压气机内部旋转不稳定的研究综述

旋转不稳定是压气机工作在高负荷近失速工况时的一种常见现象。研究旋转不稳定在降低压气机工作噪声、减小流致振动以及保障航空发动机稳定工作等方面具有重要意义。首先对旋转不稳定现象进行了回顾,详细讨论了旋转不稳定的特征。其次,重点调研了旋转不稳定的起源和机理,将旋转不稳定产生的原因归纳为叶尖泄漏流、涡脱落以及流动剪切等类别。此外,回顾了模拟旋转不稳定的数值方法,讨论了多种流动控制手段对旋转不稳定的作用效果。最后,对旋转不稳定的研究现状进行了总结,对未来的研究趋势进行了展望。

平均载荷系数0.5一级的双模式压气机设计研究与验证

为全面提升压气机的研制能力,本文对平均载荷系数0.5一级的带单双外涵两种模式(双模式)核心驱动风扇的四级压气机开展了设计技术研究与验证。针对其平均级载荷系数高、两个模式性能变化大等特点,开展了双模式高负荷压气机设计、低损失大流量范围导叶设计以及低损失大攻角范围可调静子设计等技术研究工作,并在此基础上完成双模式核心驱动风扇与四级压气机的设计,开展0.8~1.0相对转速的三维特性分析,全面研究单双外涵两种模式下各级的匹配情况。试验结果表明:单双外涵两种模式下,压气机流量、压比、效率达到设计指标。单外涵模式1.0相对转速,最高效率0.874,双外涵模式0.924相对转速,最高效率0.87,两种模式下压气机流量调节范围达到31.4%。各级匹配良好,突破了双模式核心驱动风扇与压气机一体化匹配设计和平均载荷系数0.5一级的高负荷压缩部件设计等关键技术,为下一代发动机的核心压缩部件设计奠定了基础。

端壁造型与附面层抽吸耦合流动控制对压气机叶栅的性能影响

为改善轴流压气机性能,抑制角区分离,采用数值模拟方法探究端壁造型(PEW)与附面层抽吸(BLS)两种流动控制措施在不同工况下对高负荷压气机叶栅的气动性能影响。使用神经网络作为代理模型,采用多目标遗传算法进行全局寻优,选取得到的5种最优端壁造型结构,与3种不同弦长位置的抽吸缝进行组合。结果表明:兼顾设计工况及近失速工况叶栅气动性能,采用吸力面70%弦长位置抽吸与通道前中部下凹、近压力面上凸的造型组合最优。设计工况下,附面层抽吸抑制了弦长中部转捩泡的生成,有效降低了尾迹损失,此时最优组合减小了12.7%的总压损失。近失速工况下,端壁造型通过控制端区横向二次流,缓解堵塞,抑制了角区分离进而降低尾迹损失,此时最优组合减小了15.5%的总压损失。

叶片安装角偏差对动叶性能影响的不确定性研究

为了揭示叶片安装角偏差对压气机性能的影响,基于非嵌入式混沌多项式法结合数值模拟,以NASA Rotor37为研究对象,进行了叶片安装角偏差的不确定性量化分析。在峰值效率工况和近失速工况下,进行气动性能统计分析,获得了不同输出参数的均值、标准差和概率分布,探讨各性能参数与安装角偏差间的相关程度并进行流场分析,深入研究安装角偏差波动对内部流场规律的影响。结果表明:安装角偏差对气动性能的影响程度与所处工况有关,近失速工况下,绝热效率受安装角偏差影响的敏感性更大,绝热效率的相对波动幅度相比较峰值效率工况增加了22.95%;总压比与安装角偏差呈较强线性负相关,绝热效率与安装角偏差呈较强线性正相关;不同工况下流场敏感区域有所不同,峰值效率工况下,激波及波后叶尖间隙泄漏流动轨迹受误差不确定性的影响程度较大;近失速工况下,波后间隙泄漏涡破碎区域和吸力面分离流动对安装角不确定性较为敏感;流场中不同区域的损失受安装角偏差影响程度不同,其中尾缘处的损失对安装角偏差的不确定性最为敏感。

槽式处理机匣开槽数目对扩稳效果的影响

采用试验与数值手段研究周向凹槽槽数变化对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行4种不同槽数的周向槽处理机匣试验。试验结果表明,4种不同槽数的机匣处理都提高压气机的失速裕度,在相同槽宽下开槽数最多的扩稳效果最好,开槽数目最少的扩稳效果最次。数值计算所获得总性能与试验结果符合良好。通过详细地分析凹槽槽数变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽槽数变化对压气机性能影响的流动机理。

带周向槽机匣处理的压气机内部流动数值模拟与试验

采用试验和数值模拟的方法研究了周向槽机匣处理对轴流压气机性能以及内部流场的影响。在单级轴流压气机试验台上对实壁机匣和周向槽机匣结构进行了详细的实验测试。同时,对每一种机匣结构的内部流场进行了全三维数值模拟,数值模拟结果与试验结果符合良好,相比于实壁机匣,试验以及数值模拟结果均表明周向槽机匣处理结构能够扩大压气机的稳定工作裕度,而对效率的影响不大。对内部流场的详细分析表明周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡形成和发展的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因。

槽式机匣槽宽变化对扩稳效果影响的试验与数值研究

采用试验与数值手段研究周向凹槽槽宽变化对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行3种不同槽宽的周向槽处理机匣试验。试验结果表明3种不同槽宽的机匣处理都提高压气机的失速裕度,最小槽宽的扩稳效果最好,其他两宽槽次之。数值计算所获得总性能与试验结果符合良好。通过详细地分析凹槽槽宽变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽槽宽对压气机性能影响的流动机理。

折线斜缝式机匣处理的实验研究及机理分析

本文在吸收了传统处理机匣优点的基础上，根据本校单级轴流压气机的结构参数，设计了一种新型的折线斜缝式处理机匣。在中低转速下，在单级轴流压气机上对其性能进行了详细的研究，得出了该种处理机匣的扩稳效果及轴向叠合量、背腔容积对压气机裕度及效率的影响。研究结果表明，该类处理机匣不仅可以有效的改进稳定工作裕度，而且可以使效率有所提高。文中对折线斜缝式机匣处理的机理也进行了分析。

折线斜缝式机匣处理对轴流压气机端部流场影响的实验研究及分析

在一个单级轴流压气机的孤立转子上，通过实验的方法详细研究了折线斜缝式处理机匣对压气机总性能及基元性能的影响。在一总体效果最佳的轴向叠合量下，研究了机匣处理前后转子进出口轴向速度的变化、基元总压比的变化及载荷系数的变化。该种新型的处理机匣形式不仅扩大了压气机的稳定工作范围，而且使压气机的峰值效率及边界点效率有所提高。利用三维热线风速仪结合锁相集平均技术测量了实壁机匣及处理机匣转子后的三维流场，得出了动叶端部二次流流场的详细结构及相对动能分布图。

离心压气机无叶扩压器旋转失速实验研究

This paper deals with experimental investigation of unsteady flow in a radial vaneless diffuser.The circumferentially uniform discharge at the exit of the diffuser changes into a periodic circumferentially fluctuating flow state.The experimental measurements show that the properties of rotating stall in the diffuser are very obvious.The results of the investigation indicate that two type of rotating velocity patterns occur successively as the flow rate decreases.Their rotational speeds are different and the pattern with low rotational speed firstly appears.

小型高速离心压气机级内部的三维流场分析

利用三维数值模拟技术对微型燃气轮机中的离心压气机部分进行了数值分析,得到了离心压气机设计转速下的级特性曲线和各通流部件中的流动情况。数值分析表明:设计转速下压气机的级特性非常陡峭;整个特性线范围内离心叶轮基本在亚音速情况下工作,而径向扩压器是在跨音速条件下工作,离心压气机整机的最大流量是由径向扩压器的喉部面积决定的;离心压气机级内部各通流部件之间流动的相互干扰是引起流动分离的重要原因,各通流部件之间流动的相互匹配和协调将决定了离心压气机整机的性能和稳定性。

半开式离心叶轮间隙流动的实验研究

通过对半开式离心叶轮流动的实验研究，得出了间隙对效率及压力的影响，以及不同间隙下叶轮出口径向速度的变化规律，另外在间隙一定的情况下，当流量从大向小变化时，主流区从轮盘侧向轮盖侧移动，而且在一些工况下，在轮盘侧现测到明显的倒流现象。为进一步了解叶轮内的流动现象，用动态热线风速仪对叶轮叶道出口的速度分布进行了集平均测量，得出了不同流量下的速度分布。

间隙泄漏对半开式离心叶轮性能影响的实验研究与分析

通过实验研究，得出了半开式离心叶轮间隙对效率及压力的影响和不同间隙下叶轮出口径向速度的变化规律。在间隙一定，当流量从大向小变化时，主流区从轮盘侧向轮盖侧移动，有时在轮盘侧观测到明显的倒流现象。用动态热线风速仪对叶轮叶道出口的速度分布进行了集平均测量，得出了不同流量下的速度分布。

变几何叶片对压气机特性影响的实验研究及分析

利用带导叶的单级轴流压气机实验台 ,详细测量了进口导叶无预旋、全叶高预旋 2度和叶顶端部预旋 2度对压气机总性能、基元性能及失速边界的影响。在设计及非设计转速下 ,通过对比三种导叶几何条件下的性能曲线 ,探讨了导叶预旋在非设计转速下的扩稳效果及设计转速下对压气机性能的影响 ,分析了利用端弯技术扩大压气机稳定工作范围的机理 ,该研究进一步说明了端弯技术是推迟轴流压气机不稳定流动发生的有效手段之一 。

多级轴流压气机率先失速级的预测方法研究

在多级轴流压气机特性计算HARIKA算法基础上,发展了一种预测多级轴流压气机率先失速级的方法。该方法结合多级轴流压气机单级的最大静压升能力和实际工作点的特性,配合使用单级级叠加非设计点性能预测方法,可以很好地预估多级压气机的率先失速级,与已有试验结果比较表明该预测方法是正确可靠的。

可调进口导叶和叶片角向缝处理机匣相互作用的实验研究及机理分析

可调进口导叶和叶片角向缝处理机匣都能扩大压气机的稳定工作范围,为了分析同时采用这两种措施对压气机稳定性的影响及二者之间相互作用的机理,在单转子轴流压气机实验台上对不同导叶弯角下实壁机匣和叶片角向缝机匣进行了详细的实验测试。同时,对导叶弯角为+10°的每一种机匣结构和导叶0°的实壁机匣结构进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果符合良好,相对于导叶0°的实壁机匣,实验及数值模拟结果均表明,导叶正弯角结合叶片角向缝机匣处理结构能更好地扩大压气机的稳定工作裕度。对转子流场进行对比分析可得,导叶正预旋能抑制叶背气流的分离,提高压气机的稳定工作范围,但仍然没有改变转子叶尖部诱发失速的流动现象,而叶片角向缝主要是通过对叶顶气流的抽吸作用抑制了间隙泄漏流达到扩稳效果,因此耦合时能独立发挥各自的扩稳作用,从而能获得比单独使用任何一种方法都要更大的稳定工作范围的提升。

带后置蜗壳的斜流叶轮机匣处理扩稳研究

针对小型高速斜流叶轮的机匣处理进行了实验研究与数值模拟分析。实验结果表明,所设计的机匣处理结构可以有效地扩大斜流叶轮的工作范围。采用并行计算技术,对包括斜流叶轮机匣处理以及蜗壳在内的整机流场进行了数值模拟,揭示了机匣处理扩稳的机理,机匣处理结构将叶片顶部区域的低能流体抽吸进入处理槽,从叶片通道内吸力面侧区域流出周向槽,射入转子通道,吹除该区域的低能气团阻塞,改善了转子叶片叶顶区域的气流流动状况,推迟失速的发生。

后置蜗壳斜流叶轮内部射流-尾迹数值研究

采用商业软件Numeca的Fine/Turbo模块,对包含斜流叶轮、蜗壳一体的斜流风机进行整机计算,并在与已有试验数据进行了较好吻合的基础上,对其内部流场进行详细的数值分析,证实斜流叶轮内部也存在离心式叶轮中古典的射流-尾迹结构。研究结果表明:由于蜗壳高度非对称性,使各叶轮内部射流-尾迹结构也完全不同。进一步研究表明,造成这一现象的根本原因在于非对称蜗壳的存在改变了叶轮顶部的叶顶泄漏流动。

风速及风向对舰用燃气轮机进气流量的影响

本文在一大型低速风洞上 ,用实验的方法模拟了在舰用燃气轮机上 ,风速及风向对进气室流量的影响 ,得出了模型上风速及风向对进气流量的影响规律 ,以及两台燃气轮机进气室在不同风速及风向下进气流量的差别。模型上真实模拟了烟囱及上层建筑与进气口的相对位置 ,对实验所得结论从机理上进行了详细的分析。

离心压气机无叶扩压器的失速特征

本文用高频响应的热线风速仪与磁带记录仪及CF－920动态信号分析仪一起，组成测量及分析系统，并用该系统对离心压气机无叶扩压器的施转失速进行了详细的测量及分析，文中通过对孤立叶轮及叶轮进口流动的测量鉴别了叶轮和扩压器谁先失速，得出了无叶扩压器产生的失速为渐变型，失速团以12％－22％的叶轮转动速度与叶轮同向旋转，失速产生后会引起整个无叶护压器窨大幅度的速度脉动，另外，在试验过程中观察到一种新的流动现象，即同一流量下交替出现两种不同频率及团数的失速。