旋转总压畸变对压气机稳定性影响的二维不可压缩模型

以Moore-Greitzer模型为基础, 发展了一个预测轴流压缩系统动态失速特性及进气非均匀性影响的二维不可压缩理论模型, 并利用该模型计算分析了进气总压畸变的幅值和旋转频率对下游压气机稳定性的影响.计算结果表明:进气总压畸变的幅值和旋转频率对压缩系统的动态失速特性和稳定性都有强烈的影响, 旋转频率对旋转失速边界和喘振边界的影响类似.但是, 对应系统稳定裕度损失最大值的"危险"响应频率强烈地依赖于其旋转失速的传播频率.      

压气机二维可压缩气动稳定性分析模型

基于压缩系统气动稳定性理论模型对压气机内部流动可压缩性以及叶排之间相互影响的需要,以Moore-Greitzer模型为基础,发展了一个用于分析多级轴流压气机动态失速特性的多"激盘"二维可压缩模型.该模型采用二维非定常的可压缩Euler方程描述压气机上、下游管道以及各叶排之间轴向间隙内的流动,而采用"激盘"分别取代压气机的各个叶片排.利用该模型,系统地计算和分析了多级轴流压气机中二维小尺度旋转失速的起始特性和动-静叶之间的相互影响,以及总压畸变旋转频率对下游压气机稳定性的影响.计算结果与实验数据的比较表明该模型及其计算结果是可靠的.      

进气畸变对轴流压气机性能影响的准三维计算

为了提高分析进气畸变对轴流压气机气动性能和稳定性影响的能力,发展了一种沿叶高将压气机分割为若干个子压气机、采用二维可压缩非定常的Euler方程描述各子压气机回转面上无叶区的流动,并利用二维可压缩"激盘"取代各子压气机的转子和静子叶排的预测进气畸变影响的准三维模型。稳定边界的确定采用Koch的最大失速静压升系数法,并引用了临界畸变角的概念。计算分析了总温畸变、总压畸变以及总温 总压组合畸变沿多级轴流压气机的传递和对压气机性能和稳定性的影响。计算结果与现有的实验数据十分一致。     

旋转进气畸变对压气机气动稳定性及失速起始特性的影响

开展了旋转进气畸变对压气机气动稳定性影响的试验研究,试验结果表明旋转畸变网对压气机的气动稳定性和总静压升特性均有很大的影响.当畸变网与压气机相反旋转时,压气机的压升能力变化较小,稳定边界点流量系数变化不大;当两者转向相同时,进气畸变旋转频率对稳定边界点的压升系数和流量系数的影响均较大,尤其是在40%60%转子转速范围内压气机的稳定性和压升能力急剧下降.通过对特征频率幅值变化的分析,认为畸变网转速在40%60%转子转速范围内时,首先产生由畸变网后低压区诱导的旋转失速;随着压气机工作流量的继续降低,压气机进入其自然旋转失速状态.失速起始过程的试验结果表明,旋转进气畸变对于该压气机的失速起始特性未产生影响,表现为模态波失速起始的特征.      

轴流压气机动态失速过程三维计算方法研究

基于三维非定常欧拉方程和三维激盘模型发展了一种用于研究轴流压气机动态失速过程的三维计算方法。利用该计算方法研究了某型高压压气机第一级的动态失速过程,并就转子总静压升特性的三种不同径向分布对失速过程的影响进行了分析。计算结果表明该方法能够反映出压气机的三维动态失速过程、失速团的三维空间结构,并能有效地表现出转子沿径向的特性变化对压气机气动稳定性的影响,而且还能够用于判断压气机的危险截面。     

径向进气总压畸变对压气机气动稳定性的影响

为揭示径向进气总压畸变对压气机气动稳定性影响的物理机制,分别开展了尖部和根部进气总压畸变对压气机稳定边界以及动态失速过程影响的试验研究。结果表明,均匀进气时,压气机在叶尖区域首先形成失速团;径向总压畸变会引起气流参数的径向分布发生变化,其中尖部进气总压畸变会增加叶尖区域的攻角,导致压气机失速提前,而根部进气总压畸变则会改善叶尖区域的流场,降低攻角,使压气机失速延迟;气流参数径向分布变化也会影响动态失速过程中模态波扰动和失速团的三维扩散过程。     

轴流压气机动态失速过程三维计算

基于三维非定常欧拉方程和三维激盘模型发展了一种用于研究轴流压气机动态失速过程的三维计算方法.利用该计算方法研究了某型高压压气机第一级的动态失速过程,并就转子总静压升特性的三种不同径向分布对失速过程的影响进行了分析.计算结果表明该方法能够反映出压气机的三维动态失速过程、失速团的三维空间结构,并能有效地表现出转子沿径向的特性变化对压气机气动稳定性的影响,而且还能够用于判断压气机的危险截面.      

旋转进口畸变频率对跨声速压气机稳定性影响的数值研究

为了研究旋转进口畸变对于压气机失速过程的影响,以及探讨最易诱发压气机失速的扰动频率即特征频率存在性的问题,采用非定常方法计算研究了4种不同频率的进口旋转畸变对跨声压气机Rot or37失速起始过程的影响。结果表明:在同样幅值条件下,当旋转频率与失速扰动频率相近时的畸变会引起失速,反之亦然;进口畸变的低压区引起部分叶片通道内流动结构失稳后,在叶尖泄漏涡破碎的作用下通道内形成严重堵塞,从而导致压气机失速。该方法能够较好地描述转子中失速团的发展过程,同时得出了进口畸变频率对失速过程影响的物理机制。     

进气畸变对低速轴流压气机失速特性的影响

利用插板扰流器模拟压气机进口畸变流场,并深入分析了此畸变流场对某单级低速轴流压气机的旋转失速特性的影响.通过对压气机性能瞬时响应、失速扰动信号的发展和失速扰动信号的频谱特性的分析,探讨了进气总压畸变对压气机失速形式、失速强度、失速频率的影响.在畸变区形成的失速扰动将经历形成、发展、衰减甚至消失这一发展过程,只有当阻尼不足以阻止失速扰动的发展和周向传播时,压气机才会进入旋转失速状态,从而影响了压气机失速特性.      

进气畸变对压气机性能影响的三维彻体力模型

基于三维彻体力模型理论初步发展了一个能有效预测进气畸变下压气机性能的压气机三维稳定性分析模型(CSAC).该模型通过求解带有源项的可压三维Euler方程组,对压气机内部全环三维流场进行模拟.叶片对气流的作用力和做功源项根据压气机三维稳态Navier-Stokes(N-S)解的相关气动参数计算得到,并给出了源项与叶片进口气动参数之间的数据库关联方法.利用该模型计算和分析了NASA Rotor 37在均匀进气下的气动性能,并与三维稳态N-S计算结果对比,验证了该模型的准确性.最后利用该模型模拟了Rotor 37在稳态周向总压畸变下的性能.结果表明:总压畸变不但降低了压气机的气动性能和稳定裕度,而且在压气机转子出口诱发总温畸变,研究表明该模型在消耗较少的计算资源下正确地反映了进气畸变对压气机性能的影响,是目前分析进气畸变对压气机性能影响的有力工具.      

轴流压气机气动扩稳一类新措施的实验探索

采用外部绕流激励的方法研究非定常绕流对压气机气动稳定性的影响规律,并在此基础上探索了该措施的工程应用前景.通过模型实验验证了利用压气机内叶排间绕流的非定常耦合作用,优化匹配其周向气动布局方案,可有效的提升压气机稳定工作裕度,并改善其气动稳定性.结果表明:当绕流撞击强度达到某一阈值,并且当非定常绕流频率与非定常旋涡脱落特征频率发生耦合时,可较大幅度的提高压气机稳定工作裕度,其相对值可提高约22.1%.这一结论在压气机不同的折合转速工作状态下仍然得到了验证.     

进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型

为了预估变循环发动机气动稳定性对周向进气畸变的响应,建立了进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型.采用带源项的二维非定常欧拉方程描述变循环发动机内部的流动,根据部件特性计算源项,采用时间推进法求解方程组.利用该模型分析了周向进气畸变沿某变循环发动机流路的传递和该发动机的临界畸变指数,计算结果表明:该模型实现了对进气畸变影响变循环发动机气动稳定性的仿真;进气畸变经过核心机驱动风扇级后有显著的衰减;核心机驱动风扇级对进气畸变非常敏感,易发生失稳,是变循环发动机抗畸变的薄弱点.      

共轴对转螺旋桨的非定常气动干扰

为优化共轴对转螺旋桨的气动性能,研究前后桨之间复杂的非定常气动干扰,使用非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程的数值模拟方法,以及滑移网格技术,对6×6构型的共轴对转螺旋桨进行了三维非定常气动干扰计算,获得了共轴对转螺旋桨的气动特性变化规律,并给出了优化气动外形及运行控制的建议。计算结果表明:来流马赫数为0.38的情况下,由于非定常气动干扰导致的整个共轴对转螺旋桨的拉力系数和功率系数的脉动幅值为1.5%左右,推进效率的脉动幅值在0.1%左右。一个旋转周期内,前后桨均出现了12次周期波动,后桨由于能够吸收一部分前桨产生的切向滑流能量,推进效率比前桨更高一些,而且能够提高整个桨的效率。另外通过压力系数以及轴向速度的径向分布情况看,70%左右的桨半径位置上非定常气动干扰强度相对较大。      

轴流压气机大小叶片气动弹性稳定性分析

分别采用能量法和时域法对轴流压气机大小叶片进行了气动弹性稳定性分析,获得了叶片的气动模态阻尼比和叶片表面的非定常气动功分布.对叶片的振动位移响应进行了频域分析,并与常规设计转子作了对比.结果表明:大小叶片存在的结构失谐和气动失谐对气动弹性稳定性有明显的影响.气动失谐改善了叶片表面的非定常气动功分布,结构失谐改变了叶间相位角的影响.大小叶片对应的1阶模态振型的气动模态阻尼比为0.000791,而常规设计转子的值为0.000217,大小叶片相对于常规设计转子,不仅改善了气动性能,同时还提高了气动弹性稳定性.      

桨间距对某型共轴对转螺旋桨气动性能的影响

为掌握共轴对转螺旋桨的桨间气动干扰规律，降低桨间气动干扰强度，提升共轴对转螺旋桨的气动性能，基于非定常雷诺平均Navier-Stocks方程耦合湍流模型的计算方法，并使用了滑移网格技术，研究了4种不同桨间距的6×6构型对转螺旋桨的桨间气动干扰对其气动性能的影响，桨间距选择了4种不同方案。研究结果表明：在4种不同的轴向桨间距中，当桨间距为0.25倍螺旋桨直径时，共轴对转螺旋桨的平均推进效率最高，并且气动干扰导致的效率脉动幅度较小；随着桨间距的增大，前、后排桨受到的气动干扰强度都会减小，相比于后桨，前桨因气动干扰造成的脉动对桨间距更加敏感。可见共轴对转螺旋桨的桨间距会对螺旋桨的气动干扰，及气动性能产生较为明显的影响，在设计共轴对转螺旋桨时选择合适的桨间距，有利于提高螺旋桨气动性能。     

轴向间距对转子叶片气动激励的影响

使用自行开发的非定常流动分析程序对尾迹、势干扰和激波共同作用下的某高压涡轮级非定常流动进行数值模拟,研究引起叶片表面非定常压力扰动的气动激励机制.通过叶片通道内的畸变跟踪,结合叶片表面压力扰动时空图,对激励源进行识别和分类;通过对叶片表面非定常压力的频域分析,建立了激励源与上游叶片通过频率的关系;定义压力扰动均方根作为气动激励强度的量化参数,分析叶排不同轴向间距下气动激励的变化规律.结果表明:减小轴向间距并保持涡轮级的落压比和效率基本不变时,气动激励随着轴向间距的减小而增强;压力扰动的高阶分量可能会激励扭转模态为主的振动.      

旋转畸变对模态波发展过程影响试验

为探究"危险频率"的物理机制,设计了旋转畸变发生器,对旋转畸变条件下两级低速轴流压气机的失速起始过程进行了试验研究.结果表明:该旋转畸变发生器在不同转速下均能输出类方波状的总压分布.旋转畸变导致压气机总静压升特性下降和稳定裕度损失,并且存在使压气机稳定裕度损失最大的畸变旋转频率.失速起始过程中模态波产生于畸变区,传播到非畸变区时会受到抑制.当畸变旋转频率等于模态波的传播频率时,模态波发展为旋转失速所需的时间最短,压气机稳定裕度损失最大.对失速起始信号的时频分析显示"危险频率"在数值上等于模态波的传播频率.     

低速轴流压气机进口总压畸变与旋转失速关联的实验研究

在低速三级轴流压气机实验台上自行设计了进口总压畸变发生装置, 构造了稳态和动态测量方案, 并对实验数据进行了详尽分析.着重研究了进口总压畸变对压气机特性及失速过程的影响.结果表明, 压气机失速点不仅与畸变强度有关, 而且与畸变方位也相互关联;适当进口总压畸变会诱发压气机在失速前产生大尺度扰动, 但没有对失速频率构成影响.