静叶叶顶部分间隙高度对压气机性能影响的数值研究

通过CFD数值模拟方法,对近失速工况下跨音速压气机静叶叶顶前部开设不同高度间隙改型进行研究,分别讨论压气机静叶叶顶前部设置50%弦长,不同高度间隙对静叶气动性能的影响.研究结果表明:在近失速工况下,由叶顶间隙产生的泄漏流可吹离吸力面和角区内的低能流体,抑制吸力面分离,减轻流道堵塞,使静叶流道内通流能力增强,扩压能力得到提升,提高了叶片的加载能力.但在设计工况下,泄露流增加了流动损失,导致效率降低.静叶叶顶前缘间隙高度对压气机性能影响较大,随着间隙的增加,泄漏流量增大,泄漏涡影响范围变大,损失增加;而间隙过小,产生的泄漏流对角区分离的抑制效果不明显,因此,存在一个最佳间隙值.     

叶顶间隙与轴向间隙对氦气压气机气动特性的影响

氦气压气机是高温气冷实验堆氦气透平发电系统的关键部件,其气动性能直接影响系统发电效率。氦气压气机径向间隙和轴向间隙对其气动性能有重要影响。该文以氦气压气机模型级为研究对象,采用试验验证过的数值计算方法,研究了叶顶间隙与轴向间隙对压气机气动性能的影响和机理。分析结果表明:减小叶顶间隙会减小泄漏流、回流、二次流,能够提高压气机的压比和效率,当间隙小于0.3mm(叶高的2%)时尤其明显;动叶的偏离设计点的轴向移动会降低压气机的效率,可允许的轴向间隙变化范围为±1.0mm。该研究结果揭示了叶顶间隙与轴向间隙对模型级的影响,可为氦气压气机整机气动性能的研究与优化提供依据。     

间隙非谐对离心压气机离散噪声的影响

以主叶片及分流叶片叶顶间隙相同的离心压气机为原型,采用数值方法,对比分析了增大主叶片叶顶间隙同时减小分流叶片叶顶间隙,以及减小主叶片叶顶间隙的同时增加分流叶片叶顶间隙这两种间隙非谐方案对于离心压气机性能的影响.在此基础上,基于离心压气机内部非定常流动参数,结合FW-H方程进行了离心压气机内部离散噪声分析,研究了间隙非谐对离心压气机离散噪声的影响.结果表明,适当减小主叶片叶顶间隙,增大分流叶片叶顶间隙,可以在保持压气机性能的基础上有效降低压气机离散气动噪声.      

动叶优化对跨声速压气机级性能影响的数值研究

为研究动叶优化对于整级性能的影响,用优化动叶代替原型动叶在0.8~1.1倍设计转速进行了数值研究。结果显示,动叶优化后整级的通流能力得到提升,设计转速下堵塞流量较原型提升了0.53%;级性能得到了提高,在1.0倍和1.1倍设计转速时最高效率分别提升了0.45%、0.44%。0.8~0.9倍设计转速时,压比和效率变化不明显;动叶流道内激波结构变化不明显,叶顶和叶根的激波强度有所增加,中径处激波强度降低;动叶优化后,静叶叶顶区域进口气流角明显增大,恶化了静叶叶顶吸力面的流动状态,导致静叶吸力面叶顶分离区增大,静叶出口总压损失系数增加。     

轴流压气机进口总压畸变的端区流动响应数值研究

为了探究进口周向总压畸变对压气机性能的影响,以及不同畸变角下压气机端区流场对畸变响应的区别,对跨声速轴流压气机一级动静叶进行全周非定常数值模拟,分别采用均匀来流,畸变角为30°、90°和120°的畸变来流这4种进口条件。进口畸变使压气机的性能明显恶化,并且随着畸变角的增大恶化加剧。畸变角为120°时,随着动叶扫过畸变区,动叶叶顶区域激波的结构和强度发生改变,叶顶间隙泄漏涡的轨迹和强度也发生周期性变化。畸变也会对下游静叶流动产生影响,使静叶叶顶和角区分离加重。当畸变角为90°时,所影响的动叶流道数减少但流场对畸变的响应规律没变。当畸变角减小到30°时,畸变经过动叶完全衰减,静叶流场几乎不受影响。研究结果揭示了压气机性能改变和叶顶、叶根端区流动结构动态特征与畸变来流间的关系,可为提高压气机抗畸变能力提供理论基础。     

压气机叶顶间隙变化规律及对气动性能的影响

以大涵道比涡扇发动机系列的十级高压压气机为研究对象,在压气机部件、核心机及整机平台上详细开展了压气机叶顶间隙变化规律及其对气动性能影响的试验研究,同时结合叶顶间隙对跨音级、高亚音级和低亚音级的仿真验证,得到了压气机不同级对叶顶间隙的性能敏感区,进而揭示了叶顶间隙影响多级压气机整机性能的机理。结果表明:不同尺寸的压气机叶顶间隙变化规律具有一致性,经验证主要和离心力及温度场相关。间隙增大后压气机设计转速下的流量压比特性和流量效率特性均整体下降,尤其后面级间隙对气动性能有显著影响。随着叶顶间隙的增大,压气机的跨音级因叶展较高叶顶间隙与叶展比较小,未出现效率突降的情况,但是后面亚音级做功能力明显降低,间隙影响主要集中在后面级即亚音级,使得压气机典型工况的效率和裕度均有所下降。     

叶尖间隙对小流量超音压气机级性能的影响

为研究叶尖间隙对级环境下压气机气动性能的影响,以带导叶的超音压气机级为研究对象,采用商用软件NUMECA对该压气机在转子叶尖间隙为0、0.3、0.6、0.9 mm时进行三维数值计算,分析了该压气机级气动性能及流动特点.结果表明:随着叶尖间隙的增大,转子叶尖处激波向上游移动;静子进口气流攻角增大,最终导致压气机稳定工作裕度、转子峰值点效率和静子低损失范围降低.叶尖间隙对进口导向器性能基本没有影响.     

叶顶间隙对涡轮非定常气动性能的影响

为了分析动静干涉条件下叶顶泄漏流动对涡轮气动性能的影响,对某高负荷低压涡轮级进行了不同动叶叶顶间隙下的定常和非定常数流动的值模拟研究。结果表明:叶顶泄漏流动对上游静叶和动叶中、下部区域影响极小,影响范围主要体现在叶顶区域;随着叶顶间隙增加,动叶能量损失增加,且非定常条件下的损失增加比定常条件下大;叶顶泄漏流动对叶顶通道涡的发展和生成具有抑制效果;动静干涉效应对于泄漏涡的生成、发展、运行轨迹以及范围都有影响,且随着叶顶间隙的增加这种影响效果逐渐变得明显。     

叶顶间隙对压气机非设计转速气动性能影响的试验研究

为研究叶尖间隙对压气机非设计转速性能特性与稳定边界的影响,以某大涵道比涡扇发动机的十级高压压气机为研究对象,在高转速压气机试验器上开展了试验研究.采用精细化的级间参数测量,以揭示叶尖间隙影响多级压气机级间匹配的机理.结果 表明:叶尖间隙增大后,压气机非设计转速的流量减小、效率降低,且间隙对气动稳定性有显著影响,压气机的前面级未出现压比降低的情况,后面级做功能力明显降低,间隙影响主要集中在叶高80％截面以上,使得压气机更容易进入失速状态.     

叶端加不同小翼对Krain离心叶轮气动性能影响的数值研究

为了控制离心压气机叶顶泄漏流,以压比为4.7的Krain低速叶轮为研究对象,将叶尖小翼技术应用到离心压气机中,采用数值模拟对其性能进行分析研究。对3组不同间隙加装不同宽度的小翼,分析了小翼在不同间隙下对于压气机性能及失速裕度的影响,以及不同宽度的小翼对于叶顶泄漏量、泄漏涡结构及轨迹的影响。结果表明:小翼结构可提升压气机的失速裕度,且小间隙下小翼结构对失速裕度的提升效果显著,其中1.0倍宽度小翼的失速裕度增加了8.73%;小翼结构可有效减少叶顶泄漏量,在叶片靠近前缘或尾缘位置加装小翼改善效果显著,泄漏量与小翼宽度成反比关系;小翼结构使得泄漏涡运行轨迹向压力面移动,形成泄漏涡的位置更加远离前缘,泄漏涡强度减弱。     

不同叶尖间隙处理对轴流压气机性能的影响

采用数值模拟方法,对一台典型轴流压气机级进行提升压气机效率和喘振裕度的叶尖间隙处理研究,除了采用斜沟槽和梯状间隙处理外,还设计了一种新颖的斜坡槽结构。研究表明:斜沟槽和梯状间隙在叶尖前端凸台附近和叶尖中部均分别存在一个回流区,其中梯状间隙对应的后台阶上游出现额外的高熵增区域;斜坡槽可以消除叶尖前端凸台处的回流区,对斜坡槽最高点轴向位置优化后可以减小叶尖中部回流区,进一步降低损失。当斜坡槽前端径向高度为0.2 mm,叶尖前缘与斜坡槽起点高度齐平,斜坡最高点后移至叶尖前缘下游6%叶尖轴向弦长位置时,压气机设计点效率较光壁原型上升了0.12%,喘振裕度提高了8.3%。     

叶尖间隙对民用大涵道比跨音速压气机性能的影响

以某民用大涵道比涡扇发动机高压压气机进口级为研究对象,数值研究了叶尖间隙对进口级高负荷跨音速转子叶片气动性能的影响。数值结果表明：随着叶尖间隙值增加,流量-压比与流量-效率特性线向左下方偏移,最大流量、最高压比、峰值效率逐渐降低;存在间隙对该跨音转子性能影响不敏感的范围值0mm~0.3mm;当间隙值大于0.3mm,最大流量的减小与间隙的增大呈现出近似的线性关系,最高压比和峰值效率急剧下降;间隙从0.3mm增加至1.0mm,转子总压损失增大了41%;叶尖泄漏流与通道激波相互作用,泄漏流穿过激波后在叶片压力面侧形成较大的高熵值损失区域,当叶尖间隙增大到1.0mm,泄漏流平行额线方向流动,使得贴近前缘的激波变得不明显;叶尖泄漏流对叶片通道主流的影响集中在叶高80%以上区域。     

航空发动机压气机性能衰退影响因子定量分析

定量分析压气机性能衰退将能确保航空发动机安全运转与及时换发。针对压气机长期运行引起的叶片积垢及叶尖间隙增大等典型衰退机理,引入衰退因子,从压气机原理角度构建不同转速下叶片积垢和叶尖间隙增大的压气机性能衰退定量分析模型。结果显示:随着转速的增加,两种衰退因子引起的压比和效率误差从16.3%、19.4%下降到4%、5%以内,而两种因素共同作用引起的压比和效率误差从17.6%、21.6%下降到5%、6%以内。对模型计算结果进行相关性分析与实测结果吻合,证明了本模型能较好地模拟压气机的衰退状况,对多转子涡扇发动机的研究具有一定指导意义。     

跨音速压气机间隙流与处理机匣相互作用分析

基于对压气机转子顶部间隙泄漏流的深刻认识，针对某跨音速轴流压气机转子，设计了一种新型的处理机匣结构，并对带处理机匣的压气机转子内部流动进行了全三维非定常数值模拟，数值计算所获得的总性能（实壁）与试验结果符合较好．该种新型处理机匣结构的引入能在不降低压气机设计点效率的前提下有效地提高压气机的失速裕度．对处理机匣与顶部间隙泄漏流之间的相互作用机制进行了详细分析．结果表明：处理机匣结构能抑制间隙泄漏涡破裂现象的发生，并将间隙泄漏涡破裂后导致的阻塞区抽吸进入处理槽，从而有效地提高了跨音速压气机的失速裕度．     

小流量工况下叶尖弯曲对间隙流动影响的数值研究

为研究叶片叶尖弯曲对间隙流动的影响情况,采用数值模拟方法,研究了不同叶尖弯曲参数(弯曲方向、弯高、弯角)对跨声速压气机动叶在小流量工况条件下的间隙流动的影响,研究对象为美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)Rotor37跨声速压气机转子叶排.结果表明:在小流量工况条件下,叶尖弯曲对平均效率的影响无明显规律,但可能导致平均效率下降;叶尖正弯曲能够改善间隙附近的流动情况,使叶片通道内的堵塞程度降低,降低间隙附近的流动损失;而叶尖反弯曲会使得叶片通道内的堵塞程度增加,增加间隙附近的流动损失.     

车用涡轮增压器压气机叶轮几何参数优化设计和性能分析

针对车用涡轮增压器,研究了压气机叶轮几何参数的优化设计方法,分析了几何参数对压气机性能的影响,建立了压气机设计系统几何参数的优化策略.通过具体实例计算,对比了不同参数对叶轮性能的影响, 通过调整叶片的进出口角度、进口直径、出口宽度以及正确选择叶片出口叶尖间隙等措施进一步提高了压气机性能.所建立的叶轮几何参数优化选择方法,可用于车用涡轮增压器离心压气机的几何参数优化和性能预测.