轴流压气机转子叶尖二次涡的试验验证及形成机理

对轴流压气机转子机匣壁面静压进行动态测量,采用小波分析方法处理近失速工况动态压力测量信号,功率谱显示在与二次涡相近的频率上存在较高的能量带,能量峰值沿轴向的衰减与二次涡的变化规律相符,表明二次涡在流场中存在是可能的。针对相同转子进行全通道非定常数值模拟,计算结果表明,近失速工况下,转子圆周每个通道叶顶附近均存在规律一致的二次涡运动。叶片中后段间隙泄漏流与间隙泄漏涡破碎产生的低能流体相互作用,在泄漏涡破碎形成的堵塞区域中形成二次涡。二次涡运动使得近叶顶载荷分布发生变化,从而导致近叶顶流场出现了一种周期性的自维持的非定常流动现象。     

低速轴流压气机中前后静叶对动叶顶部区域流动的影响

数值研究了某二级低速轴流压气机在高负荷工况下,动叶前后动静干涉对动叶顶部区域非定常流动的影响。结果显示一次泄漏涡和二次泄漏涡是动叶顶部的主要流动特征。下游静叶干涉增加了动叶顶部间隙流的非定常波动强度和泄漏损失。上游静叶干涉减少了动叶顶部二次泄漏流强度。同无动静干涉相比,同时存在上下游动静干涉使动叶顶部区域总压损失减少9.1%,其收益主要来自上游静叶的非定常干涉。     

基于互相关分析的前失速先兆检测分析

针对轴流压气机流动失稳控制中的反馈信号,采用互相关分析方法对前失速先兆信号进行了检测。通过在机匣壁面周向对称布置的动态传感器对压力信号进行检测分析,并在单转子低速轴流压气机上进行了实验研究。实验中分析了不同流量工况时,对称布置动态传感器压力信号互相关系数的变化趋势,并在此基础上对前失速先兆与叶顶间隙泄漏涡非定常性进行了关联性研究;同时也分析了采用叶顶喷气作为控制手段之后,机匣壁面对称布置传感器动态压力信号的互相关系数随着喷气量增加的变化趋势。实验结果表明:互相关检测分析方法能够有效及时地检测到壁面压力锯齿波的破坏程度,有利于提高控制器的响应速度,留给作动机构充足的反应时间。而且叶顶喷气作为控制手段能够提高对称布置传感器动态压力信号的互相关系数,从而实现拓宽稳定裕度的目的。     

基于互相关分析的前失速先兆检测分析

 针对轴流压气机流动失稳控制中的反馈信号,采用互相关分析方法对前失速先兆信号进行了检测。通过在机匣壁面周向对称布置的动态传感器对压力信号进行检测分析,并在单转子低速轴流压气机上进行了实验研究。实验中分析了不同流量工况时,对称布置动态传感器压力信号互相关系数的变化趋势,并在此基础上对前失速先兆与叶顶间隙泄漏涡非定常性进行了关联性研究;同时也分析了采用叶顶喷气作为控制手段之后,机匣壁面对称布置传感器动态压力信号的互相关系数随着喷气量增加的变化趋势。实验结果表明:互相关检测分析方法能够有效及时地检测到壁面压力锯齿波的破坏程度,有利于提高控制器的响应速度,留给作动机构充足的反应时间。而且叶顶喷气作为控制手段能够提高对称布置传感器动态压力信号的互相关系数,从而实现拓宽稳定裕度的目的。     

压气机叶顶流动不稳定性试验和数值研究

为了研究大叶顶间隙下压气机的流动失稳演化过程和物理机理,以某单级轴流压气机试验台为研究对象,利用布置于机匣壁面的动态压力传感器测量叶顶流场的脉动特征,利用全通道数值模拟获得与流场失稳发展相关的非定常流动细节。结果表明：随着流量减小压气机内部流动经历了稳定状态、旋转不稳定性和旋转失速3个阶段,叶顶泄漏涡的两种临界行为与不稳定性模式的转变有关。当叶顶泄漏涡移动到相邻叶片尾缘时,在与相邻叶片的干涉作用下开始随时间振荡,导致了小尺度的扰动沿周向传播,即旋转不稳定性。在近失速工况下,叶顶泄漏涡与主流交界面超过叶片流道进口平面,导致前缘溢流,并伴随着前缘径向涡的周期性产生、周向迁移和衰减。此时,前缘径向涡沿周向几乎呈均匀分布,构成了有序传播的扰动。随着压气机被进一步节流,前缘径向涡的有序传播被破坏,形成了局部聚集的分布特征,从而产生了局部堵塞更强、熵更高的失速团。     

振动凸包控制低雷诺数高负荷低压涡轮叶栅层流分离的数值研究

为了抑制高载荷低压涡轮PAKB叶栅在低雷诺数2.5×104工况下的层流分离,在叶片吸力面布置振动凸包进行主动流动控制,凸包为半正弦型几何,以最大振幅1mm、频率200Hz垂直于壁面按正弦波形非定常振动,通过非定常数值方法研究了振动凸包位置、几何宽度对叶栅气动性能的影响。结果表明,最佳振动凸包位置位于峰值速度点上游附近,叶栅总压损失系数相较无控叶栅而言降低28.8%,而位于分离点下游以及峰值速度点远上游的振动凸包恶化了叶栅性能;当振动凸包置于吸力面最佳位置时,凸包几何宽度对叶栅损失的影响较小。振动凸包流动控制机理来源于附着于叶片吸力面的连续凸包脱落涡团,涡团通过增加主流与壁面低能流体之间的能量交换,将低能流体限制于壁面附近,有利于抑制大尺度流动分离。     

环形涡轮动叶栅旋转效应数值研究

为揭示动叶旋转与机匣相对转动对涡轮叶栅流场结构和气动性能的影响,针对平顶和翼型冠叶顶的LISA1.5级涡轮动叶片,开展了三维数值模拟研究。结果表明:平顶叶栅中,机匣相对转动能降低泄漏损失,但通道涡强度增大,旋转离心力和科氏力亦对旋涡位置和尺度产生影响;叶顶结构不同会影响各转动条件下的损失变化规律,相对于动叶旋转工况,机匣相对转动可使平顶叶栅出口损失降低3.62%,但使翼型冠叶栅损失提高12.11%;在间隙泄漏流流量方面,不论是平顶叶栅还是翼型冠叶栅,机匣相对转动时叶顶泄漏流量最低,动叶旋转工况次之,静止工况最大。实验中用机匣相对运动代替动叶旋转在研究泄漏流特征时具有一定的合理性,而对于研究旋转效应对通道涡的影响方面则会产生误差。     

小流量下周向弯曲叶片叶顶泄漏流特性的实验研究

对带有周向前弯和周向后弯叶片的低压轴流风机,采用壁面动态压力测量技术试验研究了小流量工况下叶顶泄漏流的频谱特性。在机匣壁面布置动态压力传感器捕捉由泄漏流诱发的壁面压力信号,基于测量结果详细阐述了小流量工况下周向弯曲叶片叶顶泄漏流诱发的流动不稳定性。结果表明:随流量的降低,泄漏涡引起的频率分量逐步凸显,并向更低频段转移,具有明显的宽频特性;周向弯曲叶片控制了泄漏流动从前缘至尾缘的传播速度,前弯叶轮的泄漏流动传播速度最慢,后弯叶轮次之;周向弯曲叶片对叶顶泄漏流诱发的不稳定流动具有控制作用。     

叶顶间隙对多级轴流涡轮气动特性影响的非定常数值计算

涡轮叶顶间隙对其气动特性产生非常明显的影响,为了研究叶顶间隙对涡轮效率以及叶片温度场分布的非定常影响,采用非线性谐波法对多级亚声速轴流涡轮进行了非定常数值计算,与实验结果进行对比后发现,对于本文研究对象,4阶次谐波是考虑计算成本与计算精度的优化值;R1叶顶间隙由0.5%叶高增大至1.5%叶高,涡轮效率降低了0.44%,R4叶顶间隙由0.5%叶高增大至1.5%叶高,涡轮效率降低了0.76%;叶片高温主要集中在近叶顶区域,尾缘温度梯度变化最为剧烈;叶栅级间干涉效应导致高温区温度的周期性波动,温度波动幅值不受叶顶间隙高度的影响但波动区间随间隙增大而升高,静叶相对动叶温度波动幅值较大,S2温度波动保持在11K左右。     

涡轮动叶凹槽状叶顶传热特性和气动性能的不确定性量化研究

基于非嵌入式多项式混沌展开方法,结合Smolyak稀疏网格技术与Sobol Indic方法构建了涡轮动叶凹槽状叶顶传热特性和气动性能不确定性量化分析系统。研究并量化了几何参数叶顶间隙和运行工况参数主流进口总温与气膜冷却吹风比不确定性对涡轮动叶凹槽状叶顶气热特性的影响。不确定性分析结果表明：在考虑叶顶间隙与主流进口总温和吹风比不确定性的情况下,叶顶换热量 基本符合正态分布。 的统计均值相对于设计值增加13.56%并且其偏离设计值10%的概率高达65.68%。相比叶顶尾缘区域,叶顶前缘部分的换热量对不确定性输入更加敏感。前缘区域的叶片壁面换热量 的不确定性明显大于尾缘部分。在叶顶间隙与主流进口总温和吹风比不确定性的影响下,0-80%轴向弦长区域内叶顶总压损失系数存在微小偏差,但在80%轴向弦长以后区域总压损失系数的不确定性偏差会达到约50%。敏感度分析的结果表明主流进口总温是叶片换热性能不确定性的主导变量,其对 与 不确定性的贡献分别为93.87%和98.32%。叶顶气动性能的不确定性则完全由叶顶间隙控制,其对叶顶总压损失系数不确定性的方差占比高达86.44%。与主效应相比,各变量间的二阶交互效应对叶顶气热性能的影响几乎可以忽略不计。     

进口周向总压畸变与静子尾迹对叶顶间隙流的影响

对进口周向总压畸变条件下的某跨声速压气机静子-转子级,采用多畸变区方案进行非定常数值模拟。结果表明:①畸变区下游转子叶顶区域的气流流通能力较非畸变区有明显恶化,这是因为转子在扫出畸变区时,叶片负荷增加,叶片前缘静压差加大,同时畸变造成下游气流轴向速度明显减小;②静子尾迹对叶顶区域的流动有一定改善,原因为静子尾迹会在下游转子叶盆前缘积聚,能减弱叶顶区域的二次泄漏。     

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。     

叶尖泄漏与压气机叶栅三维角区分离相互作用实验研究

为了进一步揭示叶顶泄漏与压气机叶栅三维角区分离流动的相互作用机制,采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面气动参数,并对机匣端壁静压进行了测量,详细分析了不同间隙尺寸及来流角度时压气机叶栅间隙流对角区三维分离流动的影响机理.研究结果表明,适当大小叶顶间隙引入的泄漏流阻止了端壁二次流动与叶片吸力面附面层之间的相互作用,移除了三维角区分离,改善了叶栅性能.随着叶顶间隙尺寸及叶栅内气流折转程度的增加,叶顶泄漏涡与上通道涡间的相互作用程度逐渐增强.     

涡轮叶片凹槽状叶顶非定常流动传热特性的数值研究

为了研究涡轮叶片凹槽状叶顶的非定常流动传热特性,以GE-E3第一级静叶和动叶为研究对象,采用ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型。数值预测的叶顶换热系数分布与实验数据吻合良好,从而验证了数值方法的可靠性。数值计算结果表明:静叶尾迹对动叶顶部的流动和换热特性影响显著。压力面侧前缘区域和吸力面中间位置的流场受动静干涉影响显著。叶顶表面的换热系数脉动主要出现在靠近前缘的凹槽底部表面和再附着线附近及吸力面侧肩壁。靠近动叶尾缘区域的换热系数脉动同时受动静干涉作用和下游流场的影响。定常计算得到的换热系数在前缘冲击区和分离线附近高于非定常时均值,在压力面侧肩壁附近小于非定常时均值。定常计算得到的平均换热系数要高出非定常计算结果3.5%。     

凹槽状叶顶涡轮叶片传热特性的数值研究

采用计算流体动力学软件ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型研究了涡轮叶片凹槽状叶顶的传热特性。数值预测的平顶部叶顶的换热系数分布与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。计算分析了凹槽深度和肩壁厚度对凹槽状叶顶传热特性的影响,还分析了动叶与机匣相对运动下的凹槽状叶顶无气膜冷却和中弧线布置气膜冷却时的流动换热特性。研究结果表明:在肩壁厚度一定时随着凹槽深度的增加叶顶换热系数降低;在1%叶高的叶顶间隙和2%叶高的凹槽深度及4种肩壁条件下1.0mm肩壁厚度时叶顶换热系数最小。相比于动叶与机匣均静止时,动叶和机匣之间的相对运动能够增强动叶顶部的换热效果;动叶与机匣间的相对运动能够增强前缘处气膜冷却效果,总体来说动叶旋转时的离心力和哥氏力对凹槽状叶顶的气膜冷却效果影响有限。     

自循环机匣周向偏置对轴流压气机非定常流场的影响

本文以NASA Rotor 35为研究对象,设置了正15°、0°和负15°三种不同周向偏置度数的自循环机匣,利用NUMECA软件包进行三维非定常数值模拟以研究机匣处理对压气机非定常流场的影响。计算结果表明,针对NASA Rotor 35由通道激波与叶顶泄漏涡相互作用导致的失速,不同周向偏置角度的自循环机匣处理均能够较好地拓宽压气机的稳定工作范围,且几乎不影响压气机峰值效率。其中周向偏置正15°的自循环机匣虽然流量裕度改进量最大,但是压气机的压比下降较大。周向偏置后自循环机匣的扩稳能力不再遵循传统上以回流量、喷嘴出口速度和自循环装置内的流动损失来关联扩稳效果的经验规律,而是由桥路和流场耦合的非定常过程导致的。其喷射和抽吸作用对叶顶流场的激励使得叶顶静压分布、泄漏流产生周期性波动,不同物理量峰值在时域上存在相位延迟。     

对转压气机中机匣处理的非定常影响

为探究不同形式的机匣处理扩稳机理和损失产生区别，以某两级对转压气机（CRAC）为研究对象，通过非定常数值模拟方法开展了自循环机匣处理（SRCT）和轴向槽机匣处理（ASCT）扩稳机理的研究。结果表明：SRCT和ASCT在近失速点均显著提高失速裕度和总压比，在峰值效率点附近增加效率损失；机匣处理通过作用于叶顶泄漏流和抑制压力势流减弱转子间动-动干涉效应；机匣处理槽内流场与转子相对位置相关，转子周期性的扫掠机匣处理槽增加了轴向槽内流动的非定常性，机匣处理槽内流动掺混是效率下降的主要原因。     

自适应流通机匣处理改善压气机性能的机理

为了探索自适应流通机匣处理形式影响跨声压气机性能及流场的流动机理,文中采用非定常数值模拟方法研究了自适应流通机匣处理对NASA轴流Rotor37气动性能的影响。数值计算结果表明:自适应流通机匣处理能有效地延迟失速并在大部分流量范围内略微提高压气机的效率。通过详细的流场分析表明,该机匣处理能有效地增大叶顶区的气流进气角度,抑制了间隙泄漏涡在叶顶通道内的发展,同时阻止泄漏涡涡核在通过激波后破碎,提高了转子顶部通道的流通能力,进而减少叶顶区的流动损失。     

非定常机匣处理对失速先兆波的抑制作用实验研究

非定常机匣处理在不影响效率的前提下可以明显提高压气机的稳定工作范围,针对这种通过改变斜槽和气室来调节壁面阻抗边界条件的新型处理机匣,从非定常角度,开展其对失速先兆波产生及发展的影响的实验研究.在压气机转子前缘附近沿圆周均匀布置八支高频响压力传感器,采集壁面动态压力信号,进行周向傅立叶分析(SFT)和功率谱密度分析(PSD),捕捉到旋转失速先兆波的出现和发展的动态细节,比较光壁和处理机匣两种情况的结果,证实了处理机匣并非阻止了失速先兆波的出现,而是有效的抑制了其非线性发展.非定常机匣处理改变了压气机系统的阻抗边界条件,能够在全过程中对低频扰动波进行有效的抑制,从而推迟旋转失速的发生,实现压气机的扩稳目的.      

单转子轴流压气机涡动力学失稳机理研究

为了研究单转子轴流压气机的涡动力学失稳机理,采用基于Shear Stress Transport(SST)湍流模型的尺度自适应雷诺平均/大涡(RANS/LES)混合模拟的方法对低速单转子轴流压气机进行了非定常数值模拟。研究结果表明:在设计转速3kr/min条件下,叶顶泄漏涡、二次泄漏涡以及诱导涡破碎引起的叶顶区域的堵塞是触发单转子轴流压气机内部流动失稳的主要因素。压气机由近堵塞工况点向小流量工况点逼近的过程中,叶顶泄漏涡轨迹与轴向的夹角由70°增加到76°,二次泄漏涡起始点位置前移加速叶顶泄漏涡向转子前缘移动。近失速工况点叶顶泄漏涡的轴向动量与主流的轴向动量之间存在一种平衡,叶顶泄漏涡稳定在转子前缘。压气机进一步节流主流的轴向动量减小,对叶顶泄漏涡轴向动量的抑制能力减弱,叶顶泄漏涡的位置不再稳定,诱发尖脉冲型失速先兆。