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。     

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.     

轴向间距对压气机失速特性的影响

采取在静子叶片表面埋入微型压力传感器的方法,对叶尖、叶中和叶根三个截面上的动态压力进行测量,实验研究了六个轴向间距下压气机的旋转失速特性。实验结果表明:轴向间距对压气机失速点的流量系数影响很大,转静子轴向间距减少,压气机失速推迟;压气机刚进入旋转失速的模态与轴向间距有关,轴向间距较大时,压气机首先进入多团全叶高旋转失速,当轴向间距为21％CR时,压气机直接进入单团全叶高旋转失速;轴向间距不同,近失速点的压力扰动也存在差别。     

周向进口畸变对压气机失速过程的影响

本文对一台带有不同周向进口畸变装置的三级、低速、轴流压气机进行实验研究。研究结果发现周向进口畸变对压气机失速过程的影响包括了最初始的大时间尺度扰动产生的位置与条件;大时间尺度扰动失速先兆向脉冲型失速先兆的转化,以及大时间尺度扰动失速先兆尺度随转子转动方向的逐渐减小。说明局部扰动和系统特性之间存在一定的相互关系。     

旋转进气畸变下的两级压气机扩稳实验研究

针对旋转进气畸变诱发的流动稳定性问题,在两级压气机上开展了基于失速先兆抑制型(Stall-Precursor-Suppressed,SPS)机匣处理的气动扩稳实验研究。在两级低速压气机实验台上数模拟旋转畸变进气条件,研究不同的畸变程度下旋转畸变对两级压气机稳定性的影响,并考察在第一级转子前缘上方安装SPS机匣处理后的扩稳效果。在畸变转速小于600r/min时,压气机稳定边界向右移动,效率下降明显。畸变转速大于800r/min时,旋转畸变对两级压气机作用效果趋于改善,相对而言,反向畸变比正向畸变具有更好的延缓失速效果。SPS机匣处理在不同畸变程度下均具有扩稳作用,失速裕度改善可以达到2%～7.9%,并且带来的效率损失均小于1%。     

旋转进口畸变条件下轴流压气机叶顶间隙流非定常特征及其与旋转失速的关联性研究

本文采用数值模拟和实验测量相结合的方法,以叶顶间隙流的非定常流场特征为切入点,系统地研究了畸变情况下轴流压气机旋转失速的触发机理.研究结果表明:畸变影响区内叶片负载明显高于非畸变影响区;畸变影响区内逆压梯度的增大使得叶顶泄漏涡轨迹前移,当节流到一定程度时,叶顶泄漏流溢出,形成类尖脉冲扰动,类尖脉冲扰动的间歇性发展,最终诱发旋转失速.     

总压进口畸变与失速裕度相互关联非定常特征的数值模拟

本文采用数值模拟方法对方波形式的总压进口畸变的强度系数 DC(60)和轴流压气机的特性曲线进行二维数值模拟。对不同流量下不同强度的总压畸变的强度系数进行了比较,并通过改变出口背压得到不同畸变强度下压气机的特性曲线和失速点。     

一台低速压气机的失速前扰动分析

本文应用小波的方法对一台三级、低速、轴流压气机的动态实验数据进行了分析。所分析的数据点的范围从压气机发生旋转失速前1000转开始,分析结果表明:失速前扰动的出现是间歇性的,即扰动出现、发展、消失、再出现、再发展、再消失。将所有沿圆周方向布置的传感器信号一起分析,失速前扰动形成的团沿圆周方向旋转。而且,越接近失速点,失速前扰动团沿圆周方向传播的距离相对越长。同时,表明结构的不均匀产生在第七传感器和第一传感器之间。     

不同进口畸变下低速压气机近失速状态非定常特征

本文采用动态测量技术和非定常流动的分析方法,对不同进口畸变条件下低速压气机近失速状态时,动叶顶部非定常流动特征进行了实验分析,从时间尺度和空间尺度,探讨了压缩系统对进口畸变效应的非定常响应机制。结果表明: 有畸变工况下,出现大尺度扰动型的失速先兆。     

低速轴流压气机单转子旋转失速三维数值模拟和实验比较

本文通过求解三维不可压N-S方程,对三级低速轴流压气机第一级的孤立转子进行数值模拟,在出口加上节流阀进行了非定常计算,得到了失速先兆的特性,并且与压气机失速实验进行了比较。结果表明,计算与实验的特性线符合较好,单转子三维计算与压气机三级实验中第一级转子在失速先兆和失速团的特性一致。并且数值失速过程中动叶通道内部动态压力的变化与实验结果也很接近。     

Experimental and Numerical Investigation on Effects of the Steam Ingestion on the Aerodynamic Stability of an Axial Compressor

In order to investigate the influence of steam ingestion on the aerodynamic stability of a two-stage low-speed axial-flow compressor, multiphase flow numerical simulation and experiment were carried out. The total pressure ratio and stall margin of the compressor was decreased under steam ingestion. When the compressor worked at 40% and 53% of the nominal speed, the stall margin decreased, respectively, by 1.5% and 6.3%. The ingested steam reduced the inlet Mach number and increased the thickness of the boundary layer on the suction surface of the blade. The low-speed region around the trailing edge of the blade was increased, and the flow separation region of the boundary layer on the suction surface of the blade was expanded; thus, the compressor was more likely to enter the stall state. The higher the rotational speed, the more significant the negative influence of steam ingestion on the compressor stall margin. The entropy and temperature of air were increased by steam. The heat transfer between steam and air was continuous in compressor passages. The entropy of the air in the later stage was higher than that in the first stage; consequently, the flow loss in the second stage was more serious. Under the combined action of steam ingestion and counter-rotating bulk swirl distortion, the compressor stability margin loss was more obvious. When the rotor speed was 40% and 53% of the nominal speed, the stall margin decreased by 6.3% and 12.64%, respectively.     

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.      

低速轴流压气机顶部微量喷气控制失速机理的数值模拟

对低速轴流压气机的转子顶部进行微量喷气已经证明可以有效的抑制旋转失速,但通过实验研究其机理比较困难。本文对该低速轴流压气机的转子顶部进行微量喷气的失速起始过程进行了数值模拟,通过非定常流场和失速起始过程同未加喷气的情况进行比较,分析了微量喷气控制失速起始的机理。计算得到的特性线和失速点流量同实验较好吻合。     

跨音压气机近失速状态的非定常特征

本文采用动态测量技术和非定常流动的分析方法,对高速跨音压气机近失速状态时,动叶顶部非定常流动的演变特征进行了实验研究。从时域、频域和流场特征的角度出发,探讨了旋转失速发生和发展过程中,流动失稳的物理机制．结果表明：远离设计工况时的失速先兆特征与临近设计工况时的先兆特征有着本质的区别。展示了非稳定分离流动与后续旋转失速成因的内在联系．     

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。