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.     

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。     

单级跨音速压气机内流场的非定常模拟及损失分析

通过数值求解非定常三维可压缩Reynolds平均Navier-Stokes(RANS)方程,模拟了跨音速压气机级Rotor35/Stator37内的流场。为了分析该压气机级的损失,推导了描述非定常流动损失的参数(不可逆性)及其对应的强度量参数。以此为基础,研究了损失和流动结构之间的关系,得到了不同流动结构在损失产生上的主次关系;并定量给出了主要区域损失的大小。发现在最高效率点附近,边界层产生最大的损失,然后是顶隙泄漏流动、尾迹,以及核心区流动。该文也对该级压气机进行了损失功分析,结果表明吸力面边界层以及顶隙泄漏流动对于损失产生贡献最大。     

端壁翼刀在跨音速压气机环形叶栅中的应用

为研究端壁翼刀对跨音速压气机环型叶栅特性及二次流的影响,采用三维定常N-S方程及Realizablek-ε湍流模型,在跨音速下对可控扩散叶型的压气机环形叶栅进行加装不同周向位置和不同高度端壁翼刀情况下叶栅流场的数值模拟.结果表明:合理选择翼刀安装位置、高度,可有效控制压气机叶栅的二次流,降低叶栅的总损失.加装在距叶片压力面50%节距处、高度为3.3 mm的翼刀设置方式为最佳翼刀设置方式.     

轴流压气机可调静子叶片间隙泄漏流数值研究

为了探究轴流压气机前面级可调静子叶片部分间隙泄漏流对压气机性能和流场的影响,通过数值方法模拟某轴流压气机带有可调静子叶片的前面级1.5级流场,并详细分析了部分间隙泄漏流特征。数值仿真结果表明,相较带容腔原型算例,部分间隙使得压气机特性线往左下方偏移,设计点效率降低0.12%,近失速点效率降低1.83%,但喘振裕度提升6.4%;可见受到部分间隙泄漏流影响,静子叶片根部出口气流角明显增加;部分间隙泄漏流可以给吸力面根部角区低能流体充能,降低设计点端壁处的损失,降低近失速点吸力面分离涡的强度,提升喘振裕度;根部部分间隙造成叶片根部做功能力降低,但影响范围控制在5%叶高以内;部分间隙造成静子根部流场发生改变,使得设计工况点静子根部产生一条附着线,并形成闭式分离。     

跨音速压气机非设计点性能预测

基于二维流线曲率法数学模型,参考公开发表的研究成果,拓展了一种适应于跨声速压气机的损失和落后角模型,并考虑3D和雷诺数的修正,对轴流跨音速压气机转子NASA Rotor37进行了数值计算,得到了设计点与非设计点的特性曲线,并与实验数据进行了对比和分析.结果表明,该方法能较好地预测轴流压气机特性和参数分布,可为压气机的设计和优化提供参考.     

压气机模化中叶顶间隙对气动性能影响的数值研究

为了研究压气机相似模化过程中叶顶间隙对性能的影响规律,以某燃机压气机前1.5级为对象,采用数值模拟方法,研究了不同缩尺比例压气机的性能变化规律及机理。结果表明:缩尺模化时若保持叶顶间隙尺寸不变,则压气机模型机性能会下降,导致换算的原型机峰值多变效率下降约1.4%～3.38%,压比下降约0.88%～3.17%;叶顶间隙对流场相似性影响主要集中在叶片顶部流道区域,造成该区域流动不满足相似条件。分析流场发现,随着缩尺模化比例增加,叶顶间隙相对泄漏流量增加,叶顶流道内低速区范围扩大,泄漏涡在径向的影响范围和强度也增加,这是导致缩尺模化后流动堵塞程度加重、性能下降的主要原因,增加缩尺模化比例还会加剧叶顶泄漏流对激波的削弱。     

小安装角轴流压气机S1流面的流线曲率法解

应用流线曲率法解轴流压气机内部流场，解决小安装角轴流压气机S1流面正问题计算时出现头部突出而产生流线交叉的现象以及迭代难收敛的问题．提出了采用旋转坐标系的方法，以保持叶型头部原有的形状及流道内流线的相对位置不变，经验证得到了很好的结果，可以应用于大多数轴流压气机的计算与分析．     

自循环处理机匣对S-CO2离心压缩机性能的影响

为研究某10 MW级超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, S-CO₂)离心压缩机采用自循环处理机匣后其稳定工作裕度及压缩机性能的变化情况,采用数值模拟计算的方法对S-CO₂离心压缩机带实壁机匣和自循环处理机匣时分别进行定常数值计算。数值计算结果表明,采用自循环处理机匣时压缩机的稳定工作裕度比采用实壁机匣时稳定工作裕度增加了4%,同时压缩机的等熵效率和压比略微提高,且流道内非超临界区域明显减少。通过对压缩机性能和流场的比较,可得出采用自循环处理机匣,将压缩机喉部的低能流体回流至压缩机进口位置,改善了压缩机内部的流动状况,提高了压缩机的稳定性。     

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%。     

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.     

叶顶间隙泄漏时离心压气机模型级内流动的数值模拟

在贴体曲线坐标系下,应用同位网格上求解压力耦合方程的半隐算法（SIMPLEC）,对外 叶顶间隙泄漏时的离心式压气机模型及内部的流动了数值模拟,采用速度的协变物理分量作为求解变量,在同位网格上对离散单元体的界面流通量做了特殊动量插值,来抑制不合理的压力场振荡,并计算模拟了叶轮顶端间隙泄漏流动随主流的输运和扩散过程,计算结果表明,叶顶间隙泄漏不仅严重影响叶轮内部的流动结构和性能,而且显著恶化了无叶扩压器和整个模型级内部的流动和性能,因此,设计时应在允许的范围内尽量减小小叶顶间隙。     

跨音压气机转子叶尖流场中诱导涡的讨论和分析

Van Zante等首次提出了诱导涡的概念,在研究诱导涡与压气机叶尖流场的关系之前需要回答"诱导涡是否存在"这一问题。为此以跨音转子NASA Rotor 35为研究对象,采用四种不同的网格配置在80%设计转速下进行单通道数值模拟。数值计算均捕捉到了流场的主要特征,与实验结果符合较好;但没有出现所谓的诱导涡,因此对叶尖区流场的关注焦点仍然可以集中在叶顶间隙泄漏流本身。尽管如此,近机匣壁网格不断加密还是会对泄漏流的轨迹产生影响;因此Van Zante等提出的用来评估壁面剪切层强弱的参数VD依旧具有参考价值,只是针对其物理意义的解释需要重新阐述。     

带叶顶间隙轴流转子三维流动的数值模拟

由于叶顶间隙的存在，使得叶片顶部的流动呈现复杂的三维流动。转子相对机匣的运动使得很难对其内部流场进行精确测量。文中采用CFX—Tascflow软件平台，对带叶顶间隙的轴流转子进行三维粘性流场的数值计算。数值计算的结果与实验测量的性能曲线较为吻合。基于数值计算，给出了叶顶泄漏流动的空阎三维结构，分析了叶顶泄漏流卷曲形成叶顶泄漏涡的过程，揭示了轴流转子叶顶泄漏流动基本特点，有助于改进和提高叶轮机械的设计水平。     

近失速工况跨声速压气机静叶端壁附面层流向槽抽吸数值研究

通过CFD数值模拟方法,对近失速工况下跨声速压气机静叶端壁附面层抽吸进行研究,分别讨论了压气机静叶端壁前缘开槽吸气、靠近端壁尾缘开槽吸气和组合抽吸这三种方案对静叶气动性能的影响。结果表明:静叶端壁前缘抽吸有效减薄了附面层抑制了端壁角区分离,明显降低了损失,有效拓展了喘振裕度。而靠近端壁尾缘抽吸方案中,只是抽走了分离区内的低能流体,效果不明显。组合抽吸方案的抽吸效果则介于前两者之间。     

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。     

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...     

一种求解带有机匣处理装置叶栅流场的数值方法

提出了一种数值计算带中有各结构机匣处理装置叶栅流场方法，采用圆柱坐标系下无粘定带方程组，以及参数周向平均概念，推导出新的控制方程，在子午面上有限元法进行了数值计算，选择３种典型结构的实壁机匣，周向槽处理机匣，轴向缝处理机匣为算例，并与稳态实验量结果作定量对比，发现符合较好，为分析机匣处理的扩稳机理提供了理论基础，也为工程设计机匣处理装置提供了新的数据计算工具。     

用三维PIV技术研究压气机转子尖部的非定常复杂流动

在大型低速压气机实验台上,基于现有粒子图象测速（PIV）系统,发展适用于多级叶轮机械转子内非定常流场测量的三维PIV技术,对转子尖部的非定常复杂流动瞬态速度场进行详细测量,研究其各种旋涡结构、生成演化机制、相互作用、湍流的形成机制、对损失的贡献及对失速的影响。为内流研究提供先进实验手段,并为数值模拟和湍流模型提供新的基本实验数据。