不同转速下叶尖间隙流对跨声速压气机失速的影响

为了研究不同换算转速下叶尖间隙流对转子失速的影响,对不同工况下叶尖间隙流动的特点进行了分析,讨论了压气机转子叶顶两个低速区的形成机理,以及该转子在多种换算转速下的失速机制。研究表明,转子失速是近压力面前缘和吸力面尾缘两个低速堵塞区共同作用的结果。二者的形成都与泄漏涡关系密切,前者是泄漏涡受激波干扰破裂而形成,后者是吸力面气流在泄漏流、吸力面二次流以及激波相互作用下而形成。不同换算转速下压气机失速机制不尽相同:在70%~100%换算转速,压气机叶顶失速主要是由于叶尖泄漏涡与激波相互作用而破裂;在115%换算转速,失速的主要触发因素为径向涡导致吸力面附面层低速气流向叶顶堆积。     

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.      

轴流压气机转子近失速工况点叶尖区流动非定常性分析

为了揭示某轴流压气机转子近失速工况点叶尖区域流场的非定常变化及其形成机理,采用定常和非定常数值模拟方法对其内部流场进行了全三维的数值模拟。通过和已有的试验测量结果进行对比分析表明,预测的总性能及基元性能与试验结果取得了很好的一致性。近失速工况点的非定常模拟结果表明,压气机的总性能及叶片承受的扭矩出现了周期性的波动,其波动周期约为转子通过频率的2.5倍。进一步详细分析叶尖区流场的瞬态流动结构发现,间隙泄漏涡在近失速工况下出现了泡式破碎,破碎的泄漏涡、主流以及来自相邻叶片的间隙泄漏流相互作用形成了另外一个特征明显的旋涡(命名为叶尖二次涡)。该旋涡的形成、发展和运动是压气机的总性能出现周期性波动的主要原因。     

跨声速压气机转子叶尖泄漏涡非定常特性数值研究

为了研究跨声速单转子压气机系统叶尖泄漏涡的非定常特性,选取Rotor 67孤立转子为研究对象,针对不同背压工况与不同转速工况进行了非定常数值模拟。结果表明:在每一转速状态都存在一非定常边界,其将特性线分为定常部分和非定常部分。当转子运行在特性线非定常部分时,随着背压提高,叶尖泄漏涡脉动频率逐渐减小。这是由于背压提高使叶尖前缘负荷变小,叶尖泄漏涡的驱动力也变小。叶尖泄漏涡的频率特征与转子转速息息相关。高转速状态时叶尖泄漏涡主要表现出低频特征,低转速状态时叶尖泄漏涡主要表现出高频特征。这是由于转速不同,叶尖激波的脱体程度不同,激波对于叶尖泄漏涡的激励位置也不同。由非定常叶尖泄漏涡引起的压力波的周向传播速度在各转速下表现出较强的规律性。随着流量系数的减小,压力波波速呈线性减小趋势,且各转速下减小的速率大致相同。且在波速-流量系数曲线中,各转速的非定常状态起始点基本位于同一条直线。      

设计状态下压气机转子叶尖泄漏涡流动研究

在低速大尺寸单级压气机实验台上,利用SPIV技术测量了设计状态下压气机转子尖区多个截面的三维瞬态速度场。基于瞬态场测量结果,详细阐述了设计状态下压气机转子叶尖泄漏涡产生、发展、失稳、破碎的演化过程,导致叶尖泄漏涡失稳的4种主要因素:主流的逆压梯度、哥氏力、端壁的剪切流动和来流湍流度的影响,分析了压气机内泄漏涡的失稳破碎机制,以及泄漏涡与主流的相互作用等。     

叶尖掉块对跨声速压气机气动性能影响

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨音速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰减;掉块叶片产生的流动堵塞和吸力面气流的膨胀加速会影响到吸力面侧的掉块叶片,进而限制泄漏流的发展,使得流动堵塞和损失维持在较低水平,但这种影响会随着掉块叶片距离的增大而减弱。     

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。     

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。     

叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子的影响研究

为了控制压气机转子叶尖泄漏流动,减少叶尖泄漏流和叶尖泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,针对小流量压气机进口跨声速转子进行了叶尖小翼的数值研究,探索了叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子性能的影响和对叶尖泄漏流的控制机理。研究表明,4倍压力面宽度的压力面叶尖小翼可以使得压气机转子的流量裕度增加24.5%;吸力面叶尖小翼和压力面叶尖小翼影响失速的主要因素不同,吸力面叶尖小翼增大了吸力面侧流体的逆压梯度,扩大了低速流体区域,压力面叶尖小翼通过降低叶尖负荷,从而减弱泄漏强度,减小了低速流体区域。     

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅰ——实验和理论研究

在低速大尺寸压气机实验台上,利用体视图像粒子测速(SPIV)技术测量了设计状态和近失速状态转子尖部的三维复杂流动,对典型二次流流动结构的特性及其产生、发展和演化机制做了研究。实验测量覆盖整个转子通道,从测量得到的各阶物理量中可以识别出叶尖泄漏涡、角区旋涡、通道涡和进口导叶尾迹等多种二次流流动结构。通过分析各种二次流流动结构造成的流动堵塞和损失发现:在设计状态,叶尖泄漏涡是流动堵塞和损失的主要来源,在转子出口处造成的流动堵塞约为总流量的0.35%;在近失速状态,角区旋涡对流动堵塞和损失的分布起了决定性作用,造成的流动堵塞可以达到总流量的8.5%。最后,借鉴二次流理论对角区旋涡的产生、发展和演化机制做了理论分析,结果表明角区旋涡的发展过程主要由流向速度的展向分布规律决定。     

涡轮间隙泄漏涡破碎对损失的影响

采用数值方法联合标准k-ω两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了不同间隙高度下GE-E³（Energy Efficient Engine）涡轮第一级动叶顶部间隙泄漏涡（TLV）的破碎特性及其对泄漏损失的影响。首先描述了泄漏涡的破碎现象,并对其动力学特性进行了理论分析,接着研究了间隙高度对泄漏涡结构及破碎特性的影响,最后对泄漏涡破碎与损失的关系进行了探讨。研究结果表明：涡轮叶顶间隙泄漏涡具有不稳定特性,当泄漏涡具有足够的强度可以克服通道涡卷吸形成完整涡结构时,在叶片后半部分逆压区发生了涡破碎现象,带来了额外的涡破碎损失;间隙高度对泄漏涡破碎位置的影响比较明显,在大间隙下泄漏涡趋于相对稳定;叶顶泄漏流产生的掺混损失以泄漏涡的破碎为标志分为两个阶段,大量的掺混损失发生在泄漏涡破碎之后,这也是叶顶泄漏流产生损失的主要部分。     

用SPIV测量结果分析叶轮机内流动损失的方法初探

基于大涡模拟和PIV(particle image velocimetry)测量的相似性,利用SPIV(stereoscopic PIV)测量结果,可以使用亚格子应力模型求解流场中的湍流耗散率.对比不同亚格子应力模型求出的结果,混合模型求出的结果较为准确,但需要合理选择模型中的系数C_Sm和CAm.利用该方法分析低速大尺寸压气机试验台转子近叶尖区域的SPIV测量结果,发现在设计状态流场中的损失主要源于叶尖泄漏涡,而在近失速状态则主要源于叶尖泄漏涡和角区旋涡.      

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.      

激波/泄漏涡相互干扰对跨声压气机流动稳定性的影响

对单级跨声压气机Stage 35进行了单通道全三维定常数值模拟,开展了网格密度对计算结果影响的研究,从而确定了一套最佳网格配置,该套网格配置预测的总性能和基元性能与试验结果符合得最好.以此为基础对Stage 35的内部流场进行分析,发现其流动失稳最有可能是由动叶近叶顶靠近压力面侧的低能堵塞团引发的.随着流量的减小,间隙泄漏涡的强度和旋拧度随着叶片载荷的增加而增加,激波与泄漏涡相互干扰使得近失速条件下间隙泄漏涡破碎,涡破碎极有可能是动叶近叶顶靠近压力面侧低能流体产生的主要原因.      

扩压叶栅叶尖非定常流动的涡动力学机理

为了揭示压气机叶尖区旋涡结构与流动非定常性之间的关联，采用URANS对一亚声速平面扩压叶栅在不同攻角下的流场进行了求解，并借助Q判据提取了叶尖瞬态涡系结构。结果表明：泄漏涡的破碎现象能够通过诱导新的涡结构间接作用于相邻通道的叶尖流动，是导致叶尖流场失稳的关键因素。在-0.3°和+0.7°攻角下，叶尖泄漏涡发生了螺旋破碎，并伴随有非定常诱导涡的出现，诱导涡对相邻叶片载荷的影响使得叶尖泄漏涡发生周期性摆动；在+1.7°攻角下，泄漏涡破碎会导致反流涡的形成，反流涡的输运会给叶片载荷和来流攻角带来非定常扰动，反过来又会作用于泄漏涡的破碎和反流涡的生成，最终表现为一种自维持的非定常流动现象。     

叶尖间隙对跨声速轴流压气机近失速的影响

以跨声速轴流压气机rotor 37为研究对象,利用数值仿真计算方法,采用高密度网格对跨声速轴流压气机设计间隙、1/2设计间隙、1/4设计间隙、2倍设计间隙以及零间隙下近失速状况进行计算.计算结果显示:由设计间隙减小到1/2设计间隙时,跨声速轴流压气机压升和绝热效率损失不大,跨声速轴流压气机失速裕度却提高了4%.在此基础上,引入失速分类方法以及涡动力学理论,对流场进行细节分析.提出适当改变间隙可以有效地拓宽跨声速轴流压气机稳定工作范围,但是间隙改变对泄漏涡破碎以及边界层分离有着重要的影响,甚至诱导不同的失速形式,为跨声速轴流压气机间隙设计提供参考,并且从气动角度探讨在跨声速轴流压气机中应用间隙控制技术的条件.