跨音速转子叶顶泄漏流/主流交界面的前移机制

采用数值计算和实验研究相结合的方法,研究了跨音速转子叶顶泄漏流与主流交界面轴向位置随流量的变化规律和机制.该跨音转子是美国圣母大学一级半跨音速压气机转子.研究发现机匣壁面脉线分布能够定性反映壁面轴向剪切应力分布,可用来识别叶顶泄漏流与主流的交界面位置.通过机匣壁面的脉线分布,可以看出机匣壁面存在两条零剪切应力线.第一条...     

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．     

导叶调节对双级对转压气机性能影响的研究

本文以某双级对转压气机为研究对象,基于并行计算技术,用数值模拟的方法计算研究了进口导叶安装角对对转压气机性能影响规律,从机理上分析了设计流量下导叶调节对各叶排来流气流角影响,为对转压气机的进一步优化设计提供依据。计算结果表明:在现有计算机条件下,并行计算技术的采用大大提高了计算效率;进口导叶安装角对对转压气机性能有一定影响,当进口导叶向负方向调整时,转子1工作正攻角下,出口导叶工作于负攻角,压气机的增压比升高,效率基本不变,稳定工作范围略有增大。     

高负荷轴流压气机的通流计算与分析

高负荷轴流压气机内部流动复杂,气动性能预测难度大。本文介绍了作者开发的一套适用于高负荷轴流压气机性能预测的通流计算程序。程序采用流线曲率法,基于对压气机内部流动规律的深刻认识,结合实际工程经验,建立了对于损失、落后角等的预测模型,以及失速和掺混模型。通过对NASA的跨音转子Rotor 1B、PW三级机组3S1、GE公司E~3机组等多台有代表性机组进行计算,并将计算结果与试验数据进行对比,验证了本通流程序的可靠性。结果表明,本程序是高负荷轴流压气机性能分析预测的有效工具,具有一定工程应用价值。     

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。     

五级轴流压气机气动设计数值研究

针对某中档功率燃气轮机压气机部件气动性能需求,开展了五级轴流低压压气机气动设计技术数值研究。围绕提高效率和扩大喘振裕度两个根本问题,在气动设计的一维设计、S2通流设计、叶片造型等各个环节进行了参数筛选与性能优化,并通过Numeca软件和Denton程序全三维数值模拟性能确认,设计点气动性能满足并超过了指标要求。为了满足低速运行压气机喘振裕度要求,一维经验统计数值预测前面级导叶调节所能带来的喘振裕度拓展区间,并研究了几级联调的调节规律,以指导五级轴流压气机气动性能试验。本文研究提供了满足性能指标要求的全新五级轴流压气机气动设计,获得的扩喘导叶调节规律可供相似多级轴流压气机导叶联调参考。     

轮毂曲线对跨声速压气机转子性能的影响

本文对一台多级压气机进口级转子的四种不同轮毂造型进行了比较研究.通过三维数值模拟证明,不同轮毂造型对跨声速压气机转子的流场有明显的影响,从而影响转子设计点性能.研究结果表明:与传统的直线轮毂型线相比,凹形轮毂能够提高流通能力,提高转子的加功量,使得跨音转子的流量上升,根部流场改善,效率上升;凸型轮毂会降低流通能力,降低加功量,使得跨音转子的流量、压比、效率均下降;轮毂型线对子午流面产生的影响,主要体现在对激波位置的影响和径向流动的影响;在效率和负荷之间权衡,本文最终认为采用S型轮毂是一种比较合适的选择.     

弯曲动叶对跨音轴流压气机性能的影响

对具有弯曲动叶的跨音轴流压气机性能的数值研究表明,反弯曲动叶中通道激波沿径向倾斜角度最大,在顶部移向下游,在中部移向前缘,提高了失速裕度,但也增加了中部损失,反弯曲动叶级效率最低。正弯曲动叶中通道激波在顶部前移,失速裕度下降,通道激波近似为径向,负荷沿叶高分布均匀,气动效率最高。通道激波位置合理分布是弯曲动叶改型设计成功的关键。     

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。     

叶顶间隙大小和壁面相对运动对低速轴流压气机孤立转子性能的影响

本文针对一低速轴流压气机孤立转子,利用数值方法分析了不同叶顶间隙大小、机匣和叶顶之间相对运动对其总体性能的影响。 结果表明存在着最佳顶部间隙,原因是顶部区域吸力面边界层引起的损失由于叶顶间隙流的作用而减少,虽然存在泄漏损失,但总损失却小于无顶部间隙时的损失。壁面相对静止和相对运动时的顶部区域二次流和损失分布有着明显的区别,因此某些没有考虑壁面相对运动的平面叶栅实验或计算结果在用于压气机转子设计时,需要经过一定的修正。     

跨声速轴流压气机转子叶片的掠形优化研究

本文通过对掠形叶片在跨声速压气机转子上的应用发展回顾,发现当前掠形叶片在叶轮机领域得到重视应用的同时,还存在掠形如何改善压气机性能的争议.为了探索掠形叶片对轴流压气机跨声速转子的性能影响,本文采用数值优化的方法对一个跨声速转子的性能进行了优化研究,结果证明:前掠叶片对压气机性能有较为明显的影响.     

缺陷叶片对跨音速压气机转子气动性能影响

基于Hicks-Henne三维高阶延拓函数,提出了一种表征服役条件下由于积垢、腐蚀或磨损等因素造成压气机叶片表面几何缺陷的三维通用几何参数化建模方法,并以Rotor37为例,重点研究了叶片表面局部凸起缺陷对跨音速压气机转子气动性能和内部流动的影响。结果表明:叶片表面不同位置凸起缺陷的存在,使得Rotor37多变效率下降1.0%~1.3%;当表面凸起缺陷位于吸力面50%叶高、50%弦长附近时,激波诱导边界层分离现象明显加重,致使气动性能衰减更为剧烈。该研究对于深入认识服役条件下的压气机气动性能变化具有一定的理论价值。     

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.     

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.     

对转超音压气机低压转子尾迹对高压转子的作用研究

本文采用数值方法针对对转超音压气机转子叶片排间的相互干涉效应进行了研究,分析了超音转子在两级转子叶片排间具有三种不同轴向间距情况下的性能和前排转子叶片尾迹影响下的超音转子非定常特征。研究结果表明,轴向间距的增大使得尾迹在较长的间距内经过了较为充分的掺混,超音转子最大压比和最高效率随轴向间距的变大而增大;前排叶片尾迹的影响范围从超音转子叶片压力面直至吸力面,横贯整个叶片通道,较高叶展处的尾迹强于较低叶展处;横贯超音转子通道内的低压动叶尾迹先后与斜激波和正激波相互作用,尾迹区内熵进一步增大,并且由于尾迹区的传播速度由主流速度决定,尾迹在通道内继续向下游传播且传播显著延迟于通道外。     

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。     

采用新型非轴对称端壁提高压气机转子性能的数值研究

为进一步改善压气机转子内部的流场结构,探索二次流减少机理,对轴流压气机转子—NASA Rotor37进行了非轴对称端壁造型。本文以商用软件NUMECA为设计平台,发展出一套完整的非轴对称端壁优化设计流程。通过对优化区域及优化方向的控制,设计出一种带有凹槽的非轴对称端壁造型,并对凹槽在轴向的最佳位置进行了讨论。压气机内部流场结构采用三维流线进行分析。结果表明:凹槽改变了槽内以及周边流体的流动轨迹,降低了通道内的横向压力梯度,阻碍了端壁附面层低能流体向吸力面的聚集;同时,凹槽的存在提高了压气机的气动性能和叶片的扩压能力,使二次动能和总压损失系数分别减少了9.52%和6.5%。     

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。     

弱化激波涡轮叶栅研究

激波问题严重影响超/跨音涡轮气动性能、冷却特性和结构完整性,因而,弱化激波设计是高负荷涡轮研究的热点之一。针对这一问题,本文以两个典型超/跨音涡轮叶栅为例,以伴随方法寻优为手段,给定流量和出口气流角约束,在不同工况点下进行优化,并对比研究变工况特性、流动特征和造型参数,探索弱化激波涡轮叶栅设计技术及规律。     

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。