非均匀栅距对轴流压气机流动影响的数值研究

本文进行了非均匀栅距叶片排的轴流式压气机流场数值研究,进口导叶采用了不同的非均匀栅距结构,探讨了不同工作状态下对压气机性能及动叶非定常气动力的影响。数值研究中采用LU-SGS隐式解法与双时间方法相结合,求解圆柱面二维流动的雷诺平均非定常N-S方程。数值研究的结果表明,进口导叶非均匀栅距结构对压气机气动性能影响不大,但对动叶表面受到的非定常气动力有一定影响。采用不同的非均匀栅距进口导流叶片排结构型式,动叶表面的非定常气动力的分布是不同的。不同工作状态下的计算结果显示,即使采用相同的非均匀栅距结构,非定常气动力的分布特性也是不相同的。     

轴流压气机机匣变形对多排转子流场特性的影响

在实际轴流压气机加工、装配、使用过程中,机匣的圆度控制、叶片的高度控制、转子和机匣之间的同轴度控制等都普遍存在误差,意味着叶尖间隙的不均匀性必然地存在于每台压气机中。随着对轴流压气机流动研究的不断深入,叶尖周向非均匀间隙成为了需要考虑的问题。针对由机匣变形造成的非均匀叶尖间隙,研究了其对多排转子流场特性的影响。首先介绍了表征机匣变形程度的新参数,进而引进了非轴对称压气机模型的建模方法。针对3种不同的间隙周向布局,采用定常和非定常方法进行了数值模拟,对比了均匀与非均匀间隙下多排转子的气动性能,分析了机匣变形对气动损失分布和传播的影响,并研究了非均匀间隙下非定常压力和气动力的脉动特征。结果表明：非均匀间隙会降低转子性能,转子叶排叶尖区域的流场在非均匀间隙下呈现明显的周向非对称性,在上游叶排“尾迹”的干扰下,后排转子叶尖流场的周向非对称性要大于前排转子。非均匀间隙布局与各叶片气动力分布呈现明显的对应关系,小间隙区域叶片的气动力高,大间隙区域叶片气动力相对较低,从而增加了非均匀间隙下转子叶片的气动力幅值。     

非均匀栅距对压气机叶片非定常气动力的影响

研究了轴流压气机叶片采用非均匀栅距对叶片非定常力影响的问题,利用高分辨率格式求解准三维雷诺平均N-S方程。非定常流场计算采用了双时间步法与LU-SGS隐式解法耦合的方法。研究了带进口导叶的单级三排叶栅非定常流动,其中动叶栅距不变,而导叶和静叶采用非均匀栅距。对不同结构的计算分析表明,在导叶和静叶采用一定的非均匀栅距组合型式后,在保证压气机级的性能变化不大的同时,动叶表面所受非定常气动力的状况得到改善,这将有助于提高动叶片的疲劳寿命。     

尾流撞击效应对轴流压气机下游叶排涡面的影响

针对某高负荷高压压气机末级,通过研究上游转子尾迹涡面周期性扫掠对下游静子涡面的影响,从涡面非定常作用的角度分析流场时空结构.结果表明,流场性能的改善与涡面时空结构相对应,尾迹涡面同分离涡面的相互作用可显著降低流动损失;与上游尾迹涡面发生耦合的是叶片尾缘旋涡交替脱落频率而非吸力面前缘分离涡不稳定频率.      

非轴对称导叶尾迹对低速轴流压气机的影响

在轴对称尾流撞击实验的基础上, 进行了多种非轴对称尾流撞击实验研究.当合理安排进口导叶的数目和周向分布形式时, 进口导叶(IGV)的非轴对称尾迹能对下游转子流场产生有益的非定常耦合激励作用.与轴对称尾流撞击方案相比, 非轴对称尾流撞击方案在保持了有益的高频激励信号的同时, 引入了合适的低频方波激励信号和其他有益的副频激励信号, 使得导叶尾迹更容易与压气机中的复杂涡系产生耦合激励作用, 例如通道涡、间隙涡和尾迹分离涡等.实验结果显示, 非轴对称尾流撞击方案B能使压气机的最高效率提高1.2%, 总压升和稳定裕度也略有增加.      

周向非均匀叶尖间隙对轴流压气机性能的影响

以跨声速单级轴流压气机为研究对象,通过改变转子外机匣椭圆度产生周向稳态非均匀叶尖间隙布局结构,在高转速压气机试验器上详细开展了周向非均匀叶尖间隙对压气机性能特性与稳定边界影响的试验研究。同时,结合转子叶尖间隙流场动态压力精细化测量,揭示了周向非均匀叶尖间隙触发压气机内部流动失稳的物理机制。试验结果表明:转子叶尖周向非均匀间隙对压气机流量、压比和效率基本没有产生影响,但对气动稳定性具有显著影响。随着转子机匣椭圆度增大,稳定工作边界逐渐向右下方偏移,压气机稳定工作范围不断减小;不同转速下,压气机稳定裕度损失程度并不相同,高转速工作区域的压气机稳定裕度损失程度要大于中低转速工作区域的;周向非均匀叶尖间隙会导致原有转子叶片气动负荷沿径向重新分布,弱化转子叶片尖部气动加功能力;设计转速时,相比于小间隙情况,大间隙下的泄漏涡与通道激波相互作用,使得相邻叶片压力面侧的高静压低速区域扩大,加重对转子通道的堵塞作用。     

尾流撞击效应的一些探讨

通过采用外部声激励的方式,在低速轴流压气机内研究非定常尾流撞击效应对压气机流场结构以及时均气动性能的影响。主要包括:低速轴流压气机实验台的流场调试;流场的稳态、动态测量;实验数据的处理和分析。实验结果表明:当发生尾流撞击耦合效应时,压气机内部流动的时空结构以及时均气动性能均得到较大提高。      

二维扩压叶栅非定常涡面分析

轴流压气机内流动是典型的非定常旋涡流动,而现有压气机分析设计体系在定常假设下以流场空间结构为对象.研究压气机内真实流动的途径之一是分析流场时空结构.把转/静叶片交错排列简化为单叶片排,再简化成2-D扩压叶栅.从叶栅非定常涡面的角度来描述非定常旋涡流场时空结构.作为举例,利用合成射流控制涡面演化,改善流场时空结构.此涡面简化模型可为进一步研究叶轮机叶排间干扰复杂流场的时空结构提供分析工具.      

周向局部处理机匣对压气机影响的数值研究

为了分析周向非均匀处理槽对压气机的影响,对一台单级跨声速轴流压气机进行了周向局部处理机匣与全周处理机匣的非定常数值研究.结果显示,具有相同处理槽数的周向局部处理机匣比全周处理机匣能获得更好的压气机性能.由于处理槽的周向非均匀性,前者给叶尖流场产生大尺度的周向非均匀特征,因而能提供后者所不具备的低频非定常作用.此外,提供了高、低频两种非定常作用的周向局部处理机匣能够同时改善叶尖泄漏涡与尾缘分离涡.      

关于轴流压气机的非定常两代流型

针对作者提出的轴流压气机非定常两代流型——非定常自然流型(UNFT)和非定常耦合流型(UCFT)——概念,本文进行了数值模拟和试验两个方面的验证。从数值模拟结果来看,实现非定常耦合流型后,对应非定常流场的时空结构将由无序状态向有序状态转化,流场的时均性能也能得到较大提高。环形叶栅声激励和PIV测量的实验结果亦证实了这一结论。     

中介机匣支柱尾迹效应诱发的高压压气机进口导叶共振现象在多级环境下的数值研究

为了解决某型燃气轮机高压压气机在进行数个小时试验后出现的悬臂式进口导叶断裂故障,以中介机匣与高压压气机进口级作为研究对象,采用约化方法在故障发生工况下进行了非定常数值模拟,得到了该工况下中介机匣内部的流场演化情况与作用在进口导叶叶身上的非定常气动力变化规律,结合叶片模态分析,对引起进口导叶疲劳断裂的原因进行了研究。结果表明：中介机匣支柱的尾迹效应是进口导叶受到周期性激励的主要原因。在故障发生工况下,钝体支柱流动尾迹的周期性激励频率与叶片自身一阶固有频率接近,导致高压压气机进口导叶产生共振,从而引起了叶片的疲劳断裂。     

离心压气机进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响

采用数值模拟方法研究了跨声速离心压气机进口导叶与叶轮的静/动叶排相互影响作用,研究包括三种几何间距模型及对同一间距模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定.计算结果表明:交界面位置的设定对混合平面法定常计算性能会产生较大影响,对非定常性能影响很小;叶排间距大小对级性能影响几乎可以忽略,但间距减小会造成流场内压力波动增大;叶轮激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响,且激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成.      

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.     

时序效应减小转子叶片表面非定常气动力的数值模拟

利用商用Numeca软件模拟了一个1.5级压气机中的时序效应现象,研究了导叶-静子周向相对位置变化时中间转子叶片表面非定常气动力及压力系数的变化。该1.5级压气机为南航低速压气机试验器(LSC)的简化结构,各排叶片数之比为1:1:1。为了孤立分析尾迹和势扰动的影响,还进行了导-转和转-静结构的计算。结果表明,通过调整导叶-静子的周向相对位置,可以使中间转子叶片表面非定常气动力的一阶响应幅值显著减小。     

单级跨声速压气机进气畸变数值模拟

基于彻体力模型的基本思想,发展了一套能够反映进气畸变对风扇/压气机气动性能影响的三维数值计算程序CSAC.首先详细研究了彻体力模型的具体建模方法,然后发展了相应的三维数值计算程序.利用该程序针对某单级跨声速压气机在均匀进气下的流场进行了计算验证,计算结果与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,流场主要参数分布与相关实验数据也有很好的一致性.利用该程序分别计算分析了进口存在稳态周向总压畸变及周向总温畸变的全环三维畸变流场,结果表明:压气机进口畸变流场存在大尺度、强三维特征,将导致压气机总压比及稳定裕度下降.所有计算结果均显示该模型能够在降低对计算资源和工程经验依赖的同时,有效分析进气畸变对压气机特性的影响.      

轴流压气机失速初始扰动形式的实验研究

对一单级轴流压气机的旋转失速发展过程进行了实验研究。应用SFC分析方法识别出失速的初始扰动有旋转波和小失速团两种形式,并且发现,压气机结构型式对失速的初始扰动形式有很大的影响。单级压气机与弧立转子相比,其失速初始扰动形式更为明显地表现为旋转波扰动。      

离心压气机中进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响研究

对跨声速离心压气机中进口导叶与叶轮的相互影响作用进行了数值模拟研究,研究模型包括三种几何间距模型及对同一间距几何模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定。计算结果表明：转静子交界面位置的设定对于多排叶片混合平面法定常计算性能会产生较大影响,5%叶轮轴向长度的变化就可造成1%的效率、2%的压比差别;进口导叶与叶轮的叶排间距大小对离心压气机级气动性能影响很小,但间距较小时会造成流场内较大的压力波动。在近叶排间距时,导叶切割叶轮激波会在导叶压力面侧产生一个高损失区,并沿导叶表面向上游传播;该高损失区由激波压力波造成。此外,激波存在与否,影响到两排叶片流场的相互影响作用强度：激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响;激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成。最后,在近叶排间距时,初始进入叶轮通道内且靠近主叶片压力面的尾迹相对靠近吸力面的尾迹片会滞后;完全进入叶轮通道后,近压力面侧尾迹的滞后更显著。     

进口导叶预旋对扩压器内部非定常 流场影响的实验

在不同的进口导叶预旋角度和方向下,采用热线风速仪对扩压器内部非定常流场进行了测量,采用锁相采样-集平均技术对热膜测量的瞬时信号进行处理,研究了进口导叶预旋角度和方向对扩压器内部非定常流场的影响.结果表明,扩压器内部大部分湍流强度均有所增加;扩压器内的非定常性受导叶尾流及大尺度涡团的非定常影响而减小,且负预旋角度下非定常性的减小程度小于正预旋角度下非定常性的减小程度;扩压器内部的非定常流动的基本频率降低.     

自循环机匣周向偏置对轴流压气机非定常流场的影响

本文以NASA Rotor 35为研究对象,设置了正15°、0°和负15°三种不同周向偏置度数的自循环机匣,利用NUMECA软件包进行三维非定常数值模拟以研究机匣处理对压气机非定常流场的影响。计算结果表明,针对NASA Rotor 35由通道激波与叶顶泄漏涡相互作用导致的失速,不同周向偏置角度的自循环机匣处理均能够较好地拓宽压气机的稳定工作范围,且几乎不影响压气机峰值效率。其中周向偏置正15°的自循环机匣虽然流量裕度改进量最大,但是压气机的压比下降较大。周向偏置后自循环机匣的扩稳能力不再遵循传统上以回流量、喷嘴出口速度和自循环装置内的流动损失来关联扩稳效果的经验规律,而是由桥路和流场耦合的非定常过程导致的。其喷射和抽吸作用对叶顶流场的激励使得叶顶静压分布、泄漏流产生周期性波动,不同物理量峰值在时域上存在相位延迟。     

带周向槽机匣处理的压气机内部流动数值模拟与试验

采用试验和数值模拟的方法研究了周向槽机匣处理对轴流压气机性能以及内部流场的影响。在单级轴流压气机试验台上对实壁机匣和周向槽机匣结构进行了详细的实验测试。同时,对每一种机匣结构的内部流场进行了全三维数值模拟,数值模拟结果与试验结果符合良好,相比于实壁机匣,试验以及数值模拟结果均表明周向槽机匣处理结构能够扩大压气机的稳定工作裕度,而对效率的影响不大。对内部流场的详细分析表明周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡形成和发展的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因。