跨声速压气机叶片掠和机匣处理组合效应的机理研究

针对典型跨声速压气机转子，采用非定常数值模拟方法研究了叶片掠设计和机匣处理的组合作用对压气机转子性能的综合影响。分别探讨了转子前掠、后掠和掠叶片与机匣处理组合等形式对转子峰值效率和稳定工作裕度的影响效果和内在机制。研究发现，前掠转子与机匣处理组合能够以较小的效率损失（-0.56%）为代价获得最佳的扩稳效果；在前掠转子与机匣处理组合作用下，对间隙泄漏流的动量激励和叶顶低能堵塞流体的有效消除是组合机匣处理扩稳的本质原因。结果表明，采取前掠转子和机匣处理的组合形式，可以弥补前掠转子设计损失转子最大负荷的不足，同时以较少的效率损失代价充分发挥了机匣处理的扩稳潜力。     

对转压气机中自循环机匣处理扩稳机理的研究

为拓宽自循环机匣处理的适用范围,以对转压气机为研究对象,采用数值方法研究了自循环机匣处理的扩稳机理和轴向喷气位置对其扩稳能力的影响,详细分析了自循环机匣处理前后对转压气机的总体特性和转子叶尖流场的变化.结果表明:对最先失速的转子配置自循环机匣处理可以获得可观的裕度改善,但轴向喷气位置对扩稳效果和压气机的气动性能均有显著...     

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.      

机匣处理的非定常数值分析

采用非定常计算方法对轴流式压气机中机匣处理的扩稳效果进行了研究.进行了某型风扇斜缝带背腔式机匣处理在单转子和单级环境下及Rotor37轴向缝式机匣处理的数值计算, 分析了下游静子的存在对机匣处理数值模拟结果的影响.结果表明该计算方法能够模拟出机匣处理的非定常作用, 并且只有当危险截面位于叶尖附近时, 机匣处理才有扩稳的能力.发现单转子环境下的计算不能准确地表现出机匣处理的真实作用, 下游静子的存在会导致上游转子危险截面位置的改变.      

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。     

叶顶引气位置对自循环机匣处理扩稳能力的研究

为了探究自循环机匣处理的引气口位置在叶顶变化时对压气机稳定性的影响,以亚声速压气机孤立转子为研究对象,采用数值模拟的方法对3种叶顶不同引气位置的自循环机匣处理方案进行了扩稳能力的研究。结果显示,引气位置在叶顶沿轴向变化时,3种引气位置获得的流量裕度分别为5.43%,22.77%,18.23%,扩稳能力呈现出先增强后减弱的趋势,引气位置越靠近叶顶低速阻滞区核心,扩稳能力越强。对自循环机匣处理后的叶顶流场进行分析,可知在叶顶引气的自循环机匣处理的扩稳机理在于:通过抽吸叶顶处低速阻滞流体和抑制叶顶泄漏流动来改善叶顶区的流动状况,从而达到扩稳目的。     

失速先兆抑制型机匣处理研究进展

随着现代高负荷航空发动机推重比的不断提高,风扇/压气机流动稳定性问题日益突出,而机匣处理是目前最有效的扩稳技术措施之一。首先回顾了机匣处理扩稳设计的研究历程和所面临的技术困难,进而阐述了失速先兆抑制型(SPS)机匣处理的研究思路和基本原理。基于所发展的SPS机匣处理理论设计模型,针对亚声速风扇和跨声速压气机进行了扩稳效果评估,结果显示,可以使亚声速风扇TA36和跨声速压气机J69Stage的流量裕度分别提高7.6%和6.8%。然后通过实验验证了SPS机匣处理的有效性,亚声速风扇TA36和跨声速压气机J69Stage流量裕度分别提高5.5%和9.3%,综合失速裕度均能够达到12%以上。同时,SPS机匣处理在小穿孔率大背腔情况下能够保持压气机原有的压升特性、峰值效率以及叶片径向负荷分布。最后,通过对失速先兆演化过程的对比分析发现,SPS机匣处理基于波涡相互作用改变了动力系统的阻抗边界条件,抑制了流场中的失速先兆的非线性放大,从而抑制旋转失速的发生。SPS机匣处理扩稳技术明显有别于传统机匣处理力图改变压气机尖区流动结构的扩稳思路,也完全不同于主动控制技术对消失速先兆波的研究策略,该技术为风扇/压气机流动稳定性控制提供了一种可供选择的技术途径。     

实壁/圆弧斜槽周向不对称组合式处理机匣实验

对实壁/圆弧斜槽组合式处理机匣在跨声压气机实验台上进行了实验研究.不同于传统处理机匣,实验的组合式处理机匣能够在大幅度提高压气机失速裕度的同时,使得其绝热效率增加接近1%,该组合式处理机匣能够取得"扩稳增效"的主要原因是,提高了叶尖区域的流通能力,抑制了分离流动,减缓了旋转失速的发生;通过采用周向非均匀分布的组合形式,减少了处理槽内的流动损失,使得机匣处理的收益大于损失,提高了压气机效率.      

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。     

自循环机匣处理轴向位置影响扩稳能力的机理

为了揭示自循环机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理,采用非定常数值方法研究了3种不同轴向位置对机匣处理（CT）扩稳能力的影响,结果表明:机匣处理喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的扩稳能力最强,喷气装置在叶顶前缘正上方的次之,喷气装置在叶顶前缘上游较远处的最弱,对应机匣处理获得的综合失速裕度改进量分别为9.40%,7.09%,5.49%.通过详细地分析压气机叶顶流场表明:喷气装置离叶顶前缘最近且在叶顶前缘上游的机匣处理施加有利影响程度最高的范围刚好覆盖叶顶前缘处,此处是引起转子失速的关键部位,因此抑制叶顶间隙泄漏流造成的堵塞的效果最好,对应的扩稳能力在3种机匣处理中最强.      

高负荷跨声速轴流压气机周向浅槽处理机匣扩稳机理

为验证周向浅槽处理机匣的扩稳效果,通过数值仿真的方法,主要探讨了工作于非设计转速下的高负荷轴流压气机上,处于不同轴向位置浅槽式机匣处理及其组合对压气机稳定性的作用.确定了各周向槽于稳定性的主要贡献、机理和处理槽之间的相互影响.研究发现:周向浅槽可以在效率平均下降不到1％的情况下有效地对压气机进行扩稳;通道下游位置的周向槽以线性方式对顶隙泄漏流与扩稳量进行组合影响;另外,通过浅槽的扩稳作用,压气机的失速类型也会发生明显变化.     

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。     

低速轴流压气机周向单槽机匣处理扩稳实验研究

周向槽机匣处理作为一种有效的扩稳措施得到了广泛应用,但是缺乏对其机理的深入理解和认识。为此,在一台低速单转子轴流压气机上考察了周向单槽机匣处理随轴向位置变化的扩稳效果。实验中获得了单槽不同轴向位置的扩稳规律,在该台压气机上得出了扩稳效果最好的槽位于40%~60%轴向弦长,而当单槽位于27%轴向弦长附近时,其扩稳效果最差。在此基础上,选取了最优扩稳槽位和最差扩稳槽位进行详细的壁面非定常流场测量和尾迹测量,对比分析了光壁条件与各单槽处理机匣对叶顶间隙泄漏流和转子尾迹的影响。结果表明,采用扩稳效果最优槽位之后,周向单槽能推迟叶顶间隙泄漏流与主流交界面前移,以及减弱叶顶间隙泄漏流非定常性,且能明显增强尾迹区1BPF(叶片通过频率)的能量,同时减弱0.5BPF的能量,达到扩稳的目的。而对于扩稳效果最差槽位而言,叶顶间隙泄漏流与主流交界面直到失速前也无法跨过单槽从叶片前缘溢出,周向单槽改变了叶顶间隙内部诱发突尖失速先兆的扰动传播方式;另外,其对转子尾迹区0.5BPF和1BPF的影响也比较小,从而使得其扩稳效果减弱。     

带周向单槽的低速轴流压气机失速起始过程

为了深入认识周向槽轴向位置对压气机失速机制的影响规律,针对某叶尖敏感的低速单转子压气机开展实验测量与数值模拟相结合的研究。实验与计算结果均表明,位于叶片弦长中部的周向单槽扩稳效果最好,而位于叶片前缘下游20%~30%轴向弦长位置的周向单槽扩稳效果最差。进一步分析了利用非定常、多通道计算模型获得的数值结果,发现对于光壁机匣和扩稳效果最好的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下到达叶片前缘位置,压气机通过突尖型失速先兆进入失速状态;对于扩稳效果最差的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下仍位于叶片通道内部距离叶片前缘20%的轴向弦长位置,压气机经历了由准模态型失速先兆向突尖型失速先兆转换的失速起始过程。     

钟形曲线法对低速大尺寸压气机轴向缝机匣处理扩稳效果的研究

为了降低机匣处理设计过程中的海量试验和计算成本与周期,从实际角度出发,采用了一种可快速判断不同机匣处理扩稳能力的钟形曲线法。其优势在于:不需要对机匣处理方案进行整条特性线计算,只通过比较其在光壁机匣近失速点的对应流量下动叶端区累加轴向动量,即"钟形曲线",就可以快速判断出不同机匣处理的扩稳能力。以缝式机匣处理为示例,在低速大尺寸压气机上设计了三种不同的轴向缝方案,利用钟形曲线对其扩稳能力进行了预估,并完成了实验验证。结果表明,采用钟形曲线法预测扩稳能力与实验结果趋势一致,大幅缩减了轴向缝扩稳效果的评估周期,体现了该方法在机匣处理设计方面具有良好的工程应用价值。     

低速离心压气机非稳态流和机匣处理的数值分析

机匣处理能够改善压气机稳定裕度,扩大其稳定工作范围。为了验证并分析其扩稳机理,对带沿气流流向槽的低速离心压气机内部进行了全三维数值模拟,将数值计算结果与实验结果进行了比较,并详细对比分析了实壁机匣和机匣处理后离心压气机转子顶部区域流场结构,以及阐述了机匣处理对叶顶间隙泄漏涡和二次流等非稳态三维紊流流动的影响。     

可调进口导叶和叶片角向缝处理机匣相互作用的

可调进口导叶和叶片角向缝处理机匣都能扩大压气机的稳定工作范围,为了分析同时采用这两种措施对压气机稳定性的影响及二者之间相互作用的机理,在单转子轴流压气机实验台上对不同导叶弯角下实壁机匣和叶片角向缝机匣进行了详细的实验测试。同时,对导叶弯角为+10°的每一种机匣结构和导叶0°的实壁机匣结构进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果符合良好,相对于导叶0°的实壁机匣,实验及数值模拟结果均表明,导叶正弯角结合叶片角向缝机匣处理结构能更好地扩大压气机的稳定工作裕度。对转子流场进行对比分析可得,导叶正预旋能抑制叶背气流的分离,提高压气机的稳定工作范围,但仍然没有改变转子叶尖部诱发失速的流动现象,而叶片角向缝主要是通过对叶顶气流的抽吸作用抑制了间隙泄漏流达到扩稳效果,因此耦合时能独立发挥各自的扩稳作用,从而能获得比单独使用任何一种方法都要更大的稳定工作范围的提升。     

处理机匣对跨声压气机进气畸变的响应

对带处理机匣的压气机转子Rotor 37在总压畸变进口条件下的流场进行了三维数值模拟.分别计算了光壁、斜缝处理机匣和带背腔斜缝处理机匣在有畸变和无畸变进气时的转子特性参数,分析了均匀进气时斜缝处理机匣的扩稳机理,并比较分析了两种处理机匣在畸变进气时对压气机的稳定性影响.结果表明:在均匀进气时两种处理机匣都具有较好的扩稳作用,但在畸变进气时带背腔斜缝机匣的扩稳作用比均匀进气时的扩稳作用减弱,而无背腔斜缝机匣会使压气机的稳定裕度下降.     

槽式处理机匣几何结构参数的正交试验

针对一亚声速单级轴流压气机试验台,根据正交试验的要求设计了9种周向槽机匣处理结构.以其为载体系统地研究了槽式机匣几何结构参数对其扩稳效果的影响.正交实验结果表明:在两种换算转速下无需对所用可能组合的处理机匣结构进行试验,使用正交分析方法对试验结果进行分析都能成功预测扩稳效果最好的处理机匣结构型式.      

评估周向槽机匣处理扩稳效果的新指标

在分析周向槽机匣处理扩稳装置结构的基础上, 采用三维粘性数值分析方法对带周向槽机匣处理的叶栅通道进行了计算, 获得一些有益的结果。首次提出用通过处理槽的气流流通量评估周向槽机匣处理的扩稳效果和扩稳能力, 分析讨论了处理装置的各种结构尺寸参数对扩稳效果的影响, 并得到大量实验结果的证实。为工程设计压气机机匣处理装置提供了理论依据。