离心压气机的堵塞与喘振

本文在离心压气机试验工作基础上对堵塞与喘振现象进行了分析,介绍了计算叶片扩压器与叶轮堵塞流量的方法以及设计中导风轮进口喉部面积与叶片扩压器喉部面积应保持的正确比例。计算结果与试验数据进行比较获得了较好的一致性。本文还介绍了叶片扩压器与叶轮流道静压分布的测量结果,并结合试验现象运用边界层概念对离心压气机喘振问题进行了分析。      

小型高速离心压气机级内部的三维流场分析

利用三维数值模拟技术对微型燃气轮机中的离心压气机部分进行了数值分析,得到了离心压气机设计转速下的级特性曲线和各通流部件中的流动情况。数值分析表明:设计转速下压气机的级特性非常陡峭;整个特性线范围内离心叶轮基本在亚音速情况下工作,而径向扩压器是在跨音速条件下工作,离心压气机整机的最大流量是由径向扩压器的喉部面积决定的;离心压气机级内部各通流部件之间流动的相互干扰是引起流动分离的重要原因,各通流部件之间流动的相互匹配和协调将决定了离心压气机整机的性能和稳定性。     

离心压气机叶片扩压器的不稳定流动特征

本文用高频响应的热线风速仪及压力传感器作为测量仪器,与磁带记录仪及CF-920动态信号分析仪一起,组成测量及分析系统,并用该系统对离心压气机带叶片扩压器时的流动脉动进行了测量,得出了流体脉动的时间和空间特征.文中给出了失速波形及失速参数随流量的详细变化.本文装置上产生三团失速,流量减小过程中。失速团以2.2%～7%的叶轮转动速度旋转.转速变化时,失速现象的演变过程并不发生变化.失速时,叶片扩压器前缘附近的流动最为恶化,流体脉动幅度较大,气流角的变化剧烈.     

进口导叶／叶轮／扩压器非定常相干的数值与实验研究

在不同进口导叶预旋角度下,采用非定常的方法对进口导叶/叶轮/扩压器三部件之间非定常相干进行了数值与实验研究,探讨了三部件之间动静相干的机理.结果表明,在进口导叶/叶轮/扩压器三部件相干时,最大的脉动压力出现在叶轮和扩压器之间的动静交界面上.当进口导叶预旋角度存在时,叶轮与扩压器之间无叶区内的非定常流动以叶轮叶片通过频率和1/2叶片通过频率为基频;而当扩压器进口安装角增大时,径向间隙内的流动则主要以1/2叶片通过频率为基频.在不同的配置下,湍流强度和非定常度均有朝向轮盘增加的趋势.在进口导叶正预旋60°同扩压器进口安装角为17°时的配置有增大湍流强度和非定常度的趋势.     

柴油机废气涡轮增压器压气机的气动噪声源特性研究

基于雷诺时均方程(RANS)及双方程湍流模型,建立了船用大功率增压器压气机的内部流场计算模型;计算了压气机叶轮流道内的流速分布和湍流流场,得到叶片顶部出口附近的流速分布在1.02马赫和1.1马赫之间;采用基于声比拟的数值积分方法(FW-H方程),得到了压气机叶轮的气动噪声源,并比较了主叶片和分流叶片顶部出口位置的气动噪声频谱特征,发现两者的噪声级及叶频分布存在差异。计算表明:压气机在轴频及其谐波频率处的噪声远小于叶频噪声,主流叶片及分流叶片紊流的噪声成因不同;压气机内部流噪声源的大小主要取决于气流速度;压气机转速由8000r/min增加至16000r/min、由16000r/min增加至22000r/min,流噪声的幅值约增加12dB。     

级环境下叶片扩压器流场的实验与数值研究

为了研究离心压缩机级环境下的非定常干扰的基本流动现象,并验证多级叶轮机械的CFD软件的分析能力, 对一大尺度离心压缩机的叶片扩压器流场进行了实验测量和数值计算. 实验采用了固定热线、相位锁定------系综平均技术,用常温热线风速仪对叶轮后的叶片扩压器通道内不同周向、径向和轴向位置处的非定常速度进行了测量,同时提出了非定常强度的概念,以定量考核非定常的影响.实验结果表明, 叶片扩压器内的非定常流动非常复杂,其时间周期并非叶轮叶片通过时间,随着与离心叶轮之间的距离增大,非定常扰动逐渐减弱,但一直延续到叶片扩压器的出口.另外,对该实验压缩机级开展了两个不同的数值计算,并与实验数据进行了比较：定常数值计算软件采用了作者发展的确定应力模型,非定常数值计算是用商业软件NUMECA实现的,计算采用了滑移界面技术. 两个计算结果与实验在扩压器的进口截面处吻合得很好.     

离心式压缩机扩压器叶片不稳定脉动力分析及其辐射噪声研究

根据薄机翼理论，本文推导出在周期性阵风作用下扩压器环形叶棚叶片上不稳定脉动力计算公式，并可分析离心压缩机几何及气动参数对不稳定力的影响，利用调制理论，建立了一个可用于预测离心压缩机叶轮尾迹与叶片扩压器相互作用而导致的辐射声功率，给出其谐波及宽噪声的计算公式，计算与试验结果吻合很好。     

轴流压气机叶片气动设计

本文概述了轴流压气机设计的基本问题和一般的解决途径。叙述了现今叶轮机械气动设计概念中所需要的理论方法和计算机工具。由此给出了将真实流体效应(例如亚音速粘性损失及激波)连系起来并引入设计过程的方法。重点放在叶片气动设计,特别是跨音速风扇和多级压气机的叶片设计上。指出了使压气机气动设计成为一门更严格的科学和将来研究的突出领域所需要增进的知识。      

压气机近失速点旋涡流场时空演化分析

为了探索轴流压气机内旋涡流场的时空演化特征, 对一台压气机转子的流场进行了时间精确的数值模拟. 通过对转子不同轴向位置的流量分析发现, 在压气机近失速工况附近, 压气机进口流量波动约为最大流量的2%. 对旋涡流场的进一步分析发现, 叶片尾缘附近吸力面的旋涡流场摆动是导致压气机进口流量波动的主要原因.      

低雷诺数下附面层组合抽吸方案对压气机特性影响的研究

为了分析附面层抽吸流动控制对低雷诺数下压气机特性的影响,本文采用数值方法模拟了低雷诺数下附面层组合抽吸方案对NASA Rotor 37跨音速压气机性能和稳定性的影响特点及作用机理。通过在该压气机转子叶片吸力面和机匣上分别设计附面层抽吸槽,探讨了组合抽吸方案对低雷诺数下(H=20km)压气机性能和稳定性的影响。结果表明:采用组合抽吸方案后,压气机峰值效率提高约1.3%;压气机最大增压比提高约2.5%;压气机转子的近失速点流量减小约14.6%。进一步分析作用机理发现,组合抽吸槽有效抑制了附面层径向涡向叶顶的运动和聚集,使叶顶附面层分离区减少约70%从而有效改善了压气机的流场特性。     

多级轴流压气机多叶排调节扩稳优化分析

整理和归纳出合适的流动损失和落后角模型,并将其与逐排基元叶片算法相结合,给出了计算多级轴流压气机特性工程方法;进一步将其与复合形优化方法相结合,对多级轴流压气机多叶排调节扩稳进行了优化模拟,并应用于某8级轴流压气机算例计算.结果表明,在部分转速工况下,采用带性能约束的优化调节在不明显降低性能的同时能够显著减小多级压气机不稳定点流量;在设计工况下,采用适当的变几何优化调节不仅能明显扩大压气机稳定工作范围,还能明显提高压气机绝热效率.     

航空发动机压气机叶片振动频率与温度的关系

以某型航空发动机压气机第六级叶片为例，研究了温度对叶片振动频率的影响。发现由于温度的升高导致了材料弹性模量的下降，而弹性模量的下降又导致了叶片在发动机一定的转速范围内，除一阶振动外，其余各阶振动的动频均小于静频，因此与通常的工程处理方法不同，研究压气机叶片的动频时，应考虑温度的影响。     

轴流压气机端壁附面层的理论预测

从Ｎ－Ｓ方程出发，推导了轴流压气机端壁边界层动量积分方程，并提出了一种适用范围广泛的叶片力亏损模型，结合边界层的卷吸方程和速度分布表达式，可以方便的预测压气机环壁边界层的发展，与传统的叶片力亏损模型相比，该方法的计算准确性和适用范围均得到提高。     

离心风机子午通道内湍流场数值模拟

由进风口－叶轮－无叶扩压器－蜗壳等部件组成的离心风机通道内流分析是非常复杂的，目前还只能是分别计算各部件内的流场，但必须考虑部件间的相互影响。本文采用轴对称Ｎ－Ｓ方程，根据三维叶轮通道计算给出的叶片力分布，求解了考虑叶片力的进风口－叶轮－无叶扩压器组成的子午通道问题，所得结果可用来给出三维叶轮通道计算的进口条件，并可用于优化设计进风口及叶轮前、后盘形状。该方法已得到实践检验。     

采用不同黏性处理方法的宽无叶扩压器不稳定流动研究

径向无叶扩压器的全局稳定性可能受到核心主流失稳,出口回流与壁面边界层分离等因素影响,对于宽无叶扩压器,无黏核心主流与壁面边界层流动对不稳定扰动诱发的作用机理是当前研究的重点.本文首先通过数值计算获得了大宽度比孤立无叶扩压器平均流动,然后基于小扰动理论和周向均质假设,分别对欧拉方程与 Navier-Stokes 方程进行线性化,建立了基于无黏核心流动的稳定性分析方法,以及基于涡黏性与分子黏性的混合稳定性分析方法;通过与实验结果的对比,验证了混合稳定性分析方法预测所得流动失稳频率和全局直接模态的准确性;最后基于伴随方法获得了特征值的结构敏感性,揭示了不同黏性处理条件下宽无叶扩压器内全局不失稳扰动的源发区域.在只考虑核心主流的无黏条件下,宽无叶扩压器内流动不稳定扰动来源于流场中部,为二维的离心失稳;在同时考虑核心主流与边界层的作用时,宽无叶扩压器不稳定扰动不仅来源于扩压器流场中部的核心主流,壁面回流对于不稳定扰动的产生了重要影响.      

采用不同黏性处理方法的宽无叶扩压器不稳定流动研究

径向无叶扩压器的全局稳定性可能受到核心主流失稳,出口回流与壁面边界层分离等因素影响,对于宽无叶扩压器,无黏核心主流与壁面边界层流动对不稳定扰动诱发的作用机理是当前研究的重点.本文首先通过数值计算获得了大宽度比孤立无叶扩压器平均流动,然后基于小扰动理论和周向均质假设,分别对欧拉方程与Navier-Stokes方程进行线性化,建立了基于无黏核心流动的稳定性分析方法,以及基于涡黏性与分子黏性的混合稳定性分析方法;通过与实验结果的对比,验证了混合稳定性分析方法预测所得流动失稳频率和全局直接模态的准确性;最后基于伴随方法获得了特征值的结构敏感性,揭示了不同黏性处理条件下宽无叶扩压器内全局不失稳扰动的源发区域.在只考虑核心主流的无黏条件下,宽无叶扩压器内流动不稳定扰动来源于流场中部,为二维的离心失稳;在同时考虑核心主流与边界层的作用时,宽无叶扩压器不稳定扰动不仅来源于扩压器流场中部的核心主流,壁面回流对于不稳定扰动的产生了重要影响.     

一组低转速径流式压气机叶轮三元流动参数分布的计算及与实验数据的对比

本文采用构造叶片面的上下游延伸流面,在接长了的叶轮通道内,用准正交面法计算径流式压气机叶轮三元流场。用于计算S.Mizuki低转速叶轮二个流量系数情况下的流场,对无分离的B型叶轮,计算结果与实验数据符合得相当好;对分离严重的A型叶轮,计算结果亦可对分离区的产生提供合理的解释。本方法可应用于径流式压气机叶轮变工况流场分析。     

刮擦线速度对TC4叶片与Ni-G封严涂层磨损行为的影响

利用高速刮擦试验机模拟了压气机叶片与封严涂层的刮擦行为,研究了TC4（钛合金）叶片材料与Ni-G（镍-石墨）封严涂层体系在线速度30~150 m/s范围内的磨损行为.通过对叶片样品端面及涂层样品磨痕的SEM-EDS、XPS分析和涂层样品磨痕表面的显微硬度测试,探讨了对摩体系的磨损机制.结果表明：随着线速度的增大,叶片样品的磨损率呈现先升后降的趋势;在低线速度下涂层样品致密化使叶片样品磨损轻微,中等线速度下叶片样品与涂层样品磨痕中高硬度转移层的刮擦造成叶片样品磨损加剧,高线速度下叶片样品端面较厚氧化膜减轻叶片材料向涂层的转移导致叶片样品磨损下降.     

叶轮机械非定常流动研究进展

本文就叶片排进出口流场畸变型动力响应、压缩系统气动稳定性、叶轮机械非定常气动问题的数值模拟以及失速颤振轴流压气机系列转子实验等４个方面问题,从非定常气动力学角度作一概述和展望      

非平行壁无叶扩压器的性能研究

本文研究了无叶扩压器的进口流动参数及其几何参数对无叶扩压器性能的影响.用积分法对非平行壁(也对平行壁)无叶扩压器的内部流动进行了理论计算.提出了一种更为合适的径向速度分布规律,使计算结果更加接近实际情况.本文还探讨了无叶扩压器中扭曲边界层的分离及其判断准则.通过对扩压器压力恢复系数及分离的研究,作者认为,扩压器进口速度、进口气流角、进口宽度与进口半径比b_(in)/r_(in)及两壁夹角2ω的影响不可忽略.采取扩张型非平行壁无叶扩压器,在一定的进口速度下,可望有较高的压力恢复系数,且可以缩短径向尺寸.