组合抽吸槽对跨声速压气机转子性能影响的数值研究

为探究附面层抽吸对跨声速压气机转子内部流动状态及气动性能的影响,利用数值方法对其进行模拟研究.针对压气机转子上端壁激波及泄漏涡等复杂流动结构带来的流动损失做附面层抽吸处理,抽吸流量为主流2%,抽吸位置在上机匣处.分别讨论3种不同抽吸方案,最终改型方案效率最高提升2.05%,压比最多提升3.34%.结果表明,在合适的机匣位置进行大流量抽吸,能够很好地改善跨声速压气机转子内部流动状态,提高转子气动性能.     

机匣处理缝开度对压气机扩稳的机理

为了探索不同开度的缝式机匣处理对压气机稳定裕度的影响,以跨声的Rotor 67为研究对象,通过非定常数值计算方法探索了设计转速下3种不同开度的机匣处理对该转子稳定性的作用。详细分析了各流量工况下不同机匣时通过转子叶顶间隙面的气流质量和动量、叶顶的流动结构、周向平均后的总压损失分布等。研究发现:随着缝开度的增加,机匣处理的扩稳能力增强;实壁机匣近失速工况下缝开度为80%的机匣处理使叶顶间隙泄漏流减小了33.3%,最大程度的削弱了转子前缘压力面侧的堵塞气流,使激波往下游移动距离最大,减少了间隙泄漏流与主流掺混造成的总压损失。     

沿流向放样的轴流压气机叶道设计方法

针对高负荷压气机角区流动质量差、流动损失显著的问题，以NASA Rotor37为研究对象，提出了一种轴流压气机叶道几何定义与参数化建模新方法，实现了叶片、角区和端壁结构的协同设计及叶片到端壁的高阶光滑过渡，在此基础上，开展了前缘边条和叶身融合对压气机转子气动性能和内部流场影响的数值研究。结果表明，针对NASA Rotor37流道，采用该叶道设计方法对压气机转子角区改型后：绝热效率提高了0.3%,喘振裕度由11.85%增加至18.8%;下凹端壁可以帮助稳定压气机转子通流能力并减少改型过程的流量漂移；叶身融合结构在叶根处提供径向向上的压力梯度，将低能流体从叶片角区吹向主流区以减少角区流动损失，而近叶根处主流区流动损失略有增加。研究成果对发展轴流压气机先进设计方法应具有参考价值。     

基于圆弧斜缝处理机匣的压气机叶顶泄漏流实验和数值研究

为研究处理机匣对压气机总体性能、叶顶流动非定常性以及旋转不稳定性的影响,基于圆弧斜缝处理机匣对一台单级低速轴流压气机叶顶泄漏流进行被动控制.通过实验对不同工况下的叶顶脉动压力进行频谱分析,并对比机匣处理前后压气机性能以及转子叶顶区域流场特性的变化.结果表明:圆弧斜缝处理机匣能够使压气机获得6.8%的失速裕度提升量,抑制旋转不稳定性现象对应的频谱上的宽频带凸起,推迟泄漏涡的起始位置,进而消除了跨越相邻叶片周向传播的流动现象.斜缝内形成的回流能够抽吸低速流体,减少流道堵塞,改善叶顶的通流能力.     

壁面粗糙度对轴流压气机气动性能的影响

以某典型压气机级为研究对象,利用三维数值模拟方法系统、定量地研究了壁面粗糙度变化对轴流压气机气动性能的影响,揭示了壁面粗糙导致压气机性能退化的内在机制。结果表明:壁面粗糙度增大会降低压气机总压比和等熵效率,且粗糙度越大,性能衰退越快;当壁面粗糙度超过90μm时,压气机的总压比和等熵效率分别下降2.58%和7.15%;近壁区气流的黏性耗散,分离区气流掺混、堵塞的增强,以及激波损失是导致压气机性能退化的主要原因;壁面粗糙度增大将使压气机特性线向流量减小的方向移动,近失速点的特性参数减小得更快,压气机的稳定工况范围有所增大,但通流能力大幅降低;当壁面粗糙度超过150μm时,失速工况提前发生,压气机稳定工作范围迅速减小6.21%。     

跨声速轴流压气机转子Rotor37周向槽机匣处理的数值研究

以跨声速压气机转子Rotor37为研究对象,采用商业软件NUMECA数值研究了单槽处理机匣的轴向位置对于压气机性能及内部流场的影响。周向槽处理机匣的宽度为3 mm,深度为10倍叶尖间隙,即3.56 mm,起始位置分别位于轮缘机匣尖部型面的10%、20%、30%、40%、50%相对弦长处。数值计算结果表明:原始光壁压气机转子的失速原因为叶尖泄漏流动引发的低速区对于尖部叶片通道的堵塞,其稳定工作裕度为14.74%。采取的周向槽机匣处理能够改变转子叶尖流动堵塞状况。当机匣处理起始位置位于30%相对弦长时,压气机转子稳定工作裕度的提升量最大,相比原始压气机转子的稳定裕度提高了1.86%。     

非轴对称静叶对畸变条件下压气机流场影响的数值研究

为探索非轴对称静叶在压气机中应用的可行性及其对畸变流场的改善作用,采用非定常数值模拟方法,研究非轴对称静叶对均匀和畸变进口条件下压气机性能的影响,并对流场结构进行分析.结果表明:非轴对称静叶可以改善静叶端区流动,降低损失;畸变条件下,非轴对称压气机最高效率和压比高于轴对称压气机;非轴对称压气机稳定裕度较原型压气机有所提升.     

进气畸变对大涵道比发动机压气机中介机匣性能的影响

大涵道比涡扇发动机中的压气机中介机匣内存在流动分离,由此造成的损失和出口流场畸变对航空发动机的性能有重要影响。通过根部安装20%高度的扰流器以模拟径向进气畸变,对一台大涵道比涡扇发动机的压气机中介机匣开展了畸变影响气动性能的实验研究。实验结果表明：进气畸变导致进口截面的总压恢复和损失系数相较于均匀进气分别下降了0.684%和增加了9.74%;总压和和总温在通道整体高度40%以下区域亏损严重;在出口截面,进气畸变导致总压波动幅度大且40%高度以下存在低压区;出口总温由于气流的掺混明显高于均匀进气条件,出口速度明显降低。畸变气流通过中介机匣后,总温和总压分布较进口的畸变度下降且分布更加均匀;相较于进口畸变总压约30%的波动量,在出口处已经减小到了约10%。可见中介机匣对进口径向畸变沿流向的发展有明显改善作用。     

带有孔式机匣的离心压气机非定常数值模拟

对半开式离心压气机提出了孔式机匣处理方式并对近失速点工况下的流场进行了非定常的数值模拟.分析计算结果发现,抽吸孔对叶顶区域的低能量流体有抽吸作用,造成叶顶区域尤其是叶顶间隙内对应抽吸口位置出现压力波动区域.抽吸孔内的抽吸气流重新进入压气机入口,不仅可以增大压气机入口的局部流量,而且具有时间和空间上的周期性,对压气机入口叶顶区域的流动形成周期性的激励,使得压气机入口叶顶区域的流动也具有周期性.孔式机匣处理方式主要影响的是压气机叶片顶端的剪切流动区域,干扰了叶顶间隙内的流动,造成压气机稳定工作范围的扩大.     

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．     

机匣处理对离心压气机激波与泄漏涡干涉的影响

跨声速离心压气机间隙泄漏涡与激波相互干涉对压气机性能有重要影响.采用CFD方法对设计的跨声速离心压气机进行数值模拟,分析了激波与间隙泄漏涡的相互作用,研究了自循环机匣处理开缝位置对激波/间隙泄漏涡干涉的影响.结果表明:导风轮叶尖泄漏涡与激波干涉是压气机失速的重要诱因;机匣处理开缝位于分流叶片附近可扩大堵塞流量,开缝位于主叶片前缘附近可改善小流量时压气机特性;较大气体回流量可增加叶轮进口轮缘附近气流的正预旋,降低叶轮进口相对马赫数,减弱流道激波和叶尖泄漏涡;流经机匣处理槽的气流量较小时,具有微喷气或吸气效应,能抑制间隙泄漏涡,推迟压气机失稳.     

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.     

机匣引气再循环拓宽压气机工作范围的仿真研究

高压比离心式压气机高效率工作范围窄,喘振裕度低。为了拓宽其高效工作范围,将机匣引气再循环技术应用于高压比离心式压气机。采用数值模拟方法对其进行仿真研究,对各结构尺寸对压气机性能的影响进行对比。结果表明,引气再循环系统使该离心压气机各转速下稳定工作范围平均拓宽13%以上,喘振裕度最大增加11%。抽吸槽与分流叶片的距离在引气再循环结构尺寸中对离心压气机性能影响最大,其次是抽吸槽的宽度,其余结构尺寸对其影响较小。引气再循环使压气机叶轮入口相对马赫数分布更加均匀,减弱叶片前缘局部高马赫数的现象,使叶片入口正攻角减小,抑制了叶片表面边界层的分离。     

跨声速压气机转子与缝式机匣处理的动量输运

对使用半圆缝式机匣处理的跨声速压气机转子进行定常及非定常数值模拟,对转子叶尖间隙及机匣处理开口处的轴向动量进行计算,从动量输运的角度对转子叶尖及机匣处理之间的相互干涉进行分析.转子叶尖间隙处的时均动量分布表明,机匣处理减少了转子叶尖泄漏流逆主流方向的轴向动量,从而拓宽稳定工作裕度.机匣处理与转子叶尖的叠合率越高,泄漏流轴向动量最小值的轴向位置约靠近下游,且与处理缝后端的位置一致.通过对瞬时结果的分析,综合处理缝开口处轴向动量与叶尖流场,解释了在一个转子通过周期内处理缝开口瞬时轴向动量呈周期性变化的原因.     

叶顶泄漏对跨音速涡轮气动性能和叶片激振特性的影响

针对SNECMA公司的跨音速实验涡轮装置,建立了单流道无冠叶栅三维CFD计算模型,通过求解定常RANS方程,研究了4种叶顶区域结构(平板叶顶-标准机匣、凹槽叶顶-标准机匣、平板叶顶-台阶机匣和凹槽叶顶-台阶机匣)下,叶顶泄漏流及其与主流的掺混效应对涡轮气动性能和叶顶间隙激振力的影响。结果表明：叶顶间隙较大时,凹槽叶顶-标准机匣结构的等熵效率最大,采用台阶机匣结构会使等熵效率下降;叶片切向力随叶顶间隙的增加先增大后减小,其中平板叶顶-标准机匣结构的叶片切向力最大且变化相对平稳;叶顶泄漏流对99%叶高、约67%轴向弦长处吸力面的静压分布有显著影响,叶顶间隙增加会使该区域静压下降,导致叶片切向力增大;平板叶顶-标准机匣结构的穿越间隙较大,力敏感度系数较小,促进转子稳定运动的叶顶间隙区间较大,有利于转子的稳定运行。文中还分析了叶顶间隙激振力的产生机理及其特性,可为优化叶顶结构设计和减小叶顶间隙激振提供理论依据。     

压气机动叶局部掠形对流场和性能的影响

掠叶片技术的应用是改善压气机性能的一种重要方式。以NASA Rotor67跨音速压气机转子为研究对象,研究动叶局部掠形对跨音速压气机转子流场和性能的影响。数值结果表明,动叶局部的前掠和后掠对压气机性能具有不同的影响,前掠会引起等熵效率下降,总压比和失速裕度增大,后掠大幅增大了失速裕度;在近最高效率点工况下,前掠会导致动叶流场的恶化,后掠能缩小流动分离区,改善流场性能。     

压气机失速时转子前三维流动结构的实验研究

在一台低速轴流压气机实验台上测量压气机失速时转子前三维流场,测量范围从转子向前延伸到8倍弦长(或0.6倍机匣内径)上游,目的是考察整个失速流场结构,为研究失速团的保持和旋转机理提供丰富的数据支持.通过对壁面动态压力信号分析可知,该压气机失速过程中存在一个失速团,转速为转子转速的37.7%.使用新研制的全流向旋转五孔压力探针测量整个转子前三维速度场和压力场.从结果的S1流面内看,失速团内流动大体上分为正流区、偏转区、回流区和强剪切区.转子前缘附近的流体在30%叶高以上存在回流,并且存在较大的径向和周向旋转速度,其中叶尖附近失速团内流体的周向旋转速度明显大于前方来流速度.在靠近机匣壁面处,回流区一直延伸到转子上游的5.5倍弦长(或40%机匣内径)处.     

缝式机匣处理对跨声速轴流压气机叶尖流场结构的非定常影响

为了揭示缝式机匣处理对压气机叶顶流场结构的影响机制,采用非定常数值模拟方法,对带有机匣处理的跨声速压气机进行了细致的研究。结果表明,机匣处理作用下叶顶流场的频率特征发生显著变化。实壁机匣条件下,间隙泄漏涡的破碎和分化脱落是叶顶流场非定常波动的主要诱因。在机匣处理作用下,间隙泄漏流获得有效激励,同时脱体激波后移,二者共同作用使泄漏涡破碎得到抑制,此时机匣处理的激励频率主导了叶顶流动的非定常特性。叶顶流场涡结构分析表明,间隙泄漏涡和角区涡的交互作用在不同流量工况呈现明显差异。在大流量工况,间隙泄漏涡和角区涡的相互作用较弱,流场中存在较为独立的双涡结构,而在小流量工况,间隙泄漏涡和角区涡相互作用变强,流场中出现强烈的交互涡结构变化。     

叶顶泄漏对跨声速涡轮气动性能和叶片激振特性的影响

针对SNECMA公司的跨声速实验涡轮装置,建立了单流道无冠叶栅三维CFD计算模型,通过求解定常RANS方程,研究了4种叶顶区域结构(平板叶顶-标准机匣、凹槽叶顶-标准机匣、平板叶顶-台阶机匣和凹槽叶顶-台阶机匣)下,叶顶泄漏流及其与主流的掺混效应对涡轮气动性能和叶顶间隙激振力的影响。结果表明:叶顶间隙较大时,凹槽叶顶-标准机匣结构的等熵效率最大,采用台阶机匣结构会使等熵效率下降;叶片切向力随叶顶间隙的增加先增大后减小,其中平板叶顶-标准机匣结构的叶片切向力最大且变化相对平稳;叶顶泄漏流对99%叶高、约67%轴向弦长处吸力面的静压分布有显著影响,叶顶间隙增加会使该区域静压下降,导致叶片切向力增大;平板叶顶-标准机匣结构的穿越间隙较大,力敏感度系数较小,促进转子稳定运动的叶顶间隙区间较大,有利于转子的稳定运行。文中还分析了叶顶间隙激振力的产生机理及其特性,可为优化叶顶结构设计和减小叶顶间隙激振提供理论依据。     

径向偏转缝式机匣处理扩稳的机理

为验证缝前端不同径向偏转的机匣处理的扩稳效果,通过定常与非定常数值研究的方法,以工作于设计转速下的rotor 67为载体,研究机匣处理对rotor 67稳定性的作用.详细地分析各工况下它们对叶顶流场、间隙泄漏流和叶顶激波的影响,确定它们对压气机稳定性的作用机理.研究发现:实壁机匣近失速工况时rotor 67发生了叶尖堵塞型失速;3种缝式机匣处理都能进行有效的扩稳,其中缝前段逆旋转方向偏转的CTP45机匣处理提高了转子的综合失速裕度27%,实壁机匣近失速工况下降低了转子效率0.98%,但提高了通过转子气流的压比,它有效地抑制了转子叶片压力面前缘的阻塞气流团,获得了最好的扩稳效果.随着流量的减小,压比的增加幅度更加明显.