某跨音速轴流压气机转子叶顶泄漏流的非定常特征

本文采用数值模拟方法研究了某跨音速轴流压气机转子在设计间隙、不同流量工况下叶顶泄漏流非定常流动特征.结果显示该转子在大部分工况下都出现非定常波动现象.静压均方根值分布表明非定常波动现象主要存在于叶顶,是由叶顶泄漏流自激非定常性引起,激波及波涡干涉位置附近波动不明显.针对小流量工况,分析了泄漏流的非定常特征和叶顶拟S1流面瞬态静压在一个波动周期内随时间的变化规律,并详细阐述了间隙中部叶顶两侧压差与泄漏流速度之间的动态循环过程.随流量减小,叶顶非定常波动频率减小,波动强度增强,压力面最强的波动区域向前缘移动.     

压气机非定常叶顶间隙流的数值模拟研究

利用数值方法研究了某低速轴流孤立压气机转子中非定常叶顶间隙流的流动特征和频率特性。结果显示转子顶部区域的压力脉动主要来源于叶顶泄漏涡的非定常波动。波动的具体形式表现为泄漏涡瞬态空间位置、尺度和形态的周期性变化,波动频率为1266 Hz。     

高负荷对转压气机尾迹涡对叶顶泄漏流的影响

采用三维非定常数值模拟方法,针对高负荷对转压气机低压转子尾迹脱落涡对高压转子叶顶泄漏流的影响开展研究。研究发现:低压转子尾迹涡以"对涡"的形式在高压转子通道中输运,顺时针与逆时针旋向尾迹涡间隔分布,对叶顶泄漏流与主流交界面法向动量产生不同影响,进而使叶顶泄漏流与主流交界面形状呈现波浪形。设计工况下,尾迹涡会使叶顶泄漏流与主流交界面的位置偏向吸力面以及后移结尾激波位置进而后移二次泄漏流产生的位置,减小压力面与吸力面结尾激波入射点之间弦长区域叶顶泄漏流与轴向的夹角,提高相应弦长区域叶顶泄漏流的轴向速度,减小高压转子叶尖区的堵塞,降低二次泄漏流产生的损失,进而提升高压转子叶尖区的等熵效率。     

间隙和转速对轴流压气机非定常叶顶泄漏流周向传播特性影响的实验研究

针对一台低速单转子轴流压气机,对不同间隙和转速下非定常叶顶泄漏流诱导的压力波的周向传播特性进行了实验研究。通过机匣壁面上沿叶片弦向和周向分布的动态压力传感器,测量压气机转子叶顶区域流场的压力信号;借助功率谱密度、滤波、空间傅里叶变换等方法,分析了非定常波动的频率特性、传播速度和周向模态数的变化。结果表明,小间隙时叶顶泄漏流波动强度减弱;转速不变时减小间隙或间隙不变时提高转速,都将使得相同流量系数时叶顶泄漏流的波动频率增大。对各间隙和转速组合,随压气机节流,传播速度增大,周向模态数减少.转速不变时减小间隙,将使得相同流量系数时的传播速度和模态数增大;对同一间隙的相同流量系数,转速改变对模态数和传播速度无明显影响。     

对转压气机内叶排干涉效应的数值分析

本文数值模拟了设计工况下对转压气机内部非定常流场,分析了对转压气机内导叶与转子之间以及转子与转子之间的干涉效应对整机的非定常影响。结果表明,两排转子交界面上的非定常流量波动最剧烈,说明两排转子之间动/动干涉的强度大于导叶与转子之间的动/静以及静/动干涉强度;通过典型叶高处的非定常流场分析,结合不同叶排进口处的非定常脉动强度分析,对转压气机内部的设计和流动机理有了深入认识,各排转子进口处的非定常脉动强度沿着流向增强,由于出口导叶与上游转子间的轴向间隙特别小,出口导叶进口处非定常脉动最为强烈。     

轴流压气机内部流动失稳及机匣处理扩稳机理探索

本文首先利用动态测试手段和非定常数值模拟手段探讨了亚音速条件下叶顶复杂流动机制触发轴流压气机内部流动失稳机制.然后利用全三维非定常数值模拟技术对二种不同处理机匣与亚音速压气机转子叶顶流场之间的耦合流动机制进行了详细的分析,对比分析了处理机匣引入前后压气机叶顶流场结构的变化,研究结果表明:顶部间隙泄漏流所导致的堆积在叶片通道相邻叶片压力面附近的阻塞是触发该压气机内部流动失稳的主要的机制,而处理机匣结构能够抑制或者吸除叶顶区域由于顶部间隙泄漏流导致的阻塞,推迟相邻叶片压力面前缘附近间隙泄漏流溢流的出现,从而提高压气机的失速裕度.     

喷气对低速轴流压气机转子叶顶区域流动的影响

本文采用数值模拟方法研究了近失速工况动叶顶部前缘附近喷气对低速轴流压气机孤立转子叶顶区域流动的影响.受喷射气流的影响,叶顶泄漏流进行自发非定常波动的动态平衡被破坏,建立起新的周期性非定常波动;喷气不仅改变了叶顶泄漏流的起始触发位置,还影响到其形成后的形态和运行轨迹;且喷气后叶顶附近区域损失减小.     

轴流压气机叶顶间隙泄漏流的周向传播特性实验研究

在一台单转子低速轴流压气机上,以叶顶间隙泄漏流非定常性为切入点,通过实验测量沿弦向和周向的壁面非定常压力,分析了叶顶端区非定常波动特征沿叶片弦长的调频特性。研究了占主导地位的叶顶间隙泄漏流非定常波动沿周向的传播特征,进一步分析叶顶间隙泄漏流非定常性波动到失速先兆信号产生的演变规律。实验结果表明,由叶顶间隙泄漏流非定常性波动主导的叶顶端区流场在压气机节流过程中,其周向传播速度逐渐增加,直到失速先兆的产生。由此可以判断,叶顶间隙泄漏流非定常性是失速先兆信号分析和预测的流场依据,为澄清和理解叶顶间隙泄漏流非定常和失速先兆至失速的不同流动特征的统一流体力学机理提供指导。     

DES模型在压气机亚音转子中的应用探讨

本文运用分离涡模拟(DES)方法研究了不同工况下压气机亚音转子的流动情况,分析了其时均与瞬时流场中顶部间隙泄漏流动和根部角区的流动分离.通过与S-A模型计算结果的对比表明,DES模型在模拟顶部泄漏流动及二次泄漏、泄漏流在转子下游与尾迹的干涉时能够捕捉到更强的旋涡结构,在模拟转子根部角区的分离时也能获得更为丰富的流动现象.对不同工况的DES计算表明负荷的上升会使泄漏涡形成的位置向上游移动,从而导致并加剧二次流动,并对叶栅下游泄漏涡与尾迹的干涉产生影响.对设计工况下瞬时流场的分析表明,泄漏涡在叶栅下游体现出周期性的强弱变化,近叶根分离区也体现出明显的非定常性.     

跨音速轴流风扇转子叶顶泄漏流的数值研究

采用数值模拟方法研究了不同间隙,不同流量工况下叶顶泄漏流非定常流动特征,发现在研究的三个间隙中,只有当间隙大于或等于设计间隙时,流动才会出现非定常性.随着流量的减小,泄漏涡轨迹前移,当泄漏涡轨迹到达相邻叶片压力面时,影响压力面压力分布,打破流场静态平衡,引起叶顶流场及激波位置、强度发生非定常波动.     

吸力面小翼对扩压叶栅间隙泄漏的影响

采用数值模拟方法对利用吸力面小翼方式控制压气机叶栅间隙流动进行研究。结果表明,附加吸力面小翼可以降低叶顶泄漏流速,削弱泄漏涡强度,使得泄漏涡区损失降低。不同宽度吸力面小翼在不同间隙下部可以较好地减少叶尖泄漏,在叶顶间隙为3.3%叶高时,附加相对宽度为0.5的吸力面小翼可使损失降低4.7%。叶顶压差的降低及对泄漏涡结构的改变是吸力面小翼降低泄漏掺混损失的主要原因。     

带压力面小翼的压气机转子叶顶间隙效应研究

以低速轴流压气机转子为研究对象,数值研究了设计转速不同叶顶间隙条件下有/无压力面小翼的压气机转子气动特性。结果表明:随着叶顶间隙尺寸增加,压气机转子气动性能降低。在三种叶顶间隙情况下压力面小翼均使得转子最大静压升系数和效率有所降低,失速裕度分别改善4.32%、8.20%和4.80%。通过与常规转子叶尖区域流场结构的详细对比,对压力面小翼影响转子叶尖端区流动的机理做出解释。     

轴流压气机转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播

用三维激光多普勒测速系统测量了轴流压气机设计状态转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播过程。结果表明,转子叶尖泄漏涡和转子尾迹周期地扫过静子通道尖区,导致该区出现周期性的流动阻塞和脉动。转子尾迹在静子通道内追赶上从前一转子叶片通道内下来的叶尖泄漏涡,二者的相互作用和掺混导致静子尖区更为复杂的二次流动。同转子尾迹相比,转子叶尖泄漏涡对静子尖区的影响更为明显和深远。静叶尾部吸力面出现流动分离,分离流同低能物质之间发生相互作用和掺混。     

前缘弯掠斜流转子叶顶间隙流动特性数值分析

本文对前缘弯掠斜流转子叶顶间隙内的流动特性进行了数值分析。结果表明:叶顶间隙气流与主流发生卷吸而生成泄漏涡。泄漏涡作用的区域具有较低的压力分布。在叶片通道内,泄漏涡沿着与转子旋向相反的方向朝相邻叶片的压力面移动。大间隙时的泄漏涡比小间隙时强烈。低流量时泄漏涡的作用区域比高流量时大。在各种流量特性下,叶顶尾缘近吸力面区域都存在着二次间隙流。     

低速单转子轴流压气机突尖型失速特征

针对低速单转子轴流压气机,采用节流阀函数进行了突尖型失速过程的数值模拟研究,以叶顶泄漏流周期性非定常波动及其周向传播特性为切入点,以失速过程中典型时刻为例,分析了失速过程中压气机内部流动的发展和演变特征。伴随压气机节流进入突尖型失速的过程,叶顶泄漏流周期性非定常波动频率和周向传播速度减小;当叶顶泄漏流轨迹与叶顶前缘额线平齐时,出现突尖型失速先兆,其流动特征表现为起始于叶片吸力面并延伸至机匣的双旋涡结构;当叶片同时出现尾缘回流和前缘溢出时,标志压气机进入完全发展的突尖型失速状态。     

非定常叶顶间隙泄漏流动和换热的数值研究

通过数值方法研究了带叶顶间隙的某一级半透平中的非定常流动和换热问题.数值模拟采用标准k-ω两方程湍流模型,求解非定常雷诺平均N-S方程.动叶顶部间隙取为0.4 mm.分析了动静干涉对动叶顶部间隙内泄漏流动与换热的影响.结果表明,周期性通过的上游静叶尾迹和通道涡足动叶通道中非定常现象的主要来源.流场的波动主要存在于叶顶吸力面侧中间弦长附近.叶顶换热系数波动主要存在于两个位置,一是叶顶吸力面侧,一是叶顶主泄漏通道.叶顶表面面积平均传热系数非定常计算的时均结果与定常计算获得的结果偏差小于2%.     

低速轴流压气机中工况变化对动叶顶部泄漏流波动频率的影响

本文利用数值方法研究了某两级低速轴流压气机第二级动叶在存在前后静叶扰动时,工况变化对其顶部非定常泄漏流波动频率的影响。结果显示其波动主要集中在泄漏涡轨迹附近,并且随着流量减小而增强。在大流量工况,其波动频率为转子通道频率。在中等流量工况,其波动频率为0.59倍通道频率。在小流量工况,其波动频率为0.51倍通道频率。并且其波动频率与前后静叶扰动强度无关。     

半开式离心叶轮变工况间隙流动特征

针对叶顶间隙对半开式离心压缩机叶轮内部流场和气动性能的影响,采用数值方法研究了不同工况下叶轮流道及间隙处的流场规律,对比分析了小流量、设计和大流量三个运行下况下叶顶马赫数分布、叶顶载荷与间隙泄漏量、间隙泄漏涡特征的变化,以及叶顶间隙随进口流量变化对叶轮气动性能的影响,得出间隙涡流在通道中下游与主流相互掺混是引起半开式叶轮能量损失的主要原因。     

跨音轴流压气机转子叶尖喷气扩稳机理分析

对跨音压气机Rotor35进行了多通道全三维定常/非定常叶顶喷气数值模拟。数值计算所获得实壁机匣总性能与试验结果符合良好。计算表明使用3.6%转子堵塞流量的叶顶喷气量可以获得21.4%的扩稳效果。定常计算结果显示叶顶喷气重点影响0.9叶展以上区域,使得该区域进气攻角和扩散因子减小,从而降低叶顶载荷,减小了由激波和泄漏涡相互作用形成的通道堵塞。非定常计算结果显示,叶尖喷气的扩稳效果来自两方面:一是对某一叶片叶顶的卸载作用;二是对激波/泄漏涡干扰形成的低能区重新注入轴向动量。后者对通道流通的改善作用大于前者。非常高的喷射频率使得叶顶喷气能够抑制每个通道中低速区的进一步增长,从而实现了对压气机的扩稳。     

凹槽叶顶非定常间隙泄漏流动和传热的数值研究

应用数值方法研究了燃气透平中凹槽状叶顶非定常泄漏流动和传热问题.计算采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶,叶顶间隙高度取1%叶高,叶顶凹槽深度取2%叶高.通过施加非定常边界条件模拟上游静叶尾迹,分析了非定常流动对动叶叶顶传热的影响.结果表明,叶顶附近的流场波动主要出现在叶顶前部及尾缘附近.叶顶凹槽底部传热系数变化主要出现在凹槽前部.定常计算获得的叶顶面积平均传热系数与非定常计算的时均结果相差很小.