轮毂旋转对环形叶栅角区流场的影响

通过数值模拟来研究和分析某环形叶栅轮毂壁面旋转对静子叶根角区流动结构的影响.研究结果表明:轮毂正向转动可以减小叶栅端壁区的流动堵塞,轮毂端壁角区的流动结构由三维分离流动结构转变为泄漏涡占主导的端壁分离结构.轮毂壁面旋转带来的叶栅角区流动结构的变化根本原因在于端壁转动引起的叶栅根部间隙泄漏增强,阻碍了轮毂端壁附面层二次流向叶片吸力面角区的堆积.      

机匣处理作用下高负荷轴流压气机转/静子匹配设计研究

为了探索机匣处理作用下转/静子的轴向匹配方法以进一步提高压气机级的失速裕度,研究了静子的叶型安装角及"弯"、"掠"规律对压气机性能的影响,针对机匣处理与优化静子的组合结构进行了非定常数值模拟,阐述了该结构的扩稳机理以及压气机新的失速机制。研究结果表明,在机匣处理作用下,静子成为压气机失速的触发因素,通过对静子叶型安装角及"弯"、"掠"规律的优化均可进一步提高压气机级的失速裕度,其中改变静子"弯"型对压气机级失速裕度的改善最大。组合应用机匣处理与尖部反弯根部正弯静子后,压气机效率基本不变,失速裕度提升了80.2%,较单独使用机匣处理提升30.9%。在该组合结构作用下,压气机的失速由静子触发,静子叶根吸力面在激波作用下发生附面层分离,且与轮毂表面附面层相互作用形成角区涡,接近失速边界时,静子叶根形成"前缘溢流,尾缘反流"现象,造成静子通道的大范围堵塞,诱发压气机失速。压气机级的扩稳应充分考虑机匣处理的影响,对静子进行优化设计。     

悬臂静子间隙影响的计算分析

悬臂静子在小型涡轮喷气和涡轴发动机的轴流压气机上广泛应用,为了探讨不同条件下悬臂静子间隙的影响,在特定的环境下,分别针对常规负荷和高负荷、小轮毂比和中等轮毂比,组合成几种不同方案,计算分析了静子根部径向间隙分别为弦长的0%、0.25%、0.5%、1%、1.5%和2%情况。计算结果表明:与叶栅中情况类似,在压气机中,悬臂静子同样存在一个特性上表现最优的最佳间隙;在根部未发生角区失速的大流量状态和设计状态,间隙的引入会使得特性恶化,在根部发生角区失速后的小流量状态,间隙的引入则能使得特性变优;间隙形成的泄漏流对角区分离的影响与间隙大小和角区分离程度相关;压气机设计状态负荷水平减小后,间隙的影响规律基本不变;轮毂比增大后,最佳间隙值有减小的趋势。     

某型串列静子的三维气动数值优化设计

针对某型高负荷轴流压气机串列静子近轮毂处存在的分离,利用自行开发的压气机三维气动数值优化设计平台,选择复合形优化方法,通过修改串列静子近轮毂处的三维积叠方式对串列静子进行了优化设计.结果表明,优化设计取得了良好效果,在消除分离的同时,有效提高了压气机的整体性能.      

涡流发生器周向相对位置和高度对高负荷风扇性能的影响

为了研究涡流发生器周向相对位置和高度对高负荷风扇性能的影响,根据风扇的流动特点,设计了在第二级静子叶根入口前加涡流发生器的流动控制方案,并以此为基础提出了多种不同周向位置和高度的涡流发生器方案,通过计算对采取各种方案下的流场进行了分析。研究表明,涡流发生器对风扇第二级静子角区气流分离有较好的控制作用;涡流发生器的周向位置对第二级静子角区气流分离和损失的影响较大,采取方案C时可以更好地抑制角区气流分离,减少局部损失;涡流发生器高度过高会使静子压力面出现不同程度的低速区,同时也会引起静子通道内局部损失增加,在所研究的范围内,当涡流发生器高度降低1%叶高时,其对吸力面角区分离的控制效果更加明显。     

附面层吸入条件下非轴对称静子对风扇流场影响数值研究

附面层吸入导致进气道与风扇气动交界面处产生严重的总压、旋流畸变,进而使得风扇效率、稳定性降低,是制约其应用的主要问题之一。为了提高风扇的抗畸变能力,本文对风扇静子进行了非轴对称设计和数值仿真计算。结果表明：相较于原型风扇,非轴对称静子效率提高0.31个百分点,失速裕度提高50.5%,风扇内部流场有明显改善,扩压因子减小,畸变区静叶叶尖吸力面角区分离范围显著降低,叶片通道通流能力上升。非轴对称静子改型方案通过改变畸变区静叶进口几何角与弦长,使静叶冲角基本不变,稠度增加,气流在吸力面上不易发生分离,从而使得角区分离范围减小,流动损失降低,风扇性能提升。     

某高负荷子午加速风机气动设计与数值模拟

兼顾民用风机的气动性能与制造成本,采用三种方案(等厚度串列静子方案、叶型串列静子方案和等厚度单排静子方案)对某高负荷子午加速风机进行了气动设计和数值模拟研究.结果表明采用叶型叶片与等厚度叶片相比对风机气动性能的改善很小,近设计点时叶型串列静子方案的压比和效率仅比等厚度串列静子方案高0.18%和0.8%.串列静子抑制了单排静子通道内的角区分离,减小了通道内的堵塞,使等厚度串列静子方案的失速裕度比等厚度单排静子方案提高了11%.综合考虑气动性能与制造成本选定等厚度串列静子方案为风机的最终方案,其不同转速的特性表明该方案的性能完全满足设计指标的要求.      

三维造型对高负荷跨声风扇静子的影响分析

以负荷系数高达0.42的跨声风扇进口级为背景,利用三维数值模拟手段,研究了叶片三维气动造型技术对高负荷跨声风扇静子气动性能的影响,并深入地分析了其影响机理.结果表明:由于激波在静子叶根有垂直于轮毂端壁的趋势,因此前掠造型对于激波/端壁附面层所主导的静子角区分离的控制效果并不明显;相比之下,正弯静子通过加入叶片力使得角区中的低速流体向叶中发生径向迁移,显著地改善了静子的性能;而复合弯掠进一步提高了静子的性能,说明单纯使用前掠造型收效不佳,需要配合正弯造型才能达到最佳效果.      

多级轴流压气机子午流道堵塞面积律

发展了一个揭示轮毂端区堵塞变化的物理模型,将端壁堵塞量与主要设计参数之间建立起定量的联系,并利用数值模拟方法进行了验证.同时结合飞机跨声速面积律思想,提出了多级轴流压气机子午流道的堵塞面积律,根据此思想改进设计了一台4级压气机,经过数值模拟证明把多级压气机的堵塞量估计与子午流道的轮毂修型相结合,通过轮毂的精确修正,可以改善多级压气机通道的堵塞,使各级的匹配更加合理,效率和裕度得以增加.     

压气机角区失速预测模型的改进与实验验证

角区分离普遍存在于压气机中,随着负荷的提升,角区分离可能发展为角区失速,导致流动的堵塞与损失显著增大。前人基于二维叶栅,提出了预测叶片角区失速的模型,但这些模型并没有考虑到真实压气机环境中流动的强三维性。本文在现有模型基础上,一方面对其进行改进,以考虑压气机中流动具有强三维性的影响;另一方面,利用低速压气机实验台上获得的大量实验数据对现有模型和改进后的模型进行校验。结果表明:在真实压气机中,现有的准则不再可行;而基于改进后的模型,存在一个临界参数D=0.405±0.02,能够准确判断静子根部角区分离和角区失速;另外,改进后的参数D与静子根部端区流动影响范围内的堵塞和损失存在很强的关联。     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

篦齿封严流动及其对压气机静子性能的影响

为研究工程上广泛采用的3平齿型篦齿封严泄漏流动,以1台多级压气机第3级静子为例,利用数值模拟技术进行了计算分析.结果表明：篦齿封严间隙与泄漏流量成线性正比关系,但对静子流通能力和总压损失等的影响不是线性的;篦齿封严泄漏导致静子端壁区流动产生角区分离,并催生强的二次流动,是静子封严泄漏能够影响主流大范围流动的内在机制.为此提出将篦齿封严间隙控制在1％叶高左右的建议,以将篦齿封严泄漏对压气机静子的影响控制在可接受的范围之内.     

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。     

单级轴流压气机叶端区二次流动的研究

为揭示某单级压气机非设计转速下影响效率和稳定性的关键因素,采用实验和数值模拟相结合的方法,系统地研究了该压气机动、静叶通道内的二次流动随工况（即叶片负荷）的变化规律.对于转子,大流量工况叶端区的二次流主要以泄漏流/泄漏涡和轮毂角区分离为主,而到了峰值效率和近失速工况,整个叶高基元的过度扩压导致的叶片失速抑制了轮毂角区失速的发生.静叶叶尖端区的二次流动虽然具有三维性,但到了近失速工况它依然没有发展成为角区失速.静叶叶根的泄漏流动虽然对端壁附面层的低能流体向轮毂吸力面角区的汇聚起到了一定的抑制作用,但它对角区失速的控制效果却受到压气机不同流量工况的影响.近失速工况叶根泄漏流动抑制角区失速的能力不足是导致压气机效率下降的主要因素,而转子叶尖的二次流动造成的对整个叶尖通道的阻塞是限制压气机稳定性的关键因素.      

轴流压气机静子角区分离流动的DDES数值研究

为进一步加深对压气机静子角区分离流动非定常性和湍流特性的认识,以某台用于低速模拟的多级低速轴流压气机的第3级改型静子为研究对象,采用延迟脱落涡模拟(DDES)方法进行详细的数值研究。结果表明:压气机静子角区分离流动受到叶片几何参数和来流条件的综合影响;通道涡是引起静子角区分离的主要涡系结构,其发展过程伴随着大小尺度发簪涡的交替出现;通道涡、发簪涡和尾迹脱落涡的相互作用是引起静子角区分离流动非定常性的主要来源;静子角区存在高度各向异性和能量反传的湍流特征;角区分离区的频率幅值强于主流区,振幅较大的区域位于500 Hz以下的低频区。      

等离子体气动激励抑制压气机叶栅角区流动分离的仿真与实验

进行了等离子体气动激励抑制低速压气机叶栅角区流动分离的数值仿真研究,并进行了实验验证.小攻角情况下,叶片吸力面角区流动分离导致显著的尾迹总压损失.来流速度为50 m/s(雷诺数为223 000)时,等离子体气动激励可以有效的抑制角区流动分离,降低总压损失.激励电压、频率分别为10 kV和22 kHz时,50%叶高处的尾迹压力分布基本不变,60%和70%叶高处的最大总压损失分别减小了13.83%和10.74%.增加激励电极组数或激励电压,可以增强抑制效果.      

某型轴流发动机气动不稳定试验

对某轴流式涡喷发动机节流过程中的气动不稳定现象进行了试验研究。通过定性分析和数据处理，揭示了节流过程中发动机气动失稳的过程和机理，压气机第1级静子机匣壁面静压脉动分量的形式和强度变化与上游转子端壁流动分离的程度密切相关，且静压脉动的概率密度函数分布可以反映这种变化。提出了一种检测失速征兆的新思路，即检测压气机第1级的流动分离，而不是直接检测出现在级负荷和轮毂比较高的压气机级中、导致压气机整机失速的模态扰动和(或)短周期扰动，来判断发动机工作点接近不稳定工作边界的程度。应用这种思路，预期可以提高失速征兆检测的时效性。     

压气机静子通道内的流场测量

为了研究根部间隙对压气机静子通道内流场的影响,设计了4根不同长度的“L”型五孔探针和1根四孔探针.通过位移机构带动上述探针,在最大流量和近失速两种工况下,对某双级低速轴流压气机的第1级静子通道内5个不同轴向位置截面进行了流场测量.实验结果表明:静子通道内总压损失主要是由叶尖附近角区分离以及根部泄漏流与主流的相互掺混引起的.静子通道内主要存在着上/下通道涡、叶尖角涡和泄漏涡等旋涡结构.      

跨声叶栅角区激波/附面层干扰的开槽控制措施

提出了使用叶根槽作为一种被动控制手段来控制跨声叶栅的角区分离问题。在压力面与吸力面的压差作用下,叶根槽可产生自发射流,为叶栅吸力面侧角区注入高能流体,从而控制跨声叶栅的角区分离问题。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下叶根槽对压气机叶栅性能的影响及作用机理。结果表明:在小攻角下,叶根槽射流可破坏角区环形涡,从而有效减小跨声叶栅角区分离,提高叶栅的流通能力,改善叶栅性能;在大攻角下,叶根槽射流已不能破坏角区环形涡,但仍能为角区低能流体充能,减弱角区分离,从而拓宽叶栅工作范围。在0°攻角下总压损失系数可降低11.6%,同时叶栅攻角裕度由2°拓宽为3°。      

单级环境静叶等离子体流动控制机理仿真研究

在轴流压气机等离子体扩稳研究中,针对单转子压气机流动控制的研究较多,而针对单级环境下静叶流动控制的研究却很少.采用静叶轮毂轴向等离子体激励方式,通过数值模拟方法研究单级环境下静叶流场特性,揭示轴流压气机静叶等离子体流动控制扩稳机理.结果表明:等离子体激励器的轴向位置对单级轴流压气机的扩稳效果影响显著,越靠近叶片前缘,扩稳效果越好;布置在静叶通道后半部的等离子体激励器无法提高压气机的稳定性,而在静叶前缘施加轴向等离子体激励时,近轮毂区气流被诱导加速,主流的轴向速度提高,有效抑制了静叶近轮毂区吸力面的流动分离,静叶近轮毂区的堵塞减小,使得单级轴流压气机的稳定性提高.