高速轴流压气机叶尖流动特性试验

为研究压气机转子叶尖流动特性,通过高频动态压力传感器测量其第一级转子壁面静压,录取了多个换算转速下的试验数据,并采用等相位平均方法处理。结果表明:相对换算转速0.6以上槽道激波明显,且随着转速的升高,激波强度增加;叶尖泄漏流动明显,叶片前缘位置最强烈,沿流向逐渐减弱,影响了近1/2弦长、1/3倍叶栅流场;0.7及以上高转速状态下,在叶栅弦长约1/3处,流场的压力突跃脉动峰-峰幅值达到最大,高达15²0 kPa,导致较大的气动激振,叶片需承受较大的周期性气动负荷。     

某带分流叶片的亚声速离心压气机叶轮CFD结果确认及分析

为了研究数值模拟结果的准确性,使用计算流体动力学(CFD)软件Numeca,采用Spalart-Allmaras(S-A)模型和shear stress transport(SST)模型对某压比为1.5的亚声速离心压气机叶轮的性能进行了计算,并将4个不同截面上的速度分布等计算结果和实验数据进行了对比.结果表明:S-A模型和SST模型的计算结果几乎完全相同,误差小于1%;整体性能的模拟计算结果和实验值吻合较好,在设计工况点,误差在2%以内,在非设计工况点,误差也小于6%;不同截面上速度分布的计算结果和实验值相差较大,在轮毂附近,最大误差在20%左右,在轮缘附近,部分截面最大误差高于100%,不能真实反映轮缘附近的流动情况.      

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.      

双级对转压气机的失速机理

在对实验室对转压气机进行定常数值模拟的基础上,开展了对转压气机旋转失速机理的初步研究.研究结果表明:①该对转压气机在近失速工况存在突尖波型失速初始扰动;②在近失速点转子2中间隙泄漏涡在三维空间上迅速发展,导致转子2流道严重堵塞,引起压气机内部失稳;③由于转子2叶片排存在较大的气动负荷,其叶顶间隙泄漏涡的发展情况很大程度上决定着对转压气机的稳定性.      

单级轴流压气机的旋转失速特性实验

以一台单级低速轴流压气机为研究对象,采用在压气机周向、轴向不同位置处布置多个动态压力传感器的方法,获取了压气机失速过程中不同位置动态压力信号的变化情况,通过对各测点的压力信号分别进行了时域、频域分析.结果表明:压气机在失速前出现尖脉冲型扰动;失速后的失速团的有分裂和合并的现象,个数在1和2之间相互转换,但退出失速时总是由两个合并成为一个,并且在几个转子周期内迅速退出;对失速时的压力信号频谱分析证明了对失速团个数判断的准确性.      

高结构效率的斜流压气机结构设计

针对高负荷斜流压气机的结构设计需求,引入和完善斜流叶盘的结构效率评估方法,用以协调各种设计要求和优化结构设计.基于提高结构效率的设计思想,提出“C”型和“M”型两种新型斜流叶盘结构方案,并通过平均应力值、振动鲁棒系数和轮缘变形协调系数3项的分析和结构效率系数的对比,论证了新型轮盘结构在减轻质量、提高可靠性和降低叶尖损失等方面的优势.分析结果表明:“M”型叶盘结构方案可使平均应力提高24.7%,质量降低20%,振动响应降低37.9%,轮缘最大变形降低67.6%.      

开式风洞超声速压气机流场起动的数值研究

在开式风洞超声速平面叶栅试验中,从试验启动到叶栅建立超声速流动状态的过程,即超声速流场起动问题,已成为公认的难题。为建立可行的开式风洞超声速流场起动方法,奠定开式超声速风洞的使用基础,基于某超声速风洞,以超声速压气机平面叶栅为研究对象,开展三维数值仿真研究;分析试验条件下超声速流场起动失败的原因,制定三种流场起动方案。结果表明：起动失败的原因为叶栅前缘形成了一道强正激波;仅提高风洞进口总压无法建立叶栅超声速流动状态;仅增大下壁溢流缝宽度可起动超声速叶栅流场,但有效叶栅流道数量减少,壁面附面层增厚;保持上、下壁溢流缝宽度在1 倍栅距以上,在栅前上、下壁设置超声速墙并进行抽吸,可有效起动超声速流场,相邻流道出口马赫数最大波动0.01,出口气流角最大波动0.09°,周期性可满足试验需求。     

基于低雷诺数条件的风扇/增压级气动设计

本文针对低雷诺数工作条件下的某风扇/增压级进行了通流设计、流道结构设计、各叶片排叶片几何设计及三维数值模拟。在完成气动设计循环、确定风扇/增压级流道结构形式和叶片叶型几何造型等根据设计需求进行的工作之后,使用商用软件NUMECA对该风扇/增压级12 km、0.6 Ma飞行条件100%和95%折合转速以及地面标准大气条件86.6%(简称87%)和80%折合转速的特性曲线进行了数值计算。前者用于考察巡航状态性能及流场特征,后者对应于地面起飞的最大状态。就目前设计方案的三维数值模拟结果表明,外函完全达到了设计需求指标的要求,内函除效率外,其它均达到设计要求。     

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。     

Validation of a novel mixing-plane method for multistage turbomachinery steady flow analysis

The steady calculation based on the mixing-plane method is still the most widely-used three-dimensional flow analysis tool for multistage turbomachines. For modern turbomachines, the trend of design is to reach higher aerodynamic loading but with still further compact size. In such a case, the traditional mixing-plane method has to be revised to give a more physically mean-ingful prediction. In this paper, a novel mixing-plane method was proposed, and three representa-tive test cases including a transonic compressor, a highly-loaded centrifugal compressor and a high-pressure axial turbine were performed for validation purpose. This novel mixing-plane method can satisfy the flux conservation perfectly. Reverse flow across the mixing-plane interface can be resolved naturally, thus making this method numerically robust. Artificial reflection at the mixing-plane interface is almost eliminated, and then its detrimental impact on the flow field is min-imized. Generally, this mixing-plane method is suitable to simulate steady flows in highly-loaded multistage turbomachines.