高负荷多级轴流压气机级间引气数值模拟

采用数值模拟的方法,以一台高负荷8级轴流压气机为研究对象,研究了级间引气对压气机总体性能、内部流场和级间匹配特性的影响.结果表明:级间引气可以显著提高压气机的总体性能,引气使得压气机进口流量增加近1%,最高效率提高约1.5%;引气会使引气位置处的压力降低,气流密度减小,从而使得引气位置上游的流量增加,转子最大载荷位置向下游移动,引气位置下游的流量减小,而转子最大负荷位置基本保持不变;引气还会使引气位置上下游各级的工作点位置发生变化,改变压气机的级间匹配特性.同时静子尾部机匣处引气还会使引气位置下游机匣处的附面层厚度减小,改变下游转子的进口条件.      

级间引气对多级轴流压气机性能的影响

为了验证多级轴流压气机级间引气对其性能的影响,建立了在设计过程中优化改进级间引气的依据,基于数值模拟和试验的方法,研究了级间引气对某总压比20以上的10级轴流压气机总性能和匹配特性的影响。结果表明：引气对压气机各级的单级特性影响较小,但改变了压气机进口总流量和引气上下游的流量分配及级间匹配,进而影响了压气机的总性能。在多级轴流压气机设计转速状态下,前面级处于流量堵塞工况,与第7级引气相比,第4级引气可显著增大压气机的流量,改变压气机匹配特性,引气位置越远离压气机进口对总流量的影响越小。试验结果表明：第4级引气增加或者减少2%,总流量相应增加0.8%或者减少1.3%。相比第4级增加引气,第4级减少引气对压气机性能影响更为显著。试验得到的引气对压气机总性能、各级工作点匹配影响与数值模拟的一致。     

级间引气条件下轴流压气机特性预测方法

为了确定级间引气对多级轴流压气机特性的影响,便于在燃气轮机整体性能分析时简化引气模型,开展级间引气条件下轴流压气机特性预测方法研究,通过级间匹配模型求解引气位置压力、温度和引气位置上下游的特性,根据引气后的上下游重新匹配确定受引气影响的压气机特性线。结果表明：对5级压气机在换算转速为1.0、0.7和0.5倍设计转速情况下分别进行了预测,得到的特性线与压气机原特性线相比有明显变化。在压比-流量特性图中,引气后的等换算转速线整体位于原特性线之上,压气机压比提高,在小流量时提高较小,在大流量时提高较大,并且提高效果随引气流量增加逐渐明显;在效率-流量特性图中,引气后的等换算转速线与原特性线交于一点,在该点左侧效率因引气而降低并随着引气流量增大而进一步降低,在该点右侧则刚好相反。采用此5级压气机的抽放气特性对性能预测模型进行了验证,引气位置总温的相对误差不超过1%,总压的相对误差不超过2%。     

小尺寸多级轴流压气机级间干扰现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,利用Kulite动态压力传感器以及高频压力探针,测量不同转速下转子叶顶动态静压分布以及级间流场,并对测得的动态压力信号进行分析,研究多级压气机转/静干扰作用。结果表明:高转速下,首级转子叶顶测得的流场能够反映典型的超声叶栅流动特征,多级压气机存在的级间干扰作用只影响到首级转子出口流场;中等转速下,级间干扰作用非常显著,影响到首级转子进口,并随压气机节流级间扰动强度增大。对这些级间扰动的对应频率进行模态分析,从而获得了非定常级间扰动的传播速度和模态数。     

多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法

为提高多级轴流压气机气动性能,采用轴流压气机叶片全三维粘性反问题求解方法,对多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法进行了研究。以压气机级出口旋流角为设计目标,叶片表面载荷分布为设计对象,通过动量矩守恒方程,建立起叶片出口旋流角与叶片表面载荷分布的关系,从而实现计算过程中载荷的自动调整,修正气流在叶片出口旋流角分布。为了让压气机每一级都工作在设计给定的进口条件下,对上游级静子叶片进行反问题改型设计,使得其出口旋流角分布满足设计给定值。为了验证方法的有效性,采用四级高压压气机作为算例,对其初始设计进行反问题匹配改型设计。通过计算,修正了三个级间位置的旋流角分布,改善了下游级进口工作条件。气流在改型后压气机内部流动更加符合设计意图,级与级之间流动匹配更好。与原型相比,总压比和绝热效率分别提高了2.8%和1.3%,验证了方法的有效性。     

大小叶片轴流压气机转子流动特性分析

采用全三维粘性数值模拟手段，通过与按常规设计转子对比的方法，分析研究了大小叶片轴流压气机转子流动特性，分析结果表明，大小叶片转子流场在叶根亚声速区的流通能力增强，在叶尖跨声速区可以产生更加有利的激波体系，小叶片可以有效地控制叶栅槽道中气流扩散，在较高负荷和相同喘振裕度的条件下，大小叶片转子可以比按常规设计的转子在更高的压比，效率和流量下工作。     

多级轴流压气机级间性能试验研究

对某多级轴流压气机级间性能进行试验研究,详细分析了该压气机在设计角度与优化角度下,不同工况时的性能特性(包括各级做功能力、级压比和不稳定边界变化规律等)和级间匹配情况。研究结果表明,在非设计状态下各级匹配可以进一步优化、改进设计;进口静叶角度变化会改变压气机的级负荷分配和级不稳定边界位置,影响压气机不稳定边界移动。建议适当开大一、二级静叶角度,以改善二、三级转子流场,提高其性能;同时,应在不影响整台压气机不稳定边界的情况下进行静叶角度优化。     

体现裕度定制思想的轴流压气机二维特性预估方法

为实施裕度定制,本文开发了能够体现裕度定制思想的轴流压气机二维特性预估方法。精细考虑了前后缘形状、最大弯度位置等,尤其是通过考虑叶片力而全面包含掠影响是本方法的重要特色。为初步验证本方法,对NASA37和NASA67转子进行了性能预估并与试验结果进行了对比。结果表明,本方法基本可靠,可以用于裕度定制目的。     

级间引气对多级轴流压气机性能和流场影响的低速实验研究

基于北航四级低速大尺寸压气机试验台,在二级静子出口进行周向槽引气,采用分别保持引气位置上游流量不变和引气位置下游流量不变两种比较方式,针对不同引气流量大小对压气机性能和内部流场的影响进行了实验研究。结果表明,级间引气会影响压气机压升特性和失速裕度,影响程度与引气量大小有关。级间引气对引气位置上游转子流场的影响表现在上游压气机工况的变化上,上游转子流场的展向分配并不受到引气的影响。引气位置下游受到引气和上游压气机工况变化的共同影响,且引气量越大,影响程度越大。此外,级间引气可以改善下游叶片叶尖区域的流动环境,增强叶尖处流通能力,提高下游压气机失速裕度。     

一种多级轴流压气机特性预估方法探讨

概述了压气机设计体系的发展历程．介绍了轴流压气机设计技术,并结合多级轴流压气机的设计特点,提出了三维修正S2流面分析程序的多级轴流压气机性能预估方法,通过对比,验证了该方法的精度比单纯的三维计算的精度高,为多级轴流压气机的性能预估提供了一个新的工具。     

多级轴流压气机非设计性能的数值预估

采用LU-SGS隐式解法以及叶排间掺混面模型数值模拟压气机三维粘性流动,研究了多级轴流压气机的设计与非设计状态性能的预估问题。对一台五级高压压气机进行了详细的流场数值计算,包括了设计转速的100%,90%及80%等多个转速及各种工作状态。结果表明,本文所建立的数值方法与计算机程序对多级轴流压气机各种非设计状态的计算都具有收敛容易和快速的优点,计算得到的压气机总性能和各分级性能与设计参数进行了对比,证明该方法和程序的预估结果是比较准确的。根据设计转速下的计算结果,预估了压气机设计点的喘振裕度。此外,还对不同状态下叶片进口气流角的变化进行了分析。      

小流量多级轴流压气机气动性能的数值分析

以某小流量8级轴流压气机的气动设计方案为研究对象,采用三维粘性数值模拟方法进行了设计转速的气动性能计算,并将数值结果与设计方案进行了深入的对比分析。数值研究表明:该压气机的堵塞流量、总压比及效率均低于设计目标,前4级的设计和匹配是压气机堵塞流量较小的主要原因,后4级的设计和匹配是压气机总压比较低的主要原因。多级轴流压气机的匹配是性能达标的关键,需进行进一步的分析和改进。     

Aerodynamic Design and Analysis of a Low-reaction Axial Compressor Stage

There is introduced a new low-reaction, highly-loaded axial compressor design concept which is coupled with boundary layer suction method. The characteristic features of the concept are made clear through its comparison with the MIT boundary layer suction compressor. Also are pointed out the potential applications of this concept as well as its key technological problems. Based on this concept, a single-stage, low-reaction and low-speed axial compressor is constructed in association with analysis and computation of boundary layer suction on vanes with the aid of a three-dimensional numerical approach. The results attest to the effectiveness of this way to control separation in blade cascades by the boundary layer suction and the feasibility of this proposed design concept.     

小型轴流压气机静叶排出口尾迹流动特性

基于小型轴流压气机实验台,运用热线风速仪(HWA),对不同转速、流量工况下,静叶排出口尾迹流动特性进行实验研究。对同一工况下尾迹区时均速度及湍流度分布规律的研究表明：受前排动叶的影响,静叶排不同叶展截面处尾迹大小、尾迹中心位置存在着明显差异;沿展向叶根、叶尖附近湍流度明显高于主流区。同时,还对不同工况下静叶排尾迹区各统计参数的变化规律进行了研究,较为系统地总结出轴流压气机工况变化对静叶排出口尾迹大小、尾迹中心位置、尾迹区湍流强度以及雷诺应力大小的影响。     

轴流压气机低转速特性表达方式的改进及应用

针对常规压气机特性图在低转速区域适用性较差的问题,首先给出一种改进的轴流压气机特性表达方法,在特性模型中用基于出口气流参数的换算转速代替基于进口气流参数的换算转速。然后将这种改进应用于压气机低转速特性的外推估算分析,结合压气机零转速特性线的特点,提出了基于改进特性图的外推方法,并给出了外推结果的合理性判断准则。实例表明,改进后的特性图非常适合表达发动机起动和风车状态的压气机特性,在该图上进行低转速特性的外推计算行之有效且结果准确性高,很好地解决了压气机低转速特性难以获取的难题。     

轴流压气机重复级边界条件的建立及其在流场数值诊断中的应用

本文对轴流压气机多级环境中存在的重复级流动现象的建立及其在流场数值模拟中的应用进行了研究。研究表明负荷是重复级现象建立的关键因素之一,在高负荷的情况下,压气机内很快就可到达重复级状态。另外,本文利用重复级流动模型建立了重复级边界条件,在此基础上,利用1.5 级对流场已达到重复级状态的多级流场进行了流场数值模拟,计算结果表明此方法在保证具有较好精度的前提下。      

给定通流部分形状时轴流压气机级性能优化

用一维理论对轴流压气机的初步设计作了进一步研究，导出了轴流压气机基元级的特性关系。建立了在给定通流部分形状时最优化设计的数学模型。得到了解析关系。并通过研究给出了数值算例。所得解析关系具有一定的普适性，并可进一步拓展用于多级轴流压气机优化中。     

甲烷预冷器性能及与压气机参数匹配研究

以甲烷为冷却剂的预冷型涡轮基组合发动机以其较高的冷却性能和密度比冲等优点,成为未来宽速域飞行器动力装备问题的重要研究方向.针对该型发动机的核心部件——预冷器,建立理论计算模型对其综合性能进行了评估,并提出了一种熵函数分析法,对预冷器与压气机工作参数匹配特性开展理论分析.计算结果表明,所提出的预冷器方案换热有效度在0.5...