跨声速轴流压气机动叶弯和掠效应的应用

对一单级跨声速轴流压气机的动叶分别进行了前掠和正弯研究,然后针对前掠和正弯叶片各自所存在的问题分别作了改进.对掠动叶中部的叶型做了二维改型以降低中部的激波强度和分离损失;对弯动叶不同截面叶型的安装角进行调整以消除正弯对动叶出口气流角的影响.最终应用前掠和正弯动叶的压气机的效率得到明显的提高.在对正弯和前掠动叶研究的基础之上,对动叶进行了前掠和正弯相联合的设计以综合利用弯和掠的有利作用.同时对弯掠动叶中部截面的叶型进行了二维改型以降低中部分离损失,并且对不同叶高截面的安装角进行调整以消除对出口气流角的影响.最终应用弯掠动叶的压气机效率和失速裕度都得到显著提高.     

1+1/2对转涡轮低压动叶激波结构的研究

本文对1 1／2对转涡轮低压动叶中激波结构等进行了详细的数值模拟．通过对流道中静压和马赫数等参数的分析发现,当高压动叶外伸波扫过低压动叶流道时,低压动叶前缘吸力面处产生了一道脱体弧形激波,流道中吸力面上产生了一道正激波,在脱体激波和正激波之间,存在着较强的膨胀波,这种分布与跨音压气机叶栅中的波系结构相似．当高压动叶尾迹扫过低压动叶时,低压动叶吸力面的压力会产生明显的波动,出现一个随时间变化的低压区．     

在大转角透平叶栅中叶片反弯曲对通道涡及静压场的影响

本文采用微型球头五孔探针对低展弦比大转角透平直叶片栅和反弯曲叶片栅栅内外流场进行了详尽测量,并开设静压孔测取了叶栅端壁和叶片表面的静压分布。根据实验结果,作者全面分析了叶片反弯曲对通道涡及静压场的影响,并明确提出：在大转角透平叶栅中,叶片反弯曲后,由叶片力在吸力面前部产生的沿叶高方向的反“Ｃ”型静压分布是控制通道涡减弱的关键,这也是叶片反弯曲作用的本质所在。     

基于正交试验的跨音压气机叶型和周向槽机匣处理参数化研究

本文针对一高负荷跨音压气机,采用正交试验设计的方法研究了周向槽机匣处理槽深、叶顶间隙和叶顶叶型安装角对压气机失速裕度和峰值效率的影响。通过极差分析的方法研究了各因素影响失速裕度和峰值效率的主次顺序,以及各因素水平变化对试验指标的影响,得到了使单项试验指标最优和兼顾两项试验指标的各因素水平组合方案。通过对流场的分析表明,优化后的方案抑制了叶顶区域泄漏涡和激波相互作用所引起的低速区,缓解了叶顶区域的堵塞,使压气机的失速裕度提高.同时周向槽内的流动及其与主流的掺混造成叶顶区域流动损失增加,峰值效率降低。     

轴流式弯掠动叶变工况气动──声学性能的实验研究

本文介绍了变工况下，两台具有相同几何参数（动叶弦长除外）的轴流试验风机进行的气动一声学性能的实验研究。一台动叶是常规（径向）动叶，另一台是弯掠动叶（其弦长在中往处增加２０．４％。实验表明：在相同转速条件下，弯掠动叶轴流风机与径向动叶风机相比，不仅提高了气动效率（３％左右），降低了气动噪声（２～４ｄＢ（Ａ）（在最高效率点处，弯掠动叶与径向动叶相比压升增加了１３．１％，流量增加了５％），而且还大幅度地扩大了稳定工作范围（２０％左右）。弯掠动叶在旋转失速工况下性能曲线平坦，并且其旋转失速特征参数明显不同于径向动叶。弯掠动叶的总声压级和噪声频谱也表明了弯掠动叶具有低噪声的特点。     

弯扭叶片栅内减少能量损失机理研究的新进展

根据实验结果和数值计算结果的分析，本文讨论了三维流场的压力分布对弯曲叶片型式的影响。进一步揭示利用弯曲叶片减小叶栅通道内能量损失的机理，弯曲叶片可以改变三维流场内的径向、横向和流向的压力分布。对于膨胀叶栅，采用正弯曲叶片可以显著的降低叶栅中的总能量损失系数。对于叶展中部伴有边界层强烈分离的导向叶栅，采用反弯曲叶片将有利于减小总能量损失。     

动叶围带顶部泄漏流动对透平级气动性能影响的数值研究

采用计算流体动力学软件CFX-TASCflow数值研究了带围带的动叶顶部间隙内泄漏流动对动叶流动效率以及下一级静叶进口气流角的影响特性.数值模拟了装有不同迷宫式汽封齿数时的动叶顶部间隙泄漏流动特性.揭示了泄漏流动不再是跨叶顶的横向流动,而是在叶顶间隙内沿着轴向流动.给出了动叶顶部间隙泄漏流场的结构,泄漏流与主流掺混后的流场对下游静叶性能的影响.研究结果表明泄漏流与动叶通道内的主流在动叶下游掺混后,改变了上半通道气流的流动方向,使这部分气流偏离设计工况,使下游静叶产生攻角损失.动叶顶部间隙泄漏流有较大的径向速度,在与主流掺混并进入动叶下游静叶后,会向着静叶中叶展处发展,改变静叶上半部流场的结构.动叶顶部间隙汽封齿数增多时这种效果就减小,静叶等熵效率的降低就越少,同时讨论了动叶顶部间隙泄漏流动对透平级气动性能的影响.     

从端壁动态压力场看压气机转子尖区流动

用高频压力传感器测量了低速单级压气机转子叶尖动态压力场。结果表明,转子叶背附面层径向潜流使得叶背附近存在一个高压带。叶背角区和叶盆角区的气流交混造成通道中部具有甚至不低于叶盆处的高压力。两个高压区都随流量的减小而扩大,并随流向逐渐融合,反映了叶背附面层径向潜流和中部气流交温的发展。设计状态下,泄漏涡是造成转子叶尖压力脉动的主要因素,形成的高水平压力脉动区随流向呈喇叭形逐渐扩大,约在一半弦长处脉动最强。近失速状态下,叶背前部角区中强叶面附面层潜流及与强泄漏流和端壁附面层的交混造成大范围的强压力脉动区,局部扩展到整个通道,通道中部叶背附面层很有可能发生分离。     

跨音风扇顶部激波、泄漏流作用的数值研究

本文针对一小展弦比、大稠度带有串列静叶的现代小型跨音速风扇级,采用数值模拟的方法研究了动叶顶部间隙大小对风扇转子设计点性能的影响.分别对动叶顶部相对间隙大小为0%、0.132%、0.396%、0.66%,1.32%五种情况进行了数值模拟.计算结果表明,随着动叶叶顶间隙的增加,风扇性能变化显著.动叶顶部间隙对跨音速风扇顶部激波、激波边界层相互作用都会产生影响.叶顶区域的阻塞与高损失与叶顶间隙的大小,泄漏流的强弱有着十分密切的联系.     

跨音速涡轮静叶上端壁结构对动叶顶部气动换热特性的影响

本文通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和Spalart-Allmaras紊流模型数值研究了跨音速涡轮静叶上端壁结构对动叶顶部气动换热特性的影响。数值预测得到的动叶中径处压力分布与实验数据吻合良好,从而验证了该数值方法的可靠性。本文研究结果表明:静叶上端壁结构对动叶顶部前缘处的流动换热特性有显著影响,对靠近尾缘处的流动换热没有影响;静叶端壁为S型上端壁时叶顶平均换热流密度要低于采用常规端壁,且通流效率高于采用常规端壁;靠近尾缘区域的流动换热特性受间隙内斜激波的影响显著,由于斜激波和叶顶表面边界层的相互作用及斜激波在叶顶表面和端壁面之间的反射,导致靠近尾缘处的叶顶表面存在条状分布的高热流密度区域。     

跨音压气机转子叶尖间隙复杂流动观测

本文利用高频响动态压力传感器,在文献［１］的基础上,对ＷＰ１１压气机转子叶尖间隙 流场进行了流场测量。测试包括三个转速多个节流条件下的间隙流场。测试结果表明：激波总体位 置随节流加深而向上游移动,但吸力面最小压力点基本维持在４０％或２０％弦长处不变。当激波位 置在该点之后时,二次漏流直接冲击激波结构;当激波位置在该点之前时,激波结构基本只受前缘 漏流的影响。     

轴向斜缝机匣处理与转子通道之间耦合流动分析

轴向斜缝机匣处理能够有效地扩大压气机的稳定工作范围,本文对轴向斜缝处理机匣与亚音速压气机转子通道之间的耦合流动进行了时间精确的全三维数值模拟,数值结果所获得的总性能与试验结果符合较好。详细分析了处理机匣与转子通道之间非定常干涉现象以及处理机匣结构引入后转子顶部区域不同的流场结构,数值计算结果表明,对具有高损失高阻塞效应的间隙泄漏流及其间隙泄漏涡的控制是轴向斜缝机匣处理扩大压气机稳定工作裕度的主要原因。     

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。     

跨音压气机转子叶尖流场试验与分析

本文利用高频响动态压力测试技术测量了某跨音压气机转子叶尖间隙流场,其中包括对跨音转子叶尖漏流和激波／漏流干扰的细致流场特征．测试结果表明激波在机匣壁面处受漏流干扰的影响相当大,这一干扰分别来自于前缘漏流涡的干扰和叶尖第二次漏流对通道激波的直接冲击干扰,使激波结构呈“S”形.在低背压高攻角条件下,转子存在十分明显的尾涡．     

梯状间隙结构对轴流压气机影响的试验与数值模拟

采用试验和数值模拟的方法研究了梯状间隙结构对轴流压气机转子性能以及内部流动的影响,在某单级轴流压气机试验台上,在5059r／min和8130r／min两个换算转速下分别对三种不同的机匣结构进行了详细的试验测试,结果表明:与具有设计间隙的实壁机匣结构相比,两个转速下梯状间隙结构的引入能够在扩大压气机的稳定工作裕度的同时使得压气机所有流量工况下的压比和效率均有一定程度的改善;对具有梯状间隙的压气机转子内部流场进行了详细的数值模拟,揭示阶梯状间隙结构内部流动机理。     

跨音速轴流压气机叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机制和扩稳效果研究

本文将叶顶微喷气方法应用于 NASA Rotor37 跨音速轴流压气机转子,在近失速工况,利用数值模拟方法研究了不同喷气量时叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机理和叶顶微喷气的扩稳效果.结果表明,喷气使得叶顶区域的叶表压力随喷嘴与叶片相对位置的变化沿弦向发生波动,抑制了叶顶泄漏流的自激非定常波动,使叶顶泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游移动,实现了提高压气机性能和稳定性的目的.采用喷射气流的无量纲总动量可关联亚音速和跨音速轴流压气机不同喷气方案的扩稳效果,该无量纲总动量与来流总动量和喷射气流高度成反比,而与叶高和喷射气流总动量成正比.     

轴流压气机时尖泄漏涡的时均流动

用三维激光多普勒测速系统测量研究低速大尺寸单级压气机设计状态转子内尖区流场．结果表明，泄漏流在气流一进入转子叶片通道就开始发生，发生于前半弦长，其诱导形成的泄漏涡约在30％弦长处达到最强，随后逐渐衰减，其涡核顺下游慢慢向压力面方向和低时高方向移动，涡核在转子出口移至通道中部．泄漏涡影响区域沿流向逐渐扩大，并向压力面方向和低叶高方向移动．设计状态叶尖泄漏涡在转子尖区流动中起主要作用，是造成尖部流动阻塞的主要因素．     

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.     

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。