动叶端区控制体分析方法在跨音轴流压气机周向槽机匣处理中的应用

本文从实际应用角度出发,提出了一种基于三维数值模拟的分析方法,可用于快速比较不同轴流压气机周向槽机匣的扩稳能力。在对失速机理是主流/泄漏流交界面在前缘溢出的认识基础上,确定了以动叶端区轴向动量作为衡量不同周向槽方案对压气机稳定性影响的特征量。不需对机匣处理计算到失速点,仅在光壁失速点流量下,通过比较端区轴向动量的分布即可预测不同方案的扩稳能力。进而以某跨音速转子为示例,分析预测了其七种不同周向槽方案的扩稳能力并利用实验验证了这一方法的预测结果。     

一种新型前缝后槽式机匣处理实验及数值研究

本文针对一台低速轴流单转子压气机,结合轴向倾斜缝与周向槽机匣处理扩稳机理,设计了轴向缝周向槽新型组合式机匣处理,通过实验研究和数值模拟的方法验证比较了前缝后槽式机匣处理相比于全槽、全缝及光壁机匣的扩稳效果。研究结果表明前缝后槽式机匣处理的扩稳效果与峰值效率损失均介于全槽与全缝机匣处理之间,即扩稳效果高于全槽机匣的7%,峰值效率高于全缝机匣1%。这说明该设计在一定意义上是一种有效的新型扩稳方式。     

离心压气机混合回流机匣处理的数值研究

机匣处理是一种较早被研究和成功运用的压气机被动扩稳技术。传统机匣处理研究一般针对叶轮部件,本文针对叶轮和扩压器提出了混合回流式机匣处理,采用数值模拟的方法,研究了混合回流式机匣处理的扩稳效果和扩稳机理。研究结果表明:较为理想的混合回流式机匣处理方案可以提高9.4%的失速裕度,设计点效率下降1.7%。混合回流式机匣处理对叶轮主叶片前缘、扩压器叶片前缘以及扩压器叶片尾缘的气流改善是实现扩稳的主要原因。     

轴流压气机动叶端区的控制体分析方法及其在周向槽机匣处理中的应用

本文从实际应用角度出发,提出了一种基于三维数值模拟,作用于动叶端区的控制体分析方法,可用于初步筛选不同轴流压气机周向槽机匣方案.在对失速机理是主流/泄漏流交界面在前缘溢出的认识基础上,确定了以动叶端区轴向动量作为衡量不同周向槽方案对压气机稳定性影响的特征量.在转子动叶端区设置一系列离散控制体,依照叶顶流动的影响区域来确定控制体的覆盖范围.通过观察有槽和无槽结构控制体上累加的轴向动量的变化,以跨音转子的多槽为例,分析比较了不同周向槽方案的扩稳能力.另一例子是对低速压气机利用该方法筛选出具有最佳扩稳能力的双槽,并以实验研究验证了这一分析方法的可靠性和潜力.     

周向单槽轴向位置对低速轴流压气机稳定性影响机理研究

本文采用数值模拟方法捕捉到了不同位置周向单槽对某低速压气机稳定性裕度的影响规律并分析其原因。结果表明:周向槽位于叶片前缘附近扩稳效果差,位于叶顶弦长中下游区域扩稳效果好。采用机匣壁面剪切应力定量识别泄漏流与主流交界面的轴向位置,发现交界面在节流过程中主要存在两种移动规律,并由此将所研究的周向槽分为准模态和突尖两类周向槽。对于突尖类周向槽机匣,交界面的位置取决于叶顶间隙流体的轴向动量平衡。周向槽可以削弱与主流相抗衡的流体的轴向动量,这种削弱作用越强,周向槽机匣的扩稳效果越好。     

机匣处理若干问题探讨

本文在机匣处理设计中对关键级与危险截面、机匣处理与扩稳、弯槽与直斜槽进行了一些研究。发现各国对关键级与危险截面的判定不一。机匣处理的作用在于消除堵塞,提高叶排临界攻角,减小下一叶排近壁面攻角,扩大了压气机稳定工作范围。弯槽吸收了直斜槽和角向槽的长处,因而兼有显著的扩稳效果和较高的效率。     

多级轴流压气机变几何扩稳多目标优化分析

对轴流压气机叶型流动损失和落后角模型进行了系统归纳与整理,并将其与逐排基元叶片模型相结合,建立了计算多级轴流压气机特性工程方法,并进一步将其与锦标赛式遗传算法相结合,发展了一种新的多级轴流压气机变几何扩稳多目标优化算法,并成功应用于某型8级轴流压气机扩稳分析,取得了明显成效。与单目标优化相比,多目标扩稳调节能明显改善压气机性能,其最大效率提高了近4个百分点,且静叶安装角调节范围也明显减小。     

涡轮叶栅前缘槽缝气膜冷却的数值模拟

应用FINE/TURBO软件包,求解三维雷诺平均N-S方程,对叶片前缘有两列冷却槽缝的气膜冷却流场进行了数值模拟,获得了不同吹风比下叶片表面静压分布与极限流线.在计算结果与实验数据良好符合的基础上,详细分析了槽缝冷却三维定常流场结构与槽缝附近的流动细节.研究结果表明,槽缝冷却对前缘压力分布影响较大,且在压力面引起较大的分离流动,不利于冷却.     

基于周向单槽的低速轴流压气机扩稳方式研究

本文在低速单转子轴流压气机上对于周向单槽进行了实验研究。首先在叶片前后两端选取了两个单槽,在壁面不同弦向位置进行了动态静压信号的测量。通过静压信号的功率谱分析发现,前端单槽可以明显抑制泄漏流非定常波动所对应的频带,而后端单槽对该频带无明显改变。为了进一步讨论后端单槽的作用机理,又针对后端单槽设计了放气和引气两种扩稳结构,通过实验和数值模拟验证了其扩稳效果。结果表明,在后端单槽底部放气会降低扩稳效果,而在单槽底部放气后引回前缘进行喷气的结构可以进一步提升扩稳效果。     

发散冷却叶片槽道内流动和传热的理论分析与试验

本文对发散冷却叶片槽道内气体的流动和传热作了理论分析,导出了有关的数学表达式,比较全面地考虑了影响槽道内热力参数改变的各种因素。试验表明:(1)在槽道内控流孔附近,已经不是一元流动,计算中引入修正是十分必要的;(2)按紊流管内放热强度的五倍来描述槽道内冷气与蒙皮间的放热已不适宜。文中的计算公式为叶片总体传热设计提供了方便。文中列出的试验数据可供设计同型发散叶片用。     

根部开槽对叶栅三维角区分离的控制研究

三维角区分离是压气机静子叶栅中固有的流动结构,对压气机性能有着重要的影响。本文对一PVD叶栅和一NACA65叶栅,在分析其通道内流动机理的基础上,提出了在叶片根部从压力面向吸力面开槽的控制角区分离的方法。数值研究了槽道出口位置对PVD叶栅性能及角区分离的控制作用,发现在保持槽道其他参数不变的情况下,存在一最优位置使得叶栅攻角特性最优;结合计算及实验测量的方法,验证了NACA65叶栅中叶根开槽控制角区分离的有效性。两个叶栅研究结果表明:叶根开槽可有效控制角区分离,减小叶栅损失,增大叶栅扩压能力,拓宽叶栅可用攻角范围。     

跨音压气机等离子体激励扩稳的数值研究

本文以跨音轴流单转子压气机为研究对象,对65%和98%额定转速下,不同等离子体激励强度的扩稳效果进行研究。结果表明,在一定转速下,等离子体激励强度越高,扩稳效果越好;相同等离子激励强度下,转速越高,扩稳效果越差。通过对该单转子机匣壁面轴向剪切应力的分析,发现等离子体激励的扩稳机制是将泄漏流与主流交界面位置推向叶片通道下游,抑制泄漏流在叶片前缘的溢出。在此基础上,本文提出了一种利用靠近失速的小流量工况下的泄漏流与主流交界面位置预判等离子体激励效果的方法。该方法由于不需要计算到失速边界,因此可以快速初判等离子激励的相对扩稳效果,为跨音环境下等离子扩稳方案的设计提供指导。     

机匣扩稳处理的机理——失速起始点的判据

机匣处理是一种扩大压气机稳定工作范围的新技术。其扩稳的机理目前还不太清楚.本文改进与修正了G.R.Ludwig等人在文献[1]中的分析法,引伸于带多孔壁机匣处理的实际压气机转子叶排中,对各种多孔壁机匣处理的扩稳机理作出了统一的分析.并对其失速起始点和失速裕度的改进量给出了定量的估算.经实验证明,理论分析是可     

无叶扩压段型线对离心压气机性能的影响

本文设计了无叶扩压段轮盖侧型线,并采用CFD软件数值模拟了采用两种不同轮盖侧型线结构的离心压气机级．分析了无叶扩压段内部的流动结构和熵的分布．计算结果说明无叶扩压段轮盖侧型线对上游叶轮、下游叶片扩压器以及离心压气机级性能有较大影响．     

弯叶片对压气机叶片表面流动稳定性影响研究

本文研究了压气机叶栅中采用弯叶片对叶片表面流动稳定及转捩的影响.以风洞测得的叶片表面静压实验数据为基础,通过求解Falkner-Skan方程,获得不同来流马赫数下叶片边界层内气动参数.将以上结果作为边界层的平均流动值,结合数值离散化的正交曲线坐标系线性抛物化稳定性方程(PSE),对边界层流动的稳定性进行特征值分析.计算结果表明,在压气机中采用弯叶片,可改善叶栅吸力面两端区边界层的流动,但同时会恶化叶栅吸力面中部边界层流动的稳定性;合理地匹配选择叶片的弯向与弯量,才能有效地提高扩压叶栅的整体流动稳定性.     

宽弦高速跨音风扇颤振特性研究

颤振是航空发动机、燃气轮机等运行安全的重要威胁,但颤振稳定性与流动结构之间的关系尚不清晰。本文使用行波法和影响系数法,对某宽弦复合掠型高速跨音风扇转子的一阶模态进行了颤振特性研究,计算了在100%转速下从堵塞点到近失速点的颤振表现。使用影响系数法时,分析了不同通道数的计算域对气动阻尼计算的影响,并与行波法得到的结果进行了对比。研究了流动结构与叶片表面气动阻尼之间的关系,旨在提高对流动致颤机理的认识。结果表明影响系数法和行波法均能对叶片的气动阻尼进行较好的预测;流动结构方面,激波、激波附面层分离、叶尖泄漏流以及吸力面前缘叶顶附近的非定常压力波动,对叶片的气动阻尼分布有较大的影响。     

不同冲角下弯曲扩压叶栅出口流场的实验研究

本文在不同冲角下对直叶片、正倾斜叶片、正弯曲叶片和Ｓ型叶片组成的四种平面扩压时栅的出口流场进行了详细的实验研究。通过与常规直叶栅的对比，分析了正倾斜叶栅降低根区二次流损失的原因，阐述了正弯曲叶栅在正冲角下改善叶栅两端区流动状况，降低能量损失的机理和Ｓ型叶栅降低根区损失、总损失系数对冲角变化不敏感的原因。结果表明，扩压叶栅中采用正弯曲叶片在一定条件下是可行的。     

吸气槽道形状对扩压叶栅性能的影响

数值模拟了低速条件下吸气槽道宽度、角度变化对采用附面层吸除技术的大转角扩压叶栅气动性能影响。结果表明,附面层抽吸具有显著降低叶栅损失,改善流动,增加负荷及扩压能力等优点;吸气量相同时,槽道宽度增加可进一步改善角区流动并减小叶栅两端部损失,吸气角度变化则对吸气槽道出口压力有较大影响,为非均匀槽道宽度设计及工况变化时有效控制吸气量提供了设计自由度。     

离心压气机顶部进口条件对叶轮内部流动的影响

对于带分流叶片的离心式压气机叶轮,在顶部边界层亏损和喷气等进口条件下对叶轮内部流场进行了CFD数值模拟,对比分析了进口喷气处理对改善内部流动、提高稳定性的机理。结果显示:在进口叶顶附近进行喷气处理时,顶部间隙涡流得到了有效地控制,且降低了间隙损失的发生,有助于提高流动的稳定性,但在下游区域这种作用逐渐减弱和消失。同时,进口条件的不均匀性对内流有一定的影响,精细的CFD分析应当计及这种因素。     

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。