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%。     

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。     

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。     

进气畸变对压气机稳定性的影响

在低速大尺寸单级压气机实验器上,实验研究了动态进气畸变对压气机稳定边界的影响。并采取在静子叶片表面埋入微型压力传感器的方法,分析了压气机流场的动态压力特性。实验结果表明,动态总压畸变的旋转频率和旋转方向对压气机稳定性有很大的影响,当畸变相对转速n在0~+0．5之间时,压气机失速推迟;分析动态压力的频谱特性后知道,在压气机失速前一般存在与失速相关的压力扰动,动态总压畸变影响这种压力扰动,从而影响压气机的不稳定流动状态。     

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。     

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     

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。     

旋转总压畸变对压气机稳定性影响数值模拟

本文利用发展的预测轴流压缩系统动态失速特性及进气非均匀性影响的理论模型,系统计算分析了进气总压畸变旋转频率对下游压气机稳定性的影响。计算结果表明进气总压畸变的幅值和旋转频率对压缩系统的动态失速特性和稳定性都有强烈的影响,旋转频率对旋转失速边界和喘振边界的影响类似。但是,系统的"危险"响应频率强烈地依赖于其旋转失速的传播频率。该模型理论上是先进的,而且计算结果与现有实验数据的比较表明该模型是可靠的。     

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。     

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。     

对涡旋流对跨声速压气机转子Rotor67的影响

为研究对涡旋流畸变对压气机的影响,本文基于一种新设计的旋流畸变发生器,利用CFD技术,开展了对涡旋流畸变与NASA Rotor67跨声速转子的数值仿真研究。在100%换算转速下,对比分析均匀进气以及旋流进气条件下的压气机压比、效率特性线以及流场分布情况。结果表明,对涡旋流会引起压气机增压能力和效率的下降,并降低压气机稳定工作裕度。在100%换算转速、旋流进气条件下压气机峰值效率点处的流量值较之均匀进气条件下降低2.33%,峰值效率降低2.44%,该点处压比降低0.25%。压气机失速点流量增加0.99%,压气机稳定工作流量范围下降。     

非定常机匣处理扩稳实验研究

针对一种非定常处理机匣,在轴流风扇实验台上开展偏流吹气扩稳实验研究.主要包括t改善风扇稳定裕度的稳态特性;影响失速先兆波产生及发展的动态分析.结果表明:非定常机匣处理能够在不同工作转速下对风扇稳定裕度有显著效果,效率没有明显改变.偏流吹气可以进一步改善风扇稳定裕度,但同时也会带来一定的效率损失.动态分析证实处理机匣没有阻止失速先兆波的出现.而是有效地抑制了其非线性发展.     

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。     

旋转进口畸变与轴流压气机旋转失速相关联的模型与实验探索

本文自行设计了轴流压气机旋转进口畸变发生装置.基于M-G模型,建立了轴流压气机旋转畸变模型.采用数值模拟和实验测量相结合的方法研究了轴流压气机在发生旋转进口畸变情况下的失速过程.试图通过分析畸变扰动与旋转失速之间关联性来探索压气机失稳的触发机理.研究结果表明:在旋转畸变条件下,压气机旋转失速总是始发于畸变扰动位置.     

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。     

电动离心压气机主动控制扩稳方法研究

为了适应车用宽工况范围需求,燃料电池离心压气机需具有宽的稳定流量范围,而喘振限制了离心压气机小流量工况工作的稳定性。针对燃料电池离心压气机为电动离心压气机的特点,本文提出了一种通过控制电机转速动态变化的主动控制扩稳方法。通过试验研究发现,相较于无主动控制的情况,采用主动控制使电机转速以正弦波形式主动变化时,可削弱失速、喘振等引起的压力振动幅值,实现失速和喘振的抑制。当电机转速以频率为7 Hz,无量纲幅值为0.2%的正弦波形式变化时,在测试的低转速范围内,深喘起始的背压阀度均有减小,其中在40000 r·min~(-1)时减小最显著,相较于无主动控制情况减小达6.3%。     

利用等离子体非定常射流实现单转子轴流压气机扩稳

实验研究了非定常等离子体射流对低速单转子轴流压气机稳定工作范围的影响。实验在低速单转子轴流压气机实验台上开展,在压气机转子前缘处布置一组等离子体激励器,通过施加非定常等离子体激励,在压气机转速为1500～2400r/min下实现了压气机扩稳。实验测量表明需要协调好激励器布置位置和激励强度之间的矛盾,将激励器靠近转子前缘对叶尖泄漏流的作用更强,不过距离转子过近会造成激励器与叶片之间易于爬电,这样无法提高激励强度,反而不利于扩稳,通过反复实验,发现在转子前缘19 mm布置激励器时不会发生爬电且扩稳效果比较理想。为了对等离子体诱导射流发生的反作用力有定量认识,利用电子天平测量了不同激励电压下反作用力的大小。     

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。     

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。     

某五级高负荷轴流压气机气动性能分析

本文针对某五级高负荷压气机进行了实验和数值计算研究,详细对比分析了该压气机设计转速下的气动性能。首先就总体性能和流场细节对数值计算进行实验校核,结果表明:该压气机数值计算得到的总体性能曲线与实验结果吻合良好,设计点和近失速点的级间总压和壁面静压的数值计算和实验结果吻合良好。进一步气动分析表明;该压气机设计工况下气动性能良好,近失速工况下第五级静叶70%叶展以下部分流动首先恶化,进而引发该压气机失速。