多级轴流压气机性能预测及导静叶调节优化

基于一维流动模型和复合形法/模拟退火法的优化算法,建立了多级轴流压气机性能预测和导静叶调节优化的方法,编制了相应的Python计算程序,获得了NASA-74A跨音速轴流压气机前三级的气动性能图及最优导静叶调节角度。结果表明:该压气机气动性能的预测结果与试验数据吻合较好,喘振边界预测较准;导静叶调节角度的组合优化使各转速下的最高效率提升明显。研究工作表明所建立的性能预测与调节优化方法具有一定的可靠性,对发展多级高负荷轴流压气机的先进气动设计体系及调节技术具有理论参考价值和重要工程应用意义。     

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。     

基于流线曲率法的轴流及离心压气机通流特性预测

本文基于准正交流线曲率法推导了适用于多级轴流压气机及离心压气机的压力梯度控制方程,并引入不同压气机经验模型,发展一种新型流线曲率法通流计算方法。基于预测方法,计算了亚/跨音速轴流压气机和带无叶/叶片扩压器离心压气机的通流特性,并与实验或三维CFD模拟结果进行了对比.结果表明,本文发展的流线曲率法通流预测结果同实验或CFD结果吻合度较高,这验证了该方法的合理性及所采用经验模型的准确性,因而其能快速、有效地评估多级轴流压气机及离心压气机通流特性.     

多级轴流压气机通流造型一体化设计研究

多级轴流压气机气动设计的核心是S2通流设计和叶片造型设计。为了提高设计效率、降低时间成本,研究开发了多级轴流压气机通流、造型一体化设计方法。通过将S2通流设计反问题与叶片造型耦合联结,一体化设计获取压气机气动流场参数和流道、叶片几何,并直接与全三维数值模拟相衔接,可快速得到基本满足目标需求的初始设计。通过一体化反演设计具有设计数据与试验结果的美国E~3十级高压压气机前六级,其设计点的流量、绝热效率误差范围均在2.5%内,具有较好的工程精度,验证了研发的多级轴流压气机通流造型一体化设计的有效性与实用性。     

多级低反动度高负荷轴流压气机及其内部流动机理研究

本文提出了亚音速多级低反动度高负荷轴流压气机的设计概念,并对其可行性进行了理论分析.应用此设计概念,结合附面层抽吸技术,将某11级轴流压气机改为7级,并对具有典型流动特征的末两级进行了详细的数值模拟.数值模拟结果表明多级低反动度高负荷轴流压气机的设计概念是可行的.     

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。     

多级轴流压气机气动特性优化

采用轴对称特性优化程序对四级轴流压气机进行气动特性优化,研究分析叶片几何参数变化对设计工况及(n)=1.0、0.9转速线上性能影响.指出在多级轴流压气机气动设计过程中,设计工况性能优化将对非设计工况性能产生关联,因而在追求设计点性能同时必须兼顾各折合转速线上性能.实施非设计工况下设计参数优化有望带来多级轴流压气机性能整体提升.     

神经网络的非设计点损失落后角模型在流场诊断中的应用

１前言流场诊断技术是利用部分实测结果并配以若干简化数值计算软件,判断并得出尽可能多的流场信息的一门综合技术［１］、对于多级轴流压气机,由少数易于测量的部位的流场参数,例如进出口全部参数及部分外端壁静压值,推算出其它部位流场参数,是流场诊断技术的典型示例。当压气机远离设计点工作时,其流场中存在着严重的粘性效应,即分离和旋涡,较为通用的损失与落后角模型迄今尚未见到。本文利用神经网络的映射特性来重新关联实验数据,获得了新的基于神经网络的非设计点损失与落后角模型,将流场诊断技术推广到了压气机非设计点。流…     

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。     

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.     

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.     

基于周向单槽的低速轴流压气机扩稳方式研究

本文在低速单转子轴流压气机上对于周向单槽进行了实验研究。首先在叶片前后两端选取了两个单槽,在壁面不同弦向位置进行了动态静压信号的测量。通过静压信号的功率谱分析发现,前端单槽可以明显抑制泄漏流非定常波动所对应的频带,而后端单槽对该频带无明显改变。为了进一步讨论后端单槽的作用机理,又针对后端单槽设计了放气和引气两种扩稳结构,通过实验和数值模拟验证了其扩稳效果。结果表明,在后端单槽底部放气会降低扩稳效果,而在单槽底部放气后引回前缘进行喷气的结构可以进一步提升扩稳效果。     

转子尾迹非定常特征与稳定性关联的实验研究

本文对一台低速轴流压气机的转子尾迹流场进行了三维动态测量,结果显示,在靠近失速过程中,转子叶顶尾迹中出现了0.5BPF的叶顶泄漏流特征频率且其功率随流量减小而增大,同时1BPF频带的功率降低;在叶顶喷气扩稳状态下,0.5BPF和1BPF的功率分别减弱和恢复,这种反向变化验证了转子尾迹非定常特征与压气机稳定性的规律性关联,为失稳机理和扩稳策略的研究提供了新的参考。     

压气机抽气级静叶吸力面抽气方式的研究

本文提出了将压气机系统性抽气与改善流道内部边界层流动相结合的方法,以提高压气机抽气级的性能.以某多级轴流压气机为例,采用数值模拟的方式讨论了压气机静叶吸力面抽气的可行性.通过不同抽气流量下3个算例计算结果的比较分析,证明了通过静叶吸力面抽气改善叶片性能和流动状况是可行的.     

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。     

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。     

多级跨音轴流压气机失速边界的预测

本文以小扰动理论为基础,应用非定常、二元可压流的流动模型,详细地推导了任意级轴流压气机的旋转失速起始判别准则。利用所设计的计算机程序,完成了对多级轴流压气机旋转失速起始边界的理论估算。具体分析了超音速进口相对流速但轴向分速为亚音速的孤立叶排,利用分区处理的构想,实现了跨音速轴流压气机失速边界的预估。     

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。     

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。     

多级轴流压气机内的流动机理研究

本文对某多级轴流压气机的两级内部流场进行了CFD数值模拟,通过计算结果和通流计算值对比,分析了多级轴流压气机的级间匹配特性,说明该两级压气机的总体匹配特性是合理的.但是,在两端壁附近也存在一些差异.通过对其内部流场的剖析发现,第11级静叶的吸力面两端和第12级动叶吸力面根部均存在一定程度的分离,文中解释了存在分离原因以及分离对压气机匹配特性的不利影响.