引气对多级轴流压气机性能影响的数值研究

首先以单级轴流压气机NASA-Stage 35为研究对象,采用数值模拟方法,对单级轴流压气机引气机理进行研究,并将相关结论应用于某9级轴流压气机的引气研究中.结果表明:引气对单级和多级轴流压气机内部流场的影响基本一致,多级轴流压气机受级间匹配特性影响总体性能变化与单级轴流压气机有所差别.转子端壁引气能够吸除叶尖间隙低能流体并增强转子通道内径向流动,减小叶尖损失,提升级压比和级效率.静子端壁引气能够减小静子端区损失,提升级效率.      

压气机引气模拟方法及引气结构的数值研究

为研究引气对于压气机设计的影响,以某高压压气机引气级为研究对象,通过对比源项引气模型与构建真实引气结构两种数值仿真方法的差异,并用构建真实引气结构的数值仿真方法分析了不同引气结构对压气机性能和流场的影响。仿真分析结果表明：两种数值仿真方法计算得到的压气机引气级的性能和局部流场均存在较大的差异,在压气机气动设计分析中应该采用构建真实引气结构的数值仿真方法。引气结构和主流道的夹角对主流区域叶尖位置的流场和压气机引气级的性能有较大影响,并且对引气管路内的流动分离程度也有较大影响,当此夹角为45°时,主流区及引气管路内的流动损失均最小。     

离心压气机导风轮叶顶端壁引气扩稳研究

对一台在导风轮叶顶设置有自循环机匣处理的离心压气机,借鉴其试验结果制定了3种引气位置A,B和C,并结合不同的引气量进行了端壁引气扩稳的数值研究.计算结果表明:引气位置和引气范围对扩稳效果有重要影响,引气位置C覆盖了整个叶尖回流区,引气面积最大,扩稳效果最好.随引气量的变化,出现了两种不同的扩稳机理:小引气量可以吸除叶尖泄漏流,缓解通道阻塞,延缓端壁失速;过大的引气量则挤占有效流通面积,将通流区域压向轮毂侧,增加了叶轮的做功能力.兼顾压气机的效率考虑,小引气量具有优势,引气位置C用5%引气量可以获得19.6%的裕度提升.      

引气对压气机流场模型影响的数值研究

为了研究引气对压气机流场的影响,采用数值方法对压气机引气的简化数学物理模型进行了引气量、引气面积、引气结构角度及长度四个引气控制参数共49个方案的对比探究.结果表明:受到引气抽吸作用的影响,引气槽上游主流的流动加速,下游主流减速.引气参数对主流热力参数的影响呈规律性,引气量主要决定热力参数变化的程度,引气面积主要改变热力参数变化的范围,而引气结构的角度和长度则主要影响引气结构内部的流动形式.     

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。     

引气冷却模型对涡轴发动机总体性能的影响研究

随着现代涡轴发动机性能的不断提高,其热力循环参数和引气量显著增加。针对这一问题,建立考虑压气机引气位置可变和涡轮中冷却气参与做功的涡轴发动机性能计算模型。当压气机引气位置变化时,采用流量平衡和功率平衡同时修正法计算发动机性能;涡轮冷却计算模型则考虑了第一级导向器叶片冷却气的做功。与传统涡轴发动机性能计算模型的计算结果对比表明:本文的计算模型能够合理反映引气量和引气位置对发动机特性的影响,更接近发动机的真实物理过程,可为发动机空气系统设计提供输入。     

压气机端壁自适应流通延迟失速的数值分析

端壁自适应流通方式是轴流压气机主动控制失速方法的有效措施之一,即在机匣上结合喷气与引气的方式来延迟压气机的失速,其特点是自适应流通的喷气或吹气量将随压气机的工况自我调整。采用数值模拟方法研究了端壁自适应流通方式对某轴流压气机气动性能的影响,数值计算结果表明,端壁自适应流通方式能有效地延迟失速并略微提高压气机的效率,通过详细地分析端壁自适应流通方式对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了其改善压气机性能的机理。     

引气提升轴流压气机性能的数值研究

以低速单级压气机为研究对象,根据引气对压气机性能的影响机理设计了6种引气方案,通过数值模拟,讨论了引气对压气机总压升、稳定裕度的影响.结果表明:对于角区大分离的静子,在靠近吸力面的机匣上和叶片吸力面近轮毂区域同时引气可以以较小的引气量获得压气机总压升和稳定工作裕度的全面提升.研究结论有力地支持了空气系统气源引气与压气机...     

考虑径向掺混的轴流压气机通流彻体力模型计算及验证

为研究考虑径向掺混对通流计算结果的影响,在通流彻体力模型中引入径向掺混项,并以某型低速轴流压气机为算例开展了有无径向掺混对通流计算结果的影响分析。结果表明:在落后角和损失系数相同时,径向掺混模型的加入使叶排出口气流参数沿径向的分布更加均匀;模型对于压气机后面级端壁区流动参数展向分布的预估更加准确。通过与该台压气机试验测量数据的对比,验证了本模型的可靠性。     

大级间引气对轴流压气机级间性能的影响

级间引气能够显著改变压气机的级间性能匹配,是压气机设计中常用的性能调试方法。通过对一台9级压气机开展引气结构设计、大级间引气试验测量和基于试验测量数据的子午流面参数计算,研究了大级间引气对轴流压气机级间性能的影响。研究结果表明：当级间引气量从13%变化到24%时,压气机堵塞流量变化较小,喘振裕度减小;过大的引气量会导致引气位置后面级出现较大的流动分离和效率降低,级间匹配变差,从而使得压气机总压比降低,喘振裕度下降。     

用平均N-S方程轴流压气机级通流数值计算

近代叶轮机准三元方法中子午流计算一直采用管流或通流的无粘流模型。发现多级轴流压气机后面级气流展向掺混重要现象之后,多级轴流压气机子午流场的计算在无粘流的基础上加上了二次流展向掺混的影响,它对多级轴流压气机特别是高压核心机后面短叶片级设计是很重要的。近年来,已经有成效地直接用N-S方程求解叶轮机中的流动问题[1、2](大多是叶栅流动问题),其重要目标似乎是较准确模拟叶轮机级中粘性流动和计算的工程设计应用。为此,我们提出用平均N-S方程和常用的紊流零方程或两方程模型来模拟叶轮机级与多级中通流的粘性流动,给风扇级和压气机级与多级准三元设计方法提供一个考虑粘性影响的通流计算工具,并提出了端壁条件一种有效的处理方法。      

对转压气机非轴对称端壁造型优化设计

为探索非轴对称端壁对对转压气机流场影响机理,采用端壁造型进一步提高对转压气机性能,以某对转压气机双排转子为研究对象,应用人工神经网络与遗传算法在整机环境下先后对转子1(R1)和转子2(R2)进行了非轴对称端壁造型优化,并对比分析了优化前后流场结构及性能.结果表明:在优化工况点,非轴对称端壁改变了各转子轮毂附近的静压分布,减小了周向静压梯度,降低了二次流强度;同时改变了各转子沿径向的通流能力,提高了各转子靠近尖部区域的效率;最终对转压气机整机效率上升了0.78%.      

变循环压缩系统的一体化通流设计方法

以双外涵和三外涵两款典型的涡扇发动机的变循环压缩系统为研究对象发展了一个基于流线曲率法的一体化通流设计方法,以期简化变循环压缩系统的设计流程,缩短设计周期.通过一个三外涵变循环压缩系统的设计实例,验证了方法的正确性和程序的功能完整性,得到了以下主要结论:①第1,2外涵道的连通使压缩系统各部件之间的气动关系变得复杂,正确处理各部件之间的匹配关系是一体化设计的关键;②流线曲率法适用于变循环压缩系统的通流设计,其流量边界条件可方便地用于模拟前可调面积涵道引射器的调节功能;③第1,2外涵道的掺混过程对上游叶片区域的流场影响微弱,采用简单的掺混模型能够满足计算需求.     

轴流压气机转子叶尖间隙流动结构的数值研究

为进一步加深对轴流压气机转子叶尖间隙内泄漏流/涡流动结构的认识,针对某台用于高压压气机低速模拟的四级重复级大尺度轴流压气机上的转子,采用定常数值方法开展了详细的研究。首先用已有的试验结果校核了计算方法的可靠性,随后研究了设计点工况下端区复杂流动结构和流动损失的机理,最后比较了无叶尖间隙和不同叶尖间隙大小的轴流压气机转子端区流动结构的差别,以及设计点和近失速情况下叶尖泄漏涡结构、泄漏流/主流交界面、端壁堵塞以及端壁损失的区别。结果表明,在62.5%间隙高度以下的叶尖区域内,从前缘叶尖间隙流出的流体会卷吸成叶尖泄漏涡,且随间隙高度的增加其占据的叶尖泄漏涡的位置由内而外;而在62.5%间隙高度以上,从转子前缘间隙内流出的流体不会卷吸成叶尖泄漏涡,随间隙高度的增加流动受叶尖泄漏涡的影响越来越小,更易出现二次及多次泄漏,且所占据的弦长范围也更宽广;设计状态下,叶尖泄漏涡在向下游发展的过程中会逐步膨胀,并与主流强烈掺混,无量纲流向涡量迅速减小,但无量纲螺旋度值显示其仍能保持集中涡的特征。     

Numerical and experimental study of bleed impact in multistage axial compressors

In this study, the influence of inter-stage bleeding on the compressor performance and inter-stage flow field of a multistage axial compressor is investigated by both experimental and numerical methods. The experiment is conducted on a four-stage low-speed axial compressor, and a specific computational model is built to simulate the experiment environment accurately. To illuminate the fluid mechanisms of bleeding effect in detail, both the experiment and the simulation are carried out twice, i.e., in the first time, the mass flow rate upstream the bleed location is constant under different bleed rate conditions; while in the second time, the mass flow rate downstream the bleed location is constant under different bleed rate conditions. The results demonstrate that inter-stage bleeding has little influence on upstream compressor characteristics, and affects the upstream flow field only in the rear half of the stator. The bleed effect on the downstream flow field is embodied in the variation of an incoming flow profile, an increase as the compressor inlet flow coefficient decreases. Therefore, such an effect is only significant on compressor characteristics at small flow coefficient conditions. In multistage compressors, the variation of compressor characteristics and flow field caused by inter-stage bleeding is the comprehensive result of the bleeding and the variation of the upstream working condition. In addition, the comparison between numerical and experimental results shows that the flow moves towards top half of span through the downstream rotor passage in the numerical simulation, whereas the trend of flow field variation with different bleed rates at the outlet of the downstream rotor and stator is the same with that at the inlet of the downstream rotor in the experiment, which means that the numerical method has overestimated the radial mixing intensity of the flow.     

Full blended blade and endwall design of a compressor cascade

In the current state-of-the-art, high-loss flow in the endwall significantly influences compressor performance. Therefore, the control of endwall corner separation in compressor blade rows is important to consider. Based on the previous research of the Blended Blade and EndWall (BBEW) technique, which can significantly reduce corner separation, in combination with a non-axisymmetric endwall, the full-BBEW technique is proposed in this study to further reduce the separation in endwall region. The principle of the unchanged axial passage area is considered to derive the geometric method for this technique. Three models are further classified based on different geometric characteristics of this technique: the BBEW model, Inclining-Only EndWall (IOEW) model, and full-BBEW model. The most effective design of each model is then found by performing several optimizations at the design point and related numerical investigations over the entire operational conditions. Compared with the prototype, the total pressure loss coefficient decreases by 7%–9% in the optimized full-BBEW at the design point. Moreover, the aerodynamic blockage coefficient over the entire operational range decreases more than the other models, which shows its positive effect for diffusion. This approach has a larger decrease at negative incidence angles where the intersection of the boundary layer plays an important role in corner separation. The analysis shows that the blended blade profile enlarges the dihedral angle and creates a span-wise pressure gradient to move low momentum fluid towards the mainstream. Furthermore, the inclining hub geometry accelerates the accumulated flow in the corner downstream by increasing the pressure gradient. Overall, though losses in the mainstream grow, especially for large incidences, the full-BBEW technique effectively reduces the separation in corners.