拓展小尺寸离心压气机级失速裕度机匣处理方案的数值研究

为提高一小尺寸离心压气机级的失速裕度,首先为其设计了进气回流和周向槽两种机匣处理方案,对实壁机匣和处理机匣压气机级总体性能的分析表明;进气回流并没有起到拓展压气机级失速裕度的效果,周向槽机匣处理对压气机级失速裕度的改进量也只有约2.41%。因此考虑了一种新的机匣处理方案,即同时采用进气回流和周向槽机匣处理。计算结果表明:压气机级失速裕度得到了明显的提高,提高幅度达13.25%。     

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.     

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。     

轴流压气机非轴对称机匣造型的研究

首次对一尖部失速型的亚音轴流压气机转子进行了非轴对称机匣造型的设计和研究.本文首先分析了压气机非轴对称机匣造型与已有的非轴对称端壁造型概念的异同点,进而对本文研究的转子给出了非轴对称机匣造型的实例,对流场进行了定常与非定常的数值模拟,着重研究了非轴对称造型机匣对转子整体性能和稳定裕度的影响,对造型面对叶顶流动的改变进行了动态的分析,总结了该类机匣设计的初步经验.通过对同转子上非轴对称机匣造型与实壁机匣,周向槽和轴向槽机匣的对比,可以得出结论:精细设计的非轴对称机匣有效利用了叶顶局部压差,以及造型面的流线化,实现了对叶顶流动的优化,在不损失压气机整体性能的条件下实现了一定程度的扩稳.其应用前景值得关注和深入的研究.     

基于前失速先兆检测机理的叶顶喷气扩稳实验研究

拓宽轴流压气机稳定工作裕度及探索其流动失稳控制途径一直是内部流动研究的焦点。本文从前失速先兆检测机理入手,对前失速先兆与叶顶间隙泄漏流非定常性进行了关联性研究,发现了前失速先兆与叶顶间隙泄漏流非定常性有一定的关联性。在认识这类关联性的基础上,提出了基于前失速先兆捕捉的失稳控制途径,并结合DSP控制器构建扩稳控制方案,在低速轴流压气机上进行了实验验证。实验结果表明:采用叶顶喷气扩稳控制措施后,简化了原来复杂的控制机构,并为控制措施的实施预留了反馈控制时间,与原来的定常喷气控制措施相比有变工况自适应的优势。     

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。     

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。     

单级跨声速压气机旋转失速模拟方法

为了研究多排跨声轴流压气机旋转失速先兆的表现形式与失速演化规律,基于自主研发的CFD软件ASPAC,通过发展动态重叠网格技术,流量出口边界条件以及节流阀边界条件,对单级跨声速压气机NASA Stage 35由近失速状态到完全失速状态的过程进行了模拟.结果表明,发展的数值模拟方法能准确地模拟多排压气机的旋转失速发展过程;均匀进气条件下,随着NASA Stage 35向失速状态逼近,某些动叶压力面前缘出现了叶顶间隙流溢流现象,促使压气机进入旋转失速状态;在失速先兆阶段,周向非均匀流动开始出现并沿压气机周向传播;当完全失速时,失速团充分发展并连续地沿周向旋转,结构几乎不随时间变化.      

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.     

间隙区域的流动结构对压气机气动性能的影响

以一单级轴流压气机实验台为研究对象,对其内部流动进行了全工况的数值模拟。数值计算结果与实验测量结果对比分析表明程序很好地预测出了单级压气机的总性能和基元性能。数值分析峰值效率和失速边界工况下动叶和静叶间隙区域流动结构的变化表明:随着压气机的运行工况由峰值效率点向失速边界点移动,动、静叶间隙泄漏涡向下游发展过程中产生的阻塞效应明显增强,该阻塞效应是导致压气机失速的主要原因。     

缝式与槽式耦合机匣处理影响压气机性能的研究

以NASA Rotor 67为研究对象,首先设计出一个性能较好的轴向缝机匣处理,然后在缝的不同位置处开周向槽,对比分析该耦合机匣处理与轴向缝结构对跨音速压气机的影响。结果表明:原始轴向缝使压气机稳定裕度增大17.51%,但导致最高效率降低了0.54%。在轴向缝的基础上加周向槽,可以增大机匣处理的射流量,并能进一步扩大压气机的稳定裕度。其中,将槽加在缝的尾端时,效果最好,可以使裕度增大22.35%,效率降低0.72%。     

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。     

扩压器叶片前缘开槽结构对高负荷离心压气机性能影响研究

离心压气机在小流量工况下,扩压器叶片进口气流为正攻角,其吸力面产生流动分离,恶化压气机性能从而诱发失速。为改善近失速点扩压器内部的流场,拓宽离心压气机的稳定工作范围,本文对扩压器叶片前缘进行开槽处理,采用经过校核的RANS方法探究不同开槽结构对高负荷离心压气机的性能影响及内部流动机理。研究发现:近失速点原型扩压器的压力面和吸力面两侧同时存在大范围的流动分离,本文研究的直槽和斜劈型2种开槽结构均能有效地抑制扩压器通道内的流动分离并提高压气机的失速裕度。但随着开槽深度和长度的增加,斜劈型开槽结构会恶化扩压器通道内的流场,致使压气机性能急剧降低。     

压气机插板式进气畸变实验研究

进气畸变同压气机之间的相互作用机制一直是进气道/发动机一体化设计的重点。本文在一台低速轴流压气机上进行了插板畸变实验,研究了插板畸变对压气机性能和稳定性的影响。实验发现:轴向速度畸变和周向速度畸变是影响压气机性能的主要因素;当转子叶片离开畸变区时,其载荷最大,易产生较大的流动分离,当转子叶片刚进入畸变区时,其后的静子叶片叶根易出现流动分离。同时发现插板进气畸变条件下的压气机失速机理与均匀进气条件下压气机失速机理差别很大,并提出一个压气机失速模型去描述插板畸变条件下压气机失速的三个阶段。     

叶顶间隙对离心压气机性能和流动影响的实验研究

本文通过实验研究了叶顶间隙大小对离心压气机总体性能及流场的影响,并利用非接触式光纤位移传感器对压气机工作时叶轮的叶顶间隙进行了测量。结果表明,压气机运行过程中叶顶间隙变小,而且叶顶间隙随时间波动.叶顶间隙增大将降低压气机的压比和效率,并且随转速升高,这一效果更明显。同时,流场分析发现,随流量减小,泄漏流的影响区域逐渐向上游移动,叶顶间隙增大使泄漏流的影响区域增大且静压损失增加。     

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.     

两级低速轴流压气机的喷气实验的非定常响应

在轴流压气机的顶部实施了微量喷气来抑制失速，喷气量为压气机流量的 ０．５‰．如此微量的喷气不足以通过稳态方式来改变流动结构，而是通过改变压气机的非定常边界的方法对系统的稳定性产生影响．实施微量喷气后压气机的稳态特性没有发生变化．实验比较了不同的喷射攻角的失速抑制效果并采用常规方法对相应的周向动态压力信号进行了分析．     

扩压器斜槽机匣处理的数值与实验研究

机匣处理能够有效地扩展压气机的稳定工作裕度。传统的机匣处理研究大多集中于压气机叶轮上,对扩压器机匣处理的研究甚少。本文在离心压气机扩压器上建立了新型斜槽机匣处理方案,采用数值模拟与实验相结合的方法,研究了扩压器斜槽机匣处理的扩稳效果及机理。研究表明:扩压器斜槽机匣处理使压气机的失速裕度提高了8.1%,效率下降了1.35%;扩压器斜槽机匣处理对扩压器叶片前缘及尾缘附近气流的改善是其扩稳的主要原因。