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。     

高负荷对转压气机尾迹涡对叶顶泄漏流的影响

采用三维非定常数值模拟方法,针对高负荷对转压气机低压转子尾迹脱落涡对高压转子叶顶泄漏流的影响开展研究。研究发现:低压转子尾迹涡以"对涡"的形式在高压转子通道中输运,顺时针与逆时针旋向尾迹涡间隔分布,对叶顶泄漏流与主流交界面法向动量产生不同影响,进而使叶顶泄漏流与主流交界面形状呈现波浪形。设计工况下,尾迹涡会使叶顶泄漏流与主流交界面的位置偏向吸力面以及后移结尾激波位置进而后移二次泄漏流产生的位置,减小压力面与吸力面结尾激波入射点之间弦长区域叶顶泄漏流与轴向的夹角,提高相应弦长区域叶顶泄漏流的轴向速度,减小高压转子叶尖区的堵塞,降低二次泄漏流产生的损失,进而提升高压转子叶尖区的等熵效率。     

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。     

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。     

机匣高速相对运动下温度比对凹槽叶顶气动换热特性的影响

针对航空发动机高压涡轮实际运行工况中来流和涡轮叶片表面的巨大温差，本文以典型凹槽叶顶结构为研究对象，综合考虑静止和机匣高速相对运动条件，开展不同主流–壁温温度比对叶顶表面气动换热特性的影响研究。以课题组实验结果作支撑，对比分析温度比0.6和0.9的数值模拟结果。研究结果表明，随温度比降低，叶顶换热系数明显增加，特别是在机匣相对运动条件下更为明显；凹槽内部和机匣壁面附近流体密度增大，黏度减小，雷诺数明显增加，使得凹槽内旋涡结构位置和尺度发生变化，进一步影响泄漏流动。     

轴流压气机动叶端区的控制体分析方法及其在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,作用于动叶端区的控制体分析方法,可用于初步筛选不同轴流压气机周向槽机匣方案.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.在转子动叶端区设置一系列离散控制体,依照叶顶流动的影响区域来确定控制体的覆盖范围.通过观察有槽和无槽结构控制体上累加的轴向动量的变化,以跨音转子的多槽为例,分析比较了不同周向槽方案的扩稳能力.另一例子是对低速压气机利用该方法筛选出具有最佳扩稳能力的双槽,并以实验研究验证了这一分析方法的可靠性和潜力.     

某跨音速轴流压气机转子叶顶泄漏流的非定常特征

本文采用数值模拟方法研究了某跨音速轴流压气机转子在设计间隙、不同流量工况下叶顶泄漏流非定常流动特征.结果显示该转子在大部分工况下都出现非定常波动现象.静压均方根值分布表明非定常波动现象主要存在于叶顶,是由叶顶泄漏流自激非定常性引起,激波及波涡干涉位置附近波动不明显.针对小流量工况,分析了泄漏流的非定常特征和叶顶拟S1流面瞬态静压在一个波动周期内随时间的变化规律,并详细阐述了间隙中部叶顶两侧压差与泄漏流速度之间的动态循环过程.随流量减小,叶顶非定常波动频率减小,波动强度增强,压力面最强的波动区域向前缘移动.     

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。     

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.     

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。     

加载形式对涡轮叶尖泄漏损失的影响

本文通过改变90%叶高截面叶型的安装角和厚度分布获得了不同的加载形式,并采用数值模拟方法对比分析了加载形式对叶尖泄漏流动和损失的影响。结果表明,叶尖加载形式影响了泄漏流的流量和法向/流向速度差沿轴向的分布,进而影响泄漏流动损失。随着叶尖负荷向前缘移动,叶尖泄漏总流量增大,当泄漏量和动量差沿轴向分布相对均匀,当地峰值减小,叶中附近所占比重增加;在泄漏量与动量差共同作用下,泄漏涡卷起位置向上游移动,但与主流掺混强度减弱,损失减小;采用均匀加载和前加载形式能有效降低泄漏流与主流的动量差,减小泄漏损失,提高涡轮性能。     

开式向心涡轮背部间隙流动特性的研究

对开式向心涡轮背部间隙流动特性进行计算分析,计算结果和实验符合较好。分析结果表明:背部间隙泄漏流量远小于叶顶间隙泄漏流量,但两者损失大小相当,可见背部间隙与叶顶间隙虽然在形式上相似,但流动特性及损失机理有所不同;背部机匣刮削效应增强了展向二次流强度,在吸力面附近出现较大的高熵区,同时背部间隙泄漏流在展向二次流的带动下源源不断向叶顶方向运动,与主流形成较强的掺混;相比之下,叶顶机匣刮削流和展向二次流相互抵消,叶顶间隙泄漏流被展向二次流限制在叶顶壁角附近,掺混损失相对较小。     

倾斜缝机匣处理轴向位置对压气机性能影响的研究

一、概述 倾斜缝机匣处理具有明显改进稳定工作裕度的特点,且其轴向位置变化对性能的影响将直接关系到它的实际应用问题。但把轴向处理位置作为单项几何因素进行研究所见甚少,为此我们针对一个亚音孤立转子设计了四种不同轴向处理位置的轴向倾斜缝机匣     

跨音风扇顶部激波、泄漏流作用的数值研究

本文针对一小展弦比、大稠度带有串列静叶的现代小型跨音速风扇级,采用数值模拟的方法研究了动叶顶部间隙大小对风扇转子设计点性能的影响.分别对动叶顶部相对间隙大小为0%、0.132%、0.396%、0.66%,1.32%五种情况进行了数值模拟.计算结果表明,随着动叶叶顶间隙的增加,风扇性能变化显著.动叶顶部间隙对跨音速风扇顶部激波、激波边界层相互作用都会产生影响.叶顶区域的阻塞与高损失与叶顶间隙的大小,泄漏流的强弱有着十分密切的联系.     

跨音压气机机匣冷却流动控制方法研究

近年来轴流压气机非绝热效应逐渐得到学者们的关注,已有研究表明,采用冷却可以提高压气机整体性能。本文在跨音轴流压气机中针对壁面冷却机理进行探讨,并分别针对跨音转子Rotor 37以及某F级燃气轮机压气机首级模化1.5级实验台开展壁面冷却流动控制方法数值研究。在保证压气机相同进口流量时,在单排跨音转子Rotor 37动叶上游机匣处采用壁面冷却,能够有效减小当地音速及增大流速,从而增大叶顶区域激波前相对马赫数,进而增强激波,提高压气机在设计工况点的增压能力。进一步,在1.5级压气机中考察多排环境下壁面冷却作用,冷却分别应用于机匣及进口导叶上,研究结果表明,壁面冷却同样可以提高压气机气动性能。对比机匣冷却与进口导叶冷却两种方式,可知其机理不同,在跨音压气机中机匣冷却具有简便易行且效果显著的特点。     

压气机非定常叶顶间隙流的数值模拟研究

利用数值方法研究了某低速轴流孤立压气机转子中非定常叶顶间隙流的流动特征和频率特性。结果显示转子顶部区域的压力脉动主要来源于叶顶泄漏涡的非定常波动。波动的具体形式表现为泄漏涡瞬态空间位置、尺度和形态的周期性变化,波动频率为1266 Hz。     

缝式与槽式耦合机匣处理影响压气机性能的研究

以NASA Rotor 67为研究对象,首先设计出一个性能较好的轴向缝机匣处理,然后在缝的不同位置处开周向槽,对比分析该耦合机匣处理与轴向缝结构对跨音速压气机的影响。结果表明:原始轴向缝使压气机稳定裕度增大17.51%,但导致最高效率降低了0.54%。在轴向缝的基础上加周向槽,可以增大机匣处理的射流量,并能进一步扩大压气机的稳定裕度。其中,将槽加在缝的尾端时,效果最好,可以使裕度增大22.35%,效率降低0.72%。     

涡轮转子凹槽叶尖控制泄漏流动的数值研究

明晰涡轮转子凹槽叶尖控制泄漏流动的物理机制,对凹槽叶尖结构优化和提升涡轮效率有重要意义。本文数值研究了跨音速高压涡轮凹槽叶尖的泄漏流动特性,对比分析了其与平叶尖泄漏损失和流动结构的差异,并研究了凹槽腔内流动结构改变对泄漏流动的影响。结果表明,凹槽叶尖对泄漏流动的堵塞分两个区域,分别受吸力侧空腔涡和削刮涡影响,改变外机匣相对转动速度会影响凹槽腔内流动结构的范围和强度,进而影响泄漏流动特性。本文的研究结果可为凹槽叶尖的设计提供指导。     

离心叶轮叶顶间隙泄漏涡结构分析

本文以压比为4.7的Krain叶轮为研究对象,采用CFD技术研究了不同工况下叶顶间隙泄漏流的特征,以及叶顶间隙大小和叶轮进口径向畸变对泄漏流的影响。结果表明随着质量流量减小,泄漏流引起的损失增加,泄漏涡涡核轨迹和泄漏流-主流交界面向叶片前缘移动,在失速工况下溢出叶片前缘。叶顶间隙越大,泄漏流引起的损失越大,泄漏涡涡核轨迹与叶片之间的夹角越小。增加叶顶区域流体动量,可推迟泄漏流溢出叶片前缘,反之则促进泄漏流溢出叶片前缘。     

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.