低速轴流压气机中气动旋转不稳定性和叶顶泄漏流脉动特性

为了探究气动旋转不稳定性和叶顶泄漏流脉动特性的关系,对一台1.5级低速轴流压气机进行了实验和数值研究.在转子顶部机匣上布置动态压力传感器,采集不同流量下叶顶的压力脉动信号,在小流量下捕捉到了旋转不稳定性的产生.通过锁相平均和方均根压力图谱,发现当叶顶泄漏流与相邻叶片发生干涉时叶顶流场脉动显著增强.对压气机转子进行全通道数值模拟,发现叶顶泄漏流在小流量下发生周期性振荡,且相邻流道间的压力脉动具有相位延迟,这诱导产生了一个具有多重频率的旋转压力波.通过频谱分析发现:脉动的叶顶泄漏流产生的旋转压力波与旋转不稳定性具有一致的频率特性,表明叶顶泄漏流的脉动对压气机中旋转不稳定性的产生具有重要作用.      

压气机叶顶流动不稳定性试验和数值研究

为了研究大叶顶间隙下压气机的流动失稳演化过程和物理机理,以某单级轴流压气机试验台为研究对象,利用布置于机匣壁面的动态压力传感器测量叶顶流场的脉动特征,利用全通道数值模拟获得与流场失稳发展相关的非定常流动细节。结果表明：随着流量减小压气机内部流动经历了稳定状态、旋转不稳定性和旋转失速3个阶段,叶顶泄漏涡的两种临界行为与不稳定性模式的转变有关。当叶顶泄漏涡移动到相邻叶片尾缘时,在与相邻叶片的干涉作用下开始随时间振荡,导致了小尺度的扰动沿周向传播,即旋转不稳定性。在近失速工况下,叶顶泄漏涡与主流交界面超过叶片流道进口平面,导致前缘溢流,并伴随着前缘径向涡的周期性产生、周向迁移和衰减。此时,前缘径向涡沿周向几乎呈均匀分布,构成了有序传播的扰动。随着压气机被进一步节流,前缘径向涡的有序传播被破坏,形成了局部聚集的分布特征,从而产生了局部堵塞更强、熵更高的失速团。     

跨声速压气机转子叶尖流场旋转不稳定现象的数值研究

对某跨声速压气机转子在不同工作流量下的叶尖非定常流场进行了数值研究.结果显示:大流量状态下,该转子叶尖流场几乎不发生振荡.此时,叶尖流场可以按定常流场进行分析;小流量状态下,叶尖泄漏涡大幅振荡,相邻叶片通道内的叶尖泄漏流之间也存在周期性相互干涉.其结果是在稳定状态时出现由于叶尖泄漏涡的振荡及其周向传播造成的"旋转不稳定"现象."旋转不稳定"流场结构主模态旋涡个数大约为40%的叶片通道个数;其周向尺度占据2~3个栅距.     

带间隙轴流转子顶部三维整体平均速度测量

用三维激光多普勒测速系统对带间隙轴流转子顶部流场进行测量.在15个不同轴向位置上,获得在90%叶高以外的转子内部、进口以及出口三维整体平均速度分布.根据所测量得到的三维速度,清楚地展现了转子顶部流动的特性,特别是泄漏流对顶部流动的影响.泄漏流沿叶顶弦线从顶部流出,在叶片吸力面侧形成泄漏涡,叶片的旋转运动使得泄漏涡核心向压力面靠近.在顶部区域泄漏流和主流发生混合作用,并被认为是叶顶泄漏流动所造成的主要流动损失之一.     

基于DDES模拟的叶顶泄漏流与尾迹非定常干涉机理

叶顶泄漏流是涡轮叶片内部气动损失和非定常性的重要来源之一，其包含多个空间和时间尺度流场结构。采用延迟脱体涡高精度湍流模拟方法（DDES）研究了某高压涡轮动叶叶顶泄漏流，分析了泄漏涡结构及其非定常特性，进而研究了叶顶泄漏流与尾迹间的非定常干涉现象及其机制，最后基于非定常熵输运方程分解并研究了泄漏流区域的损失机制。研究发现：DDES方法可以精细捕捉泄漏流和尾迹区的多尺度流场结构及其相互干涉作用；泄漏流与尾迹间的相互干涉会导致尾迹涡轨迹发生明显偏移，并伴随着涡破碎现象的产生，具有很强的非定常效应；基于非定常熵输运方程的损失分析表明，涡破碎现象造成的损失在脉动损失中占比可达23.3%，是非常重要的损失来源之一。     

间隙流动对低反动度跨声速转子气动性能影响

为探究叶顶泄漏流动对小展弦比高负荷跨声速转子气动性能的影响,利用数值模拟的手段,对不同尺度叶顶间隙下低反动度转子的全工况特性以及叶顶区域的流场结构进行了详细分析。研究结果表明,无叶顶间隙条件下,转子峰值效率最高,但其工作范围较窄;叶顶泄漏流动可在一定程度上抑制角区分离流动在流道内部的发展,延缓失速的触发,转子喘振裕度提升20%以上;较大尺度叶顶间隙下,波涡干涉导致叶顶泄漏涡破碎,但采用低反动度设计理念可控制破碎的泄漏涡在流道内部不发生大尺度的扩散,从而进一步地保证了转子在近失速点处仍具有较高的效率;综合考虑多方面气动性能要求,对于此类转子应存在最佳的叶顶间隙值。     

跨声速压气机转子的二次流旋涡结构

为了明确跨声速轴流压气机内部流场结构,数值模拟了NASA Rotor37转子,结合λ2准则分析流场参数,探索流动的规律和旋涡结构。研究发现,压气机转子的旋涡模型主要由马蹄涡、壁角涡、径向涡、脱落涡、泄漏涡、诱导涡和分离涡等7个旋涡组成。马蹄涡吸力面分支耗散,压力面分支向相邻的吸力面发展。壁角涡与脱落涡位于叶根角区,引起流动损失和角区失速。径向涡位于激波后吸力面的分离区内,它扩大吸力面分离、引起低能流体向叶顶堆积。激波与叶尖泄漏在叶顶通道中形成3涡:泄漏涡、诱导涡和分离涡,而叶栅通道出口存在分离涡和由泄漏涡与诱导涡合成的叶顶通道涡。泄漏涡与诱导涡破碎在流道中间产生的堵塞区,分离涡造成吸力面尾缘的低速区,共同触发跨声速压气机的失稳。     

轴流压气机转子叶尖二次涡的试验验证及形成机理

对轴流压气机转子机匣壁面静压进行动态测量,采用小波分析方法处理近失速工况动态压力测量信号,功率谱显示在与二次涡相近的频率上存在较高的能量带,能量峰值沿轴向的衰减与二次涡的变化规律相符,表明二次涡在流场中存在是可能的。针对相同转子进行全通道非定常数值模拟,计算结果表明,近失速工况下,转子圆周每个通道叶顶附近均存在规律一致的二次涡运动。叶片中后段间隙泄漏流与间隙泄漏涡破碎产生的低能流体相互作用,在泄漏涡破碎形成的堵塞区域中形成二次涡。二次涡运动使得近叶顶载荷分布发生变化,从而导致近叶顶流场出现了一种周期性的自维持的非定常流动现象。     

进口畸变对轴流压气机流场影响的全通道数值研究

采用全通道非定常数值模拟方法研究了进口畸变对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中通过在进口径向段设置栏杆的方式产生畸变,非定常数值计算结果表明进口总压畸变后降低了压气机转子的性能,失速裕度减小了3.1％.通过详细地分析压气机进口延伸段及内部流场表明,畸变后在转子上游进口环面上出现低值进气角区,促使部分通道叶顶吸力面附面层分离起始位置靠前,造成通道内堵塞严重,并使叶顶间隙泄漏流在更高叶展前缘处溢流到相邻叶片通道进而诱发转子失速,进口均匀时压气机失速主要是由叶顶间隙泄漏流引起的堵塞造成.     

周向弯曲叶片叶顶泄漏流随流量变化特性数值研究

对带有周向前弯和周向后弯叶片的低压轴流风机,叶顶泄漏流动随流量变化特性进行了数值研究和实验校核,探讨了随流量减小,周向弯曲对叶顶泄漏涡的起源和发展规律的影响.性能计算结果与试验测量较为吻合,计算结果表明:随着流量减小,泄漏涡起源向前缘方向迁移,周向弯曲使泄漏流与主流掺混加剧;周向前弯叶片泄漏涡的起源距叶片前缘最远,涡强度最弱,移动最缓慢;周向前弯稳定叶顶流动,降低端壁损失,扩大稳定工作范围.      

肋条结构对气膜冷却凹槽叶尖流动换热的影响

为有效抑制涡轮转子叶尖泄漏并改善叶尖热负荷,采用数值模拟的方法,对5种叶尖肋条结构的高压涡轮带气膜冷却突肩叶片流场进行计算,评估了不同叶尖肋条结构的气热性能。结果表明：在叶尖增加肋条结构能够有效调控叶尖空腔涡、刮擦涡、肋后涡和冷气肾形涡的路径,从而起到减小叶尖高表面传热系数区,提高叶尖平均气膜冷却效率的作用,同时有效降低了叶片压力侧前缘进入的泄漏流量,使得总压损失系数下降。凹槽尾缘压力侧半肋条结构具有最佳的气热性能,对泄漏流的阻碍作用最好,与无肋条情况相比,其叶尖平均表面传热系数降低了20.1%;平均气膜冷却效率提升了24.3%。     

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。      

雷诺数对轴流压气机转子非定常流动的影响

针对某轴流压气机转子,结合地面试验采用5通道的数值模拟方法在两个海拔高度下对该转子进行数值模拟,分析雷诺数(Re)对压气机中非定常流动的影响。在地面条件下数值模拟绝对坐标系下的频率均落于试验旋转不稳定(RI)的驼峰频率带宽范围内。相对坐标系下相邻通道的数值监测信号互功率谱证明了压气机中周向扰动的存在。该周向扰动的产生是泄漏流与叶顶载荷分布周期性相互作用的结果。高空20 km下压气机中存在特征频率不同的多个周向扰动。此时在叶片近吸力面的尾缘处存在较大范围的流动分离区,由此引起的径向低能流体与叶顶间隙泄漏流相互作用,并共同影响叶顶载荷分布,引起低雷诺数下压气机流动非定常性周向传播。      

压气机转子通道内尖区三维平均流场

在低速大尺寸压气机试验台上,借助旋转四坐标全电动探针位移机构,用锥形五孔压力探针分别测量压气机设计状态和近失速状态转子通道内尖区的三维平均流场,揭示压气机转子通道内尖部的流动结构及其变化     

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性。实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构。叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散。叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定。与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象。叶片出口近尾缘处30％以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加。     

Numerical Investigation of Inlet Distortion on an Axial Flow Compressor Rotor with Circumferential Groove Casing Treatment

On the base of an assumed steady inlet circumferential total pressure distortion, three-dimensional time-dependent numerical simulations are conducted on an axial flow subsonic compressor rotor. The performances and flow fields of a compressor rotor, either casing treated or untreated, are investigated in detail either with or without inlet pressure distortion. Results show that the circumferential groove casing treatment can expand the operating range of the compressor rotor either with or without inlet pressure distortion at the expense of a drop in peak isentropic efficiency. The casing treatment is capable of weakening or even removing the tip leakage vortex effectively either with or without inlet distortion. In clean inlet circumstances, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex cause the untreated compressor rotor to stall. By contrast, with circumferential groove casing, the serious flow separation on the suction surface leads to aerodynamic stalling eventually. In the presence of inlet pressure distortion, the blade loading changes from passage to passage as the distorted inflow sector is traversed. Similar to the clean inlet circumstances, with a smooth wall casing, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex are still the main factors which lead to the compressor rotor stalling eventually. When the rotor works trader near stall conditions, the blockage resulting from the tip leakage vortex in all the passages is very serious. Especially in several passages, flow-spillage is observed. Compared to the clean inlet circumstances, circumferential groove casing treatment can also eliminate the low energy zone in the outer end wall region effectively.