机理初探

以某压气机转子为载体,针对其顶部间隙泄漏流的非定常特性,设计了一种周向槽处理机匣,利用数值模拟的方法研究了其对压气机转子性能及顶部非定常间隙泄漏流动特性的影响,结果表明:该处理机匣的引入能够在不恶化压气机性能的前提下使得其流量裕度提高约6.5%。与实壁机匣结构相比,周向槽处理机匣减小了间隙泄漏流轴向动量,抑制了叶顶间隙泄漏流非定常性的出现,从而提高了压气机的稳定工作裕度。     

压气机叶栅角区分离中速度PDF双峰现象的DES数值模拟

为了研究在实验中发现的角区分离区域内速度概率密度分布(PDF)双峰现象并探索其机理,利用脱体涡模拟(DES)对压气机叶栅中角区分离流动进行数值模拟,成功模拟出双峰现象,并讨论了双峰现象的可能机理。DES模拟结果中,双峰点位置以及内外峰随双峰点位置变化而此消彼长的发展趋势与实验结果一致。对来流攻角脉动特性的分析表明,角区分离中双峰现象与叶栅前缘附近非定常来流和角区内分离流动的相互作用有关。     

轴流压气机旋转失速与喘振的实验研究

本文运用热膜和动态三孔针对孤立转子和多级压气机的旋转失速和喘振现象作了详尽的试验研究。基于频谱中多种频率并存的事实,提出翼型分离导致两类自激振荡的论点。根据多级压气机的试验结果,对其稳定工作边界的性态作了分析和讨论。      

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。     

基于分岔理论的轴流式压气机旋转失速主动控制技术

旋转失速是轴流式压气机的一种基本气动不稳定工作现象, 首先通过对Moore-Greitzer压缩系统模型的非线性动力学分岔分析, 发现旋转失速是由亚临界的音叉分岔所造成;其次提出了一种基于分岔理论的非线性主动控制算法, 采用压气机压比作为输入测量信号, 节流阀位置作为输出激励信号;最后采用分岔软件AUTO进行了计算机数值仿真, 仿真结果表明, 提出的非线性主动控制算法使得音叉分岔由亚临界转变为超临界, 从而消除了旋转失速迟滞环, 以及扩大了压气机的稳定工作范围.此外, 由于控制系统仅仅需要一维布局的传感器和激励器, 因此同时具备了较好的工程应用前景.      

基于高效特征值分析方法的旋转失速先兆预测

旋转失速限制了压气机稳定工作的范围,对其进行深入理解并实现准确预测是控制失速、提高裕度的关键。现有模型大多基于一定程度的几何和流动简化,不考虑三维效应及流动复杂性,直接应用于三维压气机失速预测时仍面临巨大挑战。同时,尽管试验测量和模拟仿真水平不断提高,试验和数值模拟多为唯象研究,缺乏对压气机流动失稳根本原因的揭示。此外,由于三维复杂流动精细化测量和高保真模拟的复杂性,大多数失速研究针对某一压气机若干孤立工况开展,缺乏系统的参数化研究,难以提炼出旋转失速关键影响因素。为弥补试验测试空间分辨率低和非定常流动模拟成本高的缺陷,提出了一种基于三维流动方程高效特征值求解的全局稳定性分析方法。一方面可以获得试验测量难以达到的空间分辨率,另一方面能够以比非定常模拟小2～3个量级的成本获得丰富的三维流场小扰动发展过程。针对某典型跨声速压气机环形叶栅,所发展的分析方法计算成本仅为定常特性线计算的28%,相比于非定常计算实现了约155倍的加速,为压气机旋转失速准确快速预测和机理研究提供了重要的研究工具。     

跨声速压气机转子叶尖流场旋转不稳定现象的数值研究

对某跨声速压气机转子在不同工作流量下的叶尖非定常流场进行了数值研究.结果显示:大流量状态下,该转子叶尖流场几乎不发生振荡.此时,叶尖流场可以按定常流场进行分析;小流量状态下,叶尖泄漏涡大幅振荡,相邻叶片通道内的叶尖泄漏流之间也存在周期性相互干涉.其结果是在稳定状态时出现由于叶尖泄漏涡的振荡及其周向传播造成的"旋转不稳定"现象."旋转不稳定"流场结构主模态旋涡个数大约为40%的叶片通道个数;其周向尺度占据2~3个栅距.     

多级压气机转子负荷系数对叶片非同步振动的影响

通过理论计算分析与试验研究，解释了核心机试验中调节叶片（VSV）异常偏关引起的转子叶片非同步振动（NSV）现象。首先对出现叶片振动的前1.5级压气机进行了全环非定常数值模拟研究。数值结果表明当第1级静叶安装角从偏关2°逐渐调节到偏关6°时，第1级转子叶片负荷逐渐增加，并出现明显的分离流动结构，该流动现象在转子叶片上产生非整数倍转频的压力脉动激励，这是典型的旋转失稳（RI）现象特征。为进一步研究旋转失稳诱发非同步振动与转子气动负荷之间的关联，在6级跨声压气机试验件上开展了系统性的计算与试验研究。通过二维通流计算评估了不同进口导叶/静叶（VIGV/VSV）角度下，第1级转子负荷随转速的变化规律。进而通过6级压气机试验，观察到当第1级静子叶片调整到偏关8°以及第1、第2静子叶片同时调整到偏关4°和偏关3.6°时，第1级转子叶片均出现了非同步振动现象。通过分析第1级转子叶片表面应变的频谱和机匣动态压力脉动的频谱，建立了二者的内在关联。明确了除叶尖径向间隙大外，可调导叶/静叶偏关同样会在转子叶尖形成高负荷，导致叶尖区域流动不稳定进而诱发叶尖旋转失稳现象。研究结果对于多级压气机的设计工作具有重要的...     

某单级跨声速轴流压气机失稳过程试验

为了深入认识高负荷单级跨声速轴流压气机的失稳过程,揭示其不稳定流动现象的发生、发展及其诱导压气机失稳的物理本质,针对某单级跨声速轴流压气机开展试验研究,对整个失稳过程进行了稳态和动态试验测量.通过对原始信号进行低通滤波和FFT(fast Fourier transform)分析,结果表明:在失稳过程中,静子叶根区域首先出现大幅值、轴对称的轴向低频扰动,此时,该压气机50%叶高以下的加功能力有所下降,但整机并未完全失稳.由于该扰动具有频率低、轴对称、幅值大等典型特征,因此,将这一现象定义为局部喘振.随着流量进一步降低,该扰动会沿轴向和径向传播,最终发展到全叶高,此后,该扰动在转子叶尖区域诱发出旋转失速团,最终导致压气机完全失稳.      

整体涡旋流对跨声速压气机Stage 67影响的定常数值仿真研究

为研究不同旋流强度的整体涡旋流畸变对跨声速压气机的影响,本文采用定常数值仿真的方法,基于一种整体涡旋流畸变发生器与Stage67跨声速压气机展开联合仿真研究。通过改变旋流畸变发生器叶片角度,可以模拟不同强度的整体涡旋流畸变流场,在不同旋流进气工况下得到了压气机的压比、效率特性曲线,并针对流场细节进行分析,研究其失速机理。结果表明：同向整体涡有效降低近失速点叶顶通道堵塞程度,使叶片流动损失减小,压气机稳定裕度扩大;反向整体涡加剧叶背气流流动分离程度,引起吸力面尾部低速区面积扩大,导致叶顶堵塞程度的显著加剧,通道流动损失增加明显,造成压气机稳定裕度下降。     

亚音轴流压气机叶尖微喷气扩稳机理研究

叶尖喷气是提高压气机稳定工作裕度的一种重要方法。本文以某亚音轴流压气机孤立转子为研究对象,采用非定常数值模拟方法探索微喷气提高压气机稳定工作裕度的原因。数值模拟结果表明,高速喷气流降低了叶尖区域载荷,在inj2工况,导致流动条件恶化的叶尖二次涡没有出现,为此,压气机的稳定裕度得以提升。