低反力度跨声速转子的叶顶喷气扩稳数值研究

为进一步提高低反力度压气机的稳定工作范围，以某三级低反力度高负荷压气机首级跨声速转子为研究对象，借助三维数值模拟方法，进行了叶顶喷气扩稳研究，分析讨论了叶顶喷气提升低反力度压气机转子稳定性的机理，并探讨了不同喷气轴向位置对扩稳效果及气动性能的影响。结果表明：叶顶喷气通过削弱叶顶泄漏涡和通道激波的相互作用，抑制了转子近失速工况下泄漏涡的破碎，消除了叶顶通道的大面积堵塞，拓宽了转子的稳定工作边界；随着喷嘴的位置从叶顶前缘处沿轴向上游移动，转子的失速裕度提升量呈现出先增大后减小的趋势，综合扩稳效果和对压气机总性能参数的影响，最佳喷气轴向位置为叶顶前缘上游转子5%叶顶轴向弦长处；叶顶喷气改变了转子气动参数的径向分布，降低了转子上15%叶高范围内的负荷，同时也使得其它叶高区域的负荷提升。     

自循环机匣处理轴向位置影响扩稳能力的机理

为了揭示自循环机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理,采用非定常数值方法研究了3种不同轴向位置对机匣处理（CT）扩稳能力的影响,结果表明:机匣处理喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的扩稳能力最强,喷气装置在叶顶前缘正上方的次之,喷气装置在叶顶前缘上游较远处的最弱,对应机匣处理获得的综合失速裕度改进量分别为9.40%,7.09%,5.49%.通过详细地分析压气机叶顶流场表明:喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的机匣处理施加有利影响程度最高的范围刚好覆盖叶顶前缘处,此处是引起转子失速的关键部位,因此抑制叶顶间隙泄漏流造成的堵塞的效果最好,对应的扩稳能力在3种机匣处理中最强.      

叶顶引气位置对自循环机匣处理扩稳能力的研究

为了探究自循环机匣处理的引气口位置在叶顶变化时对压气机稳定性的影响,以亚声速压气机孤立转子为研究对象,采用数值模拟的方法对3种叶顶不同引气位置的自循环机匣处理方案进行了扩稳能力的研究。结果显示,引气位置在叶顶沿轴向变化时,3种引气位置获得的流量裕度分别为5.43%,22.77%,18.23%,扩稳能力呈现出先增强后减弱的趋势,引气位置越靠近叶顶低速阻滞区核心,扩稳能力越强。对自循环机匣处理后的叶顶流场进行分析,可知在叶顶引气的自循环机匣处理的扩稳机理在于:通过抽吸叶顶处低速阻滞流体和抑制叶顶泄漏流动来改善叶顶区的流动状况,从而达到扩稳目的。     

亚声速轴流压气机叶顶喷气设计规律的试验研究

为了探索叶顶喷气在亚声速轴流压气机中的设计规律,试验研究了喷气量、喷嘴喉部高度、周向覆盖比例、喷气位置、喷嘴数目、喷嘴分布形式对压气机失速裕度的影响规律,分析了叶顶喷气的扩稳机理以及对压气机失速特性的影响,总结了叶顶喷气在亚声速和跨声速压气机中作用规律的异同。研究结果表明,叶顶喷气没有改变压气机的失速特性,其扩稳机理主要在于对叶顶堵塞的有效抑制,通道堵塞对叶顶喷气的非定常响应是离散叶顶喷气有效扩稳的重要原因。当喷嘴处于堵塞状态时扩稳效果达到最大,利用0.66%的喷气量可将压气机的失速裕度提升15%。对于压气机失速裕度的影响,喷气量、喷嘴喉部高度、喷气周向覆盖比例间存在交互作用,喷气位置、喷嘴周向分布形式和进气畸变对喷气扩稳效果的影响均不大。当压气机的失速均是由叶顶泄漏涡诱发的突尖失速时,叶顶喷气在亚声速压气机中的设计方法可用于指导跨声速压气机叶顶喷气的设计。     

基于叶顶喷气的轴流压气机叶顶泄漏流主动控制

为研究压气机叶顶泄漏流对压气机性能影响的流动机理,基于叶顶喷气在小流量工况下对1台单级低速轴流压气机叶顶泄漏流进行主动控制。通过喷气前、后非定常数值模拟,对比分析不同轴向喷气偏角下压气机性能提升与动叶叶顶区域流场特性的变化,在叶顶沿弦向布置压力测点,采集叶顶区域不稳定流动的脉动信号,结果表明:轴向、叶顶进气角方向喷气分别获得5.40%、5.93%的压气机性能提升;轴向喷气能最有效减少通道内的逆流速度团,延缓泄漏流的周向发展;叶顶进气角方向喷气使50%叶顶轴向弦长处的泄漏流最大泄漏量降低20%,同时能有效改变泄漏涡发展轨迹,避免撞击到相邻叶片压力面;根据频谱结果发现喷气能够抑制叶顶泄漏流的不稳定性。     

低速轴流压气机周向单槽机匣处理扩稳实验研究

周向槽机匣处理作为一种有效的扩稳措施得到了广泛应用,但是缺乏对其机理的深入理解和认识。为此,在一台低速单转子轴流压气机上考察了周向单槽机匣处理随轴向位置变化的扩稳效果。实验中获得了单槽不同轴向位置的扩稳规律,在该台压气机上得出了扩稳效果最好的槽位于40%~60%轴向弦长,而当单槽位于27%轴向弦长附近时,其扩稳效果最差。在此基础上,选取了最优扩稳槽位和最差扩稳槽位进行详细的壁面非定常流场测量和尾迹测量,对比分析了光壁条件与各单槽处理机匣对叶顶间隙泄漏流和转子尾迹的影响。结果表明,采用扩稳效果最优槽位之后,周向单槽能推迟叶顶间隙泄漏流与主流交界面前移,以及减弱叶顶间隙泄漏流非定常性,且能明显增强尾迹区1BPF(叶片通过频率)的能量,同时减弱0.5BPF的能量,达到扩稳的目的。而对于扩稳效果最差槽位而言,叶顶间隙泄漏流与主流交界面直到失速前也无法跨过单槽从叶片前缘溢出,周向单槽改变了叶顶间隙内部诱发突尖失速先兆的扰动传播方式;另外,其对转子尾迹区0.5BPF和1BPF的影响也比较小,从而使得其扩稳效果减弱。     

基于试验设计的高负荷轴流压气机叶顶喷气参数化研究

为了揭示叶顶喷气对压气机稳定裕度的影响规律,对一跨声速轴流压气机进行三维非定常数值模拟,结合试验设计与统计学分析的方法对叶顶喷气展开参数化研究,并分析了叶顶喷气的扩稳机理。研究表明,叶顶喷气整体上提升了压气机的性能,通过激励叶顶环壁附面层抑制叶顶泄漏涡堵塞,达到提升压气机稳定裕度的目的。同时,叶顶喷气会引起压气机失速类型的变化。不同喷气量下的喷气规律是不同的,喷气量与喉部高度、喷气角度间存在交互作用。喷气量较小时应减小喷嘴喉部高度,在相对坐标系下沿转子叶顶前缘中弧线方向喷气;喷气量较大时应增加喉部高度,避免引起叶顶过载失速,喷气应提供正预旋来减小叶顶攻角。喷嘴应与转子叶顶前缘保持一定距离。     

轴流压气机跨声级转子叶顶喷气的流动特性

采用带周向槽处理机匣的动叶叶顶喷气方法,研究了叶顶喷气对一轴流压气机跨声级转子在设计转速下的性能(包括失速裕度和效率)和内部流动特征的影响。结果表明,叶顶喷气能显著提高压气机的失速裕度,同时效率有所降低。不同流量和角度喷气的计算结果比较得出,近0°喷气角和0.5%喷气流量时,喷气效果最佳。对比无喷气时,失速裕度提高10%,峰值效率下降不到0.5%。内部流场结构的剖析揭示了叶顶喷气控制叶顶区的流动引起失速裕度提高和效率下降的内在流动机理。     

叶顶喷气对高负荷轴流压气机性能的非定常影响机理

为了揭示叶顶喷气对高负荷压气机气动性能和稳定裕度的非定常影响机理,对一跨声速轴流压气机进行六通道三维非定常数值模拟,定量分析了两种喷嘴作用下压气机内部流场的变化。研究表明叶顶喷气提升了压气机的总压比和稳定裕度,对效率的影响不大,喷气量决定了对压气机气动性能的影响程度。喷气引起叶顶进出口流量的非同步周期性变化,当喷气流沿通道到达转子尾缘后完成对叶顶的降载作用,叶顶负荷呈周期性变化。喷嘴喉部高度不变时,27.3%和54.6%的周向覆盖比例分别获得3.3%和3.6%的裕度改进,分析可知喷气的扩稳效果取决于喷气对叶顶堵塞的抑制在通道出口产生的影响。喷气流在通道中的流动延迟使得喷气对通道出口堵塞抑制的时间大于对通道进口堵塞的抑制时间,因而较小宽度的喷嘴可以保证对叶顶堵塞的有效抑制,增加喷嘴的宽度对稳定裕度的影响不大。     

周向槽轴向位置影响机匣处理扩稳能力的机理

为了揭示周向槽机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理,采用试验与数值方法研究了三种不同轴向位置对机匣处理扩稳能力的影响。试验与数值结果均表明机匣处理轴向位置不变时扩稳能力最强,轴向位置前移次之,轴向位置后移最弱,对应的试验综合裕度改进量分别为10.3%,7.82%及5.65%。通过详细分析压气机叶顶流场表明,周向槽机匣处理轴向位置后移使叶顶前缘区域没有受到到周向槽的作用,叶尖部分间隙泄漏流在叶顶前缘形成低速带并造成进口堵塞。轴向位置前移使叶顶后部区域没有受到周向槽的作用,在叶顶通道出口部分叶高范围内形成低速堵塞区,流通能力弱。轴向位置不变的机匣处理对应的叶顶通道流通能力最强,因此扩稳效果最好。     

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.      

跨声速风扇转子叶尖小翼设计与扩稳机理研究

为了揭示叶尖小翼对跨声速风扇转子气动性能的影响机理,采用数值模拟方法研究了跨声速风扇转子NASA Rotor 67附加不同叶尖小翼的气动特性,并在分析不同叶顶间隙时风扇转子失稳机制的基础上探究了叶尖小翼的扩稳机理。研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在小间隙、设计间隙和大间隙情况下分别使风扇转子失速裕度提高32%,33.6%和70.6%。小间隙时,转子叶尖泄漏涡和叶片吸力面附面层分离是影响风扇转子失稳的关键因素,设计间隙和大间隙时,叶尖泄漏涡导致的大面积阻塞区是影响风扇转子失稳的关键。三种不同叶顶间隙情况下,压力面小翼的扩稳机制均在于有效降低了转子叶尖泄漏涡强度,减弱了叶尖泄漏涡导致的低轴向速度区流体的阻塞程度。     

对转压气机中自循环机匣处理扩稳机理的研究

为拓宽自循环机匣处理的适用范围,以对转压气机为研究对象,采用数值方法研究了自循环机匣处理的扩稳机理和轴向喷气位置对其扩稳能力的影响,详细分析了自循环机匣处理前后对转压气机的总体特性和转子叶尖流场的变化.结果表明:对最先失速的转子配置自循环机匣处理可以获得可观的裕度改善,但轴向喷气位置对扩稳效果和压气机的气动性能均有显著...     

缝式机匣处理对对转压气机的扩稳机理

为探索缝式机匣处理在对转压气机中的适用性,采用数值模拟的方法研究了缝式机匣处理对对转压气机气动性能和稳定裕度的影响。通过分析缝式机匣处理对压气机总体性能和叶尖流场的影响,以揭示缝式机匣处理在对转压气机中的扩稳机理。研究表明：缝式机匣处理可以提高对转压气机的失速裕度,机匣处理的轴向位置对对转压气机的气动性能和失速裕度有显著的影响。随着机匣处理的前移,对转压气机峰值效率的亏损逐渐减小,而失速裕度改善程度相差不大。机匣处理缝的抽吸和射流效应减弱了转子R2叶顶通道的堵塞程度,通过抑制叶尖泄漏流和二次泄漏流的发展以推迟失速的发生,进而实现扩稳。此外,缝式机匣处理时可能改变该对转压气机的最先失速级,同时也证明了缝式机匣处理在变工况下扩稳的有效性。     

跨声速串列转子失速机制的数值研究

为了解决跨声速串列转子的低裕度问题,就必须了解跨声速串列转子的流场结构与失速机制.设计了叶尖切线速度为450m/s,负荷系数为0.56的高负荷跨声速串列转子.基于数值模拟的结果,分析了该串列转子在0.5mm叶尖间隙下的叶尖流场结构与失速机制,并在此基础上分别探讨了叶尖间隙和前、后排叶片周向位置对串列转子特性的影响和失速机制的变化.结果表明:前排叶片的叶尖区域是 影响串列转子稳定性的关键;随着叶尖间隙的增加,串列转子的失速机制也发生变化,从前排叶片叶尖区域的尾迹与径向潜流堵塞后排叶片通道转变为前排叶片叶尖泄漏流堵塞;在较大周向相对位置(后排叶片压力面周向远离前排吸力面)的情况下,串列转子获得最好的效果,随着周向相对位置(PP)的增加,失速部位从后排叶片转移至前排叶片.      

反叶片角向缝机匣处理影响轴流压气机性能的机理

采用试验和非定常数值模拟方法研究了反叶片角向缝机匣处理对亚声速轴流压气机性能的影响.试验与数值计算结果均指出反叶片角向缝机匣处理后,转子在降低12%左右最大等熵效率的基础上获得30.1%左右的失速裕度改进量.详细的转子叶顶流场分析表明反叶片角向缝机匣处理改善了叶顶间隙泄漏流动,消除了实体壁机匣时叶顶通道低速泄漏流形成的堵塞,因此转子稳定性得以提高.同时转子叶片与处理缝的相对位置变化会影响处理缝的扩稳能力.处理缝中回流、处理缝形成的喷射流与叶顶通道主流的相互作用都造成较大的流动损失,进而使转子等熵效率降低.反叶片角向缝机匣处理前移约55%叶顶轴向弦长的数值研究结果表明,与反叶片角向缝机匣处理比较,反叶片角向缝机匣处理前移获得的失速裕度改进量降低约10.4%,但等熵效率的恶化程度降低近64%.      

Effect of blade tip winglet on the performance of a highly loaded transonic compressor rotor

The tip leakage flow has an important influence on the performance of transonic com-pressor. Blade tip winglet has been proved to be an effective method to control the tip leakage flow in compressor, while the physical mechanisms of blade tip winglet have been poorly understood. A numerical study for a highly loaded transonic compressor rotor has been conducted to understand the effect of varying the location of blade tip winglet on the performance of the rotor. Two kinds of tip winglet were designed and investigated. The effects of blade tip winglet on the compressor over-all performance, stability and tip flow structure were presented and discussed. It is found that the interaction of the tip winglet with the flow in the tip region is different when the winglet is located at suction-side or pressure-side of the blade tip. Results indicate that the suction-side winglet (SW) is ineffective to improve the performance of compressor rotor. In addition, a significant stall range extension equivalent to 33.74% with a very small penalty in efficiency can be obtained by the pressure-side winglet (PW). An attempt has been made to explain the fundamental mechanisms of blade tip winglet in detail.     

叶顶喷气对跨声转子近失速点流动的影响

利用数值模拟的方法研究了叶顶喷气对跨声转子性能及近失速点流动的影响.研究表明:在+65?的喷气角度下,喷气能保持效率不降低的同时使转子喘振裕度的绝对值提高4.48%.此外喷气还能改善转子叶片吸力面的流动,减弱叶尖泄漏涡的强度,同时使泄漏涡的轨迹更贴近叶片吸力面,这也是喘振裕度大幅提高的物理原因.      

轴向偏转型自循环机匣处理对高速压气机扩稳效果的影响机理

本文提出了一种新的轴向偏转型自循环机匣处理结构,偏转角度为叶片顶部弦长与压气机轴向的夹角,设计了正偏和反偏2种方案,然后,以一个高速轴流压气机转子为研究对象进行数值模拟,结果表明：相对于实壁机匣,压气机在正偏、反偏自循环机匣处理时的综合稳定裕度分别增加11.52%、10.15%,峰值效率仅分别下降了0.32%、0.59%。分析原因是正偏型自循环机匣处理时,喷射的高速气流将叶顶泄漏流沿叶顶弦长方向吹向下游,改善了叶顶流场,起到了扩稳效果,同时,喷射流与压气机叶顶主流方向一致,提高了进口速度,减小了掺混损失,因此,效率下降很小。反偏型自循环机匣处理时,喷射的高速气流将叶顶泄漏流吹向转子叶片吸力面,抑制和削弱了叶顶泄漏流,也起到了扩稳效果,但由于喷射流与叶顶泄漏流、压气机主流都存在夹角,因此,造成了较大的掺混损失,效率比正偏型自循环机匣处理时下降略多。