叶顶喷气的喷嘴数目对轴流压气机稳定性影响的数值研究

为了揭示叶顶喷气中喷嘴数目对跨声速压气机气动性能的影响,采用六通道非定常数值计算对一跨声速轴流压气机进行了数值研究。共选取两个喷气周向覆盖比例水平对喷嘴数量进行研究,主要分析喷嘴数目对压气机稳定裕度和流动参数径向分布的影响机理。研究表明喷嘴数目和喷气的周向覆盖比例都对压气机失速有影响,且这两参数间存在交互作用。当喷气的周向覆盖比例为54%时,喷嘴数目对压气机的稳定裕度没有影响;当叶顶喷气的周向覆盖比例为27%时,喷嘴数目由6个增加至18个,压气机流量裕度改进量由3.5%降低至2.5%。叶顶喷气对压气机稳定裕度提高在于喷气对叶顶堵塞的有效抑制,这种抑制作用需要单个喷嘴与叶顶反流区有充分的接触时间。喷嘴数目过多导致单个喷嘴与叶顶反流区的接触时间过短,无法有效降低叶顶堵塞。喷嘴的离散分布引起转子叶顶出口流动参数的非定常变化,其变化程度随喷嘴数目的增加而减小。对喷嘴数目的选择需综合考虑叶顶喷气对稳定裕度以及流动不均匀性的影响。     

叶顶喷气对高负荷轴流压气机性能的非定常影响机理

为了揭示叶顶喷气对高负荷压气机气动性能和稳定裕度的非定常影响机理,对一跨声速轴流压气机进行六通道三维非定常数值模拟,定量分析了两种喷嘴作用下压气机内部流场的变化。研究表明叶顶喷气提升了压气机的总压比和稳定裕度,对效率的影响不大,喷气量决定了对压气机气动性能的影响程度。喷气引起叶顶进出口流量的非同步周期性变化,当喷气流沿通道到达转子尾缘后完成对叶顶的降载作用,叶顶负荷呈周期性变化。喷嘴喉部高度不变时,27.3%和54.6%的周向覆盖比例分别获得3.3%和3.6%的裕度改进,分析可知喷气的扩稳效果取决于喷气对叶顶堵塞的抑制在通道出口产生的影响。喷气流在通道中的流动延迟使得喷气对通道出口堵塞抑制的时间大于对通道进口堵塞的抑制时间,因而较小宽度的喷嘴可以保证对叶顶堵塞的有效抑制,增加喷嘴的宽度对稳定裕度的影响不大。     

亚声速轴流压气机叶顶喷气设计规律的试验研究

为了探索叶顶喷气在亚声速轴流压气机中的设计规律,试验研究了喷气量、喷嘴喉部高度、周向覆盖比例、喷气位置、喷嘴数目、喷嘴分布形式对压气机失速裕度的影响规律,分析了叶顶喷气的扩稳机理以及对压气机失速特性的影响,总结了叶顶喷气在亚声速和跨声速压气机中作用规律的异同。研究结果表明,叶顶喷气没有改变压气机的失速特性,其扩稳机理主要在于对叶顶堵塞的有效抑制,通道堵塞对叶顶喷气的非定常响应是离散叶顶喷气有效扩稳的重要原因。当喷嘴处于堵塞状态时扩稳效果达到最大,利用0.66%的喷气量可将压气机的失速裕度提升15%。对于压气机失速裕度的影响,喷气量、喷嘴喉部高度、喷气周向覆盖比例间存在交互作用,喷气位置、喷嘴周向分布形式和进气畸变对喷气扩稳效果的影响均不大。当压气机的失速均是由叶顶泄漏涡诱发的突尖失速时,叶顶喷气在亚声速压气机中的设计方法可用于指导跨声速压气机叶顶喷气的设计。     

基于试验设计的高负荷轴流压气机叶顶喷气参数化研究

为了揭示叶顶喷气对压气机稳定裕度的影响规律,对一跨声速轴流压气机进行三维非定常数值模拟,结合试验设计与统计学分析的方法对叶顶喷气展开参数化研究,并分析了叶顶喷气的扩稳机理。研究表明,叶顶喷气整体上提升了压气机的性能,通过激励叶顶环壁附面层抑制叶顶泄漏涡堵塞,达到提升压气机稳定裕度的目的。同时,叶顶喷气会引起压气机失速类型的变化。不同喷气量下的喷气规律是不同的,喷气量与喉部高度、喷气角度间存在交互作用。喷气量较小时应减小喷嘴喉部高度,在相对坐标系下沿转子叶顶前缘中弧线方向喷气;喷气量较大时应增加喉部高度,避免引起叶顶过载失速,喷气应提供正预旋来减小叶顶攻角。喷嘴应与转子叶顶前缘保持一定距离。     

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.     

基于非定常喷气的压气机模型及模态控制

以定常喷气下的多维压气机系统模型为基础,考虑引入非定常喷气带来的质量和动量效应,建立了非定常喷气下的多维压气机系统模型;分析了压气机主动稳定模态控制机理,并在上述模型基础上设计了非定常喷气下的模态控制律。以某压气机为例,在失速工况下,分别进行无喷气开环性能和非定常喷气下模态控制仿真。结果表明:与定常喷气模态控制相比,采用非定常喷气进行模态控制,流量仅为定常喷气的57%~80%,即可达到相同的控制效果,可有效减少喷气控制的流量,并且前4阶模态控制可以扩展压气机稳定工作范围达2.34%;控制模态越多,扩稳范围越大。      

旋转扰动波对轴流压气机气动稳定性影响

利用旋转扰动波发生器在一台低速二级轴流压气机上开展实验,研究其旋转频率、扰动扇区角度以及产生的低压区个数对压气机气动稳定性的影响,发现不同的扰动扇区角度和低压区个数下对压气机稳定裕度影响最大的“危险频率”不变.基于M-G模型发展出考虑旋转扰动波影响的二维不可压缩模型,该模型可计算不同扰动扇区角度及低压区个数的旋转扰动波对压缩系统稳定性及动态失速特性的影响,对实验压气机进行建模分析,发现旋转扰动波会诱发模态波的产生,且频率越接近旋转失速团的传播频率对压缩系统稳定裕度的影响越大.      

自适应流通处理机匣喷气位置对压气机性能的影响

采用数值模拟方法研究了跨声风扇转子Rotor 67的失速机理和3个喷气位置的自适应流通处理机匣对转子性能的影响.结果表明:叶顶间隙泄漏涡中低速团是诱发失稳的主要原因;3个喷气位置的处理机匣均增大了压气机的稳定工作范围,喷气位置居中和后移的处理机匣综合稳定裕度改进量分别为13.43%,9.47%,均大于前移的2.72%;喷气位置居中和后移有利于抑制间隙泄漏流的发展,减小低能流体泄漏范围;相比前移和居中,后移不能激励压力面前缘处的低速团和抑制低能流体从叶顶前部泄漏.      

亚音轴流压气机叶尖微喷气扩稳机理研究

叶尖喷气是提高压气机稳定工作裕度的一种重要方法。本文以某亚音轴流压气机孤立转子为研究对象,采用非定常数值模拟方法探索微喷气提高压气机稳定工作裕度的原因。数值模拟结果表明,高速喷气流降低了叶尖区域载荷,在inj2工况,导致流动条件恶化的叶尖二次涡没有出现,为此,压气机的稳定裕度得以提升。     

叶顶微喷气提高旋转畸变条件下低速轴流压气机失稳裕度的机理分析

对旋转畸变条件下轴流压气机的失稳特性进行了实验研究,结果表明,畸变影响区内叶顶泄漏流的前缘溢出造成了旋转失速的提前发生,缩减了压气机的失稳裕度.叶顶微喷气方法有效地提高了旋转畸变条件下轴流压气机的失稳裕度,其原因在于,实施叶顶微喷气后,临近失速时,压气机顶部畸变区诱发的分离团受到抑制,减少了其诱发旋转失速的可能性,从而实现扩稳目的.      

弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响

为了研究压气机弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响,在一台低速轴流压气机上,采用实验方法,对比分析了第1级静子叶片分别为弯曲叶片和直叶片时叶尖射流的扩稳效果以及压气机内部流场信息.结果表明:第1级静子叶片由直叶片改为弯曲叶片后,在压气机失速过程中,模态波主要集中在叶尖区域,而叶尖射流恰好是通过改善叶尖区域的流场来拓宽压气机的稳定工作范围的,所以第1级弯曲静子叶片使得叶尖射流的扩稳效果更加显著.      

航空发动机主动稳定控制方法分析

主动稳定控制能够抑制压气机旋转失速、避免喘振,从而减小稳定裕度,扩大工作范围,使压气机性能得到最大发挥。针对航空发动机主动稳定控制关键技术,分析了以Moore-Greitzer模型为基础的压气机模型、模态控制与非线性控制两种主动控制方法,在此基础上讨论了主动稳定控制方法存在的不足,并指出了压气机模型与主动稳定控制方法的未来发展方向,可为航空发动机主动稳定控制理论研究与工程应用提供有益的参考。     

低速轴流压气机旋转失速特性试验

在一台双级低速轴流压气机上进行了均匀进气时的全流量特性试验研究,重点分析了该压气机旋转失速特性随流量系数的变化情况和失速起始特性.试验结果表明,压气机在失速前出现模态波扰动,其传播频率约等于40%转子旋转频率,范围贯穿整台压气机;压气机第二级在模态波扰动诱导下率先进入旋转失速,初始失速团旋转速度为83.3%转子转速;失速团在向第一级扩散传播过程中,其旋转速度逐步降低,最后稳定在41.9%转子转速;失速团旋转频率随着流量系数的降低而减小;失速团范围随着流量系数的减小而逐渐增加.      

小尺寸多级轴流压气机喘振现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,在首级转子叶顶沿弦向布置Kulite动态压力传感器以及在后面级插入高频压力探针,通过动态测量试验,研究不同转速下多级轴流压气机喘振现象.结果表明:在中高转速下,该压气机深度喘振是由模态波扰动发展成旋转失速,从而引起流动堵塞,最终导致流动崩溃所造成的;在低转速下,压气机轻度的经典喘振由模态波直接引起的,在喘振周期内一直伴随有旋转失速的产生、发展和消失.      

上下游叶排对压气机转子叶片气动弹性稳定性的影响

使用自行开发的流固耦合程序集,分别考虑压气机上下游叶排的影响对转子叶片气动弹性稳定性进行分析.使用全环气动弹性模型通过叶片在非定常流场中振幅随时间的变化历程计算转子叶片不同振型下的气动阻尼,分析了不同的叶排轴向间距下尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.通过将考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子的结果作比较,总结了转子-静子结构和导叶-转子结构的干涉作用对转子叶片颤振特性的影响规律.结果表明:对于1阶弯曲模态,转子叶片气动弹性稳定性不随轴向间距单调变化;上游尾迹干涉作用和下游静子势干扰的增强会加剧1阶扭转模态失稳,但是却促进1阶弯扭耦合模态气动弹性稳定.      

失速团动态演变特性试验

对一台单级低速轴流压气机进行了节流特性试验,通过周向布置动态压力传感器测得了节流过程的动态压力信号,结合时域、频域及极坐标可视化的分析方法,研究了节流过程的失速团动态演变特性.结果表明:失速先兆类型为模态波失速先兆,其传播频率约为40%转子转动频率;压气机进入失速初期349.5r时周向形成两个失速团,360r时两个失速团合并为单个失速团,压气机进入深度失速时单个失速团重新分裂并在410r时稳定为两个失速团;压气机退出失速的过程中,665r时两个失速团重新合并为单个失速团,674.5r时压气机退出失速.      

压气机失稳过程的幅值与频率理论研究

在压气机主动稳定控制与健康监控时,为了准确描述失速和喘振的幅值与频率特性,以压气机系统模型为基础,从动力学的角度,基于失速团的构成,应用模态波理论分析压气机失速行为;基于压气机喘振的一维振荡特性,应用强非线性理论分析喘振现象;通过分析推导并给出压气机失稳过程的幅值与频率理论描述。数值仿真表明:失速与喘振的幅值与频率是压气机特性、压气机结构参数与气流参数的函数,在失速过程中,模态阶数越低,其幅值越先出现并趋于稳定;扰动模态阶数越高,旋转频率越大;在喘振过程中,压气机出口节流系数越小,喘振幅值与振荡频率越大。