Influence of SPS casing treatment on axial flow compressor subjected to radial pressure distortion

The present work is about the stall margin enhancement ability of a kind of stall precursor-suppressed (SPS) casing treatment when fan/compressor suffers from a radial total pres-sure inlet distortion. Experimental researches are conducted on a low-speed compressor with and without SPS casing treatment under radial distorted inlet flow of different levels as well as uniform inlet flow. The distorted flow fields of different levels are generated by annular distortion flow gen-erators of different heights. The characteristic curves under these conditions are measured and ana-lyzed. The results show that the radial inlet distortion could cause a stall margin loss from 2% to 30% under different distorted levels. The SPS casing treatment could remedy this stall margin loss under small distortion level and only partly make up the stall margin loss caused by distortion in large level without leading to perceptible additional efficiency loss and obvious change of charac-teristic curves. The pre-stall behavior of the compressor is investigated to reveal the mechanism of this stall margin improvement ability of the SPS casing treatment. The results do show that this casing treatment delays the occurrence of rotating stall by weakening the pressure perturbations and suppressing the nonlinear amplification of the stall precursor waves in the compression system.     

非定常机匣处理扩大压气机稳定裕度实验

从非定常角度出发,设计了一种通过改变斜槽和气室来调节壁面阻抗边界条件的非定常处理机匣,并对其开展扩大轴流风扇/压气机旋转失速稳定性的实验研究.研究工作包括:对非定常处理机匣进行流量-压比特性实验,研究其扩稳效果;对处理机匣的结构参数(斜槽、气室)进行可调节特性实验;对机匣处理的效率特性进行实验评估.结果表明:这种非定常机匣处理在三台低速风扇/压气机实验台上,通过调节机匣参数,不仅能够实现在不同的工作转速下对压气机稳定裕度有显著效果,而且效率没有明显改变.      

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.      

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%.      

轴向倾斜缝机匣处理影响压气机性能的机理

为了揭示缝式机匣处理影响轴流压气机性能的流动机理,对带轴向倾斜缝机匣处理的轴流压气机转子进行全三维非定常数值模拟,试验与数值结果均表明机匣处理在有效地扩大压气机稳定工作范围的同时,也使压气机等熵效率减少。通过详细地分析压气机内部流场,揭示了该机匣处理对该压气机转子性能及流场影响的机理,即倾斜缝内的回流具有抽吸或吹除端部低能流体的能力,在倾斜缝中形成的喷射流的作用下,叶顶通道内的低速气团得到了有利的激励,从而推迟转子的失速。但也使转子叶顶加功量下降,同时缝内的回流及其与叶顶主流的相互作用带来大的流动损失,最终降低压气机转子等熵效率。     

离心压气机自循环预旋喷气机匣处理的设计和验证

采用一种预旋喷气机匣处理提高离心压气机特定转速范围内的稳定裕度.通过引气加大离心叶轮进口基元级流量降低通道堵塞,并借助回流预旋喷气改变前缘攻角抑制叶背分离是该机匣处理扩稳的主要机理.基于这样的认识,对机匣处理做了几何参数设计研究,发现轴向搭接位置、搭接长度和开槽角度是影响机匣处理性能的3个主要参数.通过几何参数的合理选取,在尽量提高80%设计转速稳定裕度的同时兼顾100%设计转速的效率.压气机部件性能试验验证了该设计方法的有效性,并观测到在低转速时,机匣处理可以同时提高稳定裕度和效率.      

Response and stabilization of a two-stage axial flow compressor restricted by rotating inlet distortion

This paper considers effects of Rotating Inlet Distortion (RID) on a two-stage axial compressor and the stabilization effects of a casing treatment subjected to the considered RID. In multi-spool engines, the downstream compressor suffers a RID when the upstream fan/compressor is in rotating stall. A controlled rotating sectional screen upstream of the compressor was adopted to generate the RID in different intensities, and co- or counter spinning direction compared with the rotor. The response of the compressor to inlet distortion was interpreted as the changes of stall margin. Results show that there are two peaks for the stall margin degradation where the distortion screen rotates near 20% and 70% of the rotor’s rotational frequency, respectively. Based on the measurements taken during the pre-stall process, it is suggested that the two frequencies are associated with the eigen frequencies of the compressor. Specifically, the first is associated with a stall precursor that is suspected as an initial disturbance existing in compressor and the second is related to a spike-type stall precursor. At last, a kind of Stall Precursor-Suppressed (SPS) casing treatment was applied to enhance the compressor stability in RID conditions. The result indicates that the stall margin is improved by 6% at an average level and there is nearly no efficiency loss caused by the application of such casing treatment.     

吹气型周向槽机匣处理扩稳机理的研究

实验证明在周向环槽中加入切向吹气可以比原型处理机匣获得更大的稳定裕度.分别对带吹气型周向槽机匣处理与原型机匣处理的孤立转子进行全三维数值计算, 计算得到的总性能特性线同实验符合良好.通过详细地对比分析两种机匣处理的叶顶区域流场, 揭示了吹气型周向槽机匣处理比未吹气的原型机匣处理获得更大的稳定裕度和提高效率的机理.      

非对称处理机匣周向分区数的实验

为了改善传统的对称处理机匣对压气机"扩稳降效"的普遍现象,设计了五种周向分区数的非对称处理机匣。实验结果显示,非对称处理机匣的分区数对压气机的稳定裕度影响不大;而对效率和总压升影响较大:随着分区数增加,压气机的性能先增加后降低。其中一种优选结构的非对称处理机匣能使压气机的稳定裕度扩大13%,同时使其峰值效率提高0.8%。这种非对称处理机匣能取得明显优于轴对称处理机匣的"扩稳增效"的原因是它改变了处理槽对压气机叶尖作用的非定常信号。根据非定常耦合流动理论,其产生的独特的低频激励信号能够对压气机叶尖复杂的非定常流场产生耦合整流效果。     

轴流压气机折线缝式机匣处理扩稳机理

1引言风扇/压气机的气动失稳不但会对其气动性能造成恶劣影响,而且还有可能对发动机结构造成毁灭性的破坏。因此,如何延迟风扇/压气机气动失稳的发生,拓展稳定工作范围,一直是提高其性能的关键技术之一。机匣处理是一种扩大压气机稳定工作范围的有效措施,然而,大多数机匣处理在     

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.      

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。     

一种槽道式处理机匣的准定常流动模型Ⅰ: 建模方法及验证

为降低对槽道式处理机匣流动进行模拟的计算量,特别地,为了提供一种可用于处理机匣工程设计的快速评估手段,基于对带有槽道式处理机匣的压气机非定常流动物理的理解,提出了一种处理机匣的准定常流动模型,并利用带有处理机匣的跨声压气机转子实验测量结果,以及非定常数值模拟结果对所提出的模型进行了验证.结果表明:处理机匣流动模型很好地预测了由于采用处理机匣所取得的转子失速裕度的提高,并且与非定常模拟结果比较,流动模型对转子主流以及处理机匣内部流动模拟的准确性也能得到保证.采用处理机匣流动模型所需的计算量仅约为非定常模拟的1%,这保证了提出的模型可用于快速评估槽道式处理机匣的气动特性,从而为其工程优化设计提供了有效的手段.      

轴向槽机匣处理提高离心压气机失速裕度的数值研究

为了提高-离心压气机设计转速下失速裕度,本文采用了轴向槽机匣处理方案,对实壁机匣和处理机匣压气机流场进行了数值模拟分析.计算结果表明:(1)轴向槽机匣处理可以使离心压气机失速裕度提高12%,但同时也带了损失,压气机峰值效率损失了约3%;(2)轴向槽机匣处理改善了压气机尖部流场结构,抑制了由间隙泄露涡引起的主流通道阻塞,这是压气机失速裕度提高的主要原因.     

组合型机匣处理提高轴流压气机稳定性的机理

用全通道非定常计算方法研究了轴向倾斜缝、自适应机匣处理及两者形成的组合型机匣处理对亚声速轴流式转子稳定工作范围的影响,结果表明:轴向倾斜缝、自适应机匣处理及组合型机匣处理取得的综合裕度改进量分别为12.86%,16.47%及22.72%,其中组合型机匣处理扩稳效果最强,自适应机匣处理次之.通过详细地分析压气机内部流场表明,组合型机匣处理削弱了叶片吸力面气流分离带来的不良影响.从喷气装置流出的高速气流抑制了叶顶间隙泄漏流从相邻叶片叶顶前缘溢出的现象,部分叶片通道受到轴向倾斜缝的作用,泄漏流线被抽吸入缝中,也能抑制前缘溢流的产生.     

驻室式处理机匣——内部流动及扩稳机理的数值研究

通过定常模拟的方法,研究了驻室式处理机匣对高负荷、高马赫数孤立转子性能的影响.结果表明:相同的处理机匣结构在不同的转速下取得的效果存在较大差异,在设计转速时,处理机匣并没有使风扇转子的失速裕度得到改善,并且效率下降约2.8%;在非设计转速时,处理机匣扩稳作用得到充分体现,转子稳定性得到较大程度的加强,并且没有导致转子性能的下降.通过对处理机匣内部流场的详细分析,揭示了驻室式处理机匣的扩稳机理.      

周向槽机匣对轴流压气机转子畸变响应特性的影响

基于给定的进气周向总压畸变谱,应用全三维数值计算方法,研究了周向槽处理机匣对NWPU-1轴流压气机转子容畸变特性的影响,初步揭示了其在进气周向总压畸变条件下的失速机理。结果表明,在均匀进气条件下,周向槽处理机匣对叶尖间隙泄漏涡形成和发展的抑制是其扩稳的主要原因;在进气周向总压畸变条件下,该轴流压气机转子失速的主要原因是畸变引起的攻角变化,造成部分叶片的负荷过重,由于周向槽处理机匣的作用主要在叶尖部分,所以并不能有效的扩大该压气机转子的稳定工作范围。     

进口畸变下新型处理机匣改善压气机性能的机理研究

为了揭示进口畸变下,处理机匣改善压气机性能的机理,采用全通道非定常计算方法研究了进口畸变时新型处理机匣-自适应流通处理机匣对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中进口总压畸变通过在进口径向段布置栏杆实现。数值结果表明,进口畸变后采用自适应流通处理机匣能够提高转子的性能,其中效率的增加效果比总压比的明显,并获得近6.8%的综合失速裕度改进量。通过详细地分析压气机内部流场表明,处理机匣后使部分叶顶通道吸力面附面层分离起始位置向后缘移动,最大后移距离约为11%叶顶弦长,削弱了叶顶通道由气流分离造成的不良影响,并抑制叶顶间隙泄漏流从相邻叶片叶顶前缘的溢出,当喷气装置对准叶片通道时,其抑制前缘溢流的效果才是最佳的。     

桥式槽处理机匣的扩稳机理研究

利用数值模拟的手段对桥式槽处理机匣的失速机制和扩稳机理进行研究。通过与实壁机匣和全通槽处理机匣的对比分析结果表明:叶尖泄漏和叶片吸力面的分离均会引起叶尖通道堵塞,进而诱发失速。在实壁机匣情况下叶尖泄漏流堵塞叶尖通道是诱发失速的主要原因;全通槽和桥式槽处理机匣均能减弱叶尖泄漏流强度,但是全通槽处理机匣加剧了吸力面的分离,这造成了较大的效率损失;而桥式槽处理机匣能够通过改变抽吸区和喷气区的面积大小控制泄漏流和分离流引发的流道堵塞,从而在裕度提升和效率损失之间取得平衡。研究表明:喷气区面积越大,叶尖攻角越大,吸力面分离越强,压气机效率越低;抽吸区面积越大,泄漏流越弱,压气机的失速裕度越大。     

折线斜缝式机匣处理的实验研究及机理分析

本文在吸收了传统处理机匣优点的基础上,根据本校单级轴流压气机的结构参数,设计了一种新型的折线斜缝式处理机匣。在中低转速下,在单级轴流压气机上对其性能进行了详细的研究,得出了该种处理机匣的扩稳效果及轴向叠合量、背腔容积对压气机裕度及效率的影响。研究结果表明,该类处理机匣不仅可以有效的改进稳定工作裕度,而且可以使效率有所提高。文中对折线斜缝式机匣处理的机理也进行了分析。