设计压比和转速变化对对转压气机性能的影响研究

以自行设计的双排轴流对转压气机为研究对象,采用流线曲率法对对转压气机的气动性能及流场结构进行了探索性研究,着重分析了转速调节分别对两排转子出口速度、出气角以及扩散因子的影响,结果表明:两排转子的转速互相依赖,在量级上不宜相差的过大,否则流场极易发生分离或畸变;另外,可通过适当调整各排转子的压比来平衡两转子的加功量,以降低流场畸变的可能性,以上研究结论对对转压气机的设计与应用有着重要的理论意义和工程应用价值。

对转压气机转速比变化对稳定边界的影响

以实验室对转压气机为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同转速比对压气机稳定性的影响。着重分析了转速比对压气机失速边界和堵塞边界的影响规律,并对不同转速比下各转子的稳定性进行了初步的研究。结果表明:(1)当转速比R2:R1>1.0时,转速比增大会导致失速边界和堵塞边界均向小流量方向偏移。(2)当转速比R2:R1<1.0时,随转速比增大失速边界变化不大,但堵塞边界向大流量方向偏移。(3)转子1转速变化对转子2气动性能具有很大的影响,而转子2转速变化却对转子1性能影响不大。(4)在不同转速比下,导致该对转压气机失稳的主要因素也不同。

双级对转压气机多叶排全三维转子优化分析

以实验室的对转压气机实验台为研究对象,应用近似函数方法并结合遗传算法对其下游转子在整机环境下进行了优化设计。结果表明:优化后,在设计点,对转压气机效率提高了0.69%,流量、压比基本不变,喘振裕度有所提高;设计点优化后,下游转子效率提高了1.36%,压比基本不变;上游转子效率和压比都基本不变。同时,优化减小了下游转子中部、尖部的尾迹掺混损失,但增大了根部的尾迹掺混损失,使出口导流叶片流动有所改善。

双级对转压气机多工况数值分析研究

以某双级对转压气机为研究对象,应用数值模拟方法获取不同转速、近喘振点内部流场细微结构,分析了不同工况上下游转子叶片表面流谱特点以及对转、逆压环境中上下游流场相互制约关系,为进一步优化设计对转压气机叶片提供依据。计算结果表明:该对转压气机在多种工况下两排转子来流攻角、落后角都较大,根部和尖部都有较强的分离流动;一级转子叶片表面分离线上游流动速度径向分量较大,可能导致该级转子尖部截面流动分离提前发生;下游转子对上游转子叶片尾迹的反向切割使得其不能按照自身发展规律向下游发展,一方面诱导了上游叶片尾缘附近流动分离,另一方面,对下游叶片来流攻角也产生一定的影响,导致下游转子叶片来流攻角进一步增大,从而加剧了二级转子的分离。

对转压气机转速比对最先失速级的影响

为了研究不同转速比对对转压气机最先失速级的影响,就对转压气机在不同转速比下的全工况特性进行了数值模拟,并分析了近失速点两排反转转子(转子1和转子2)内的流场。结果表明:转速比变化不影响该压气机失速的初始扰动类型,即在不同转速比下该压气机中出现的失速初始扰动均为突尖波型;当转速比R2∶R1≥0.9时,由于转子2叶片气动负荷较重,间隙泄漏流的强度较大,转子2更早进入失速工况;而当转速比R2∶R1<0.9时,转子1先于转子2进入失速工况。

对转压气机叶尖间隙效应对其性能影响的研究

为了进一步了解对转压气机中不同转子叶尖间隙改变对其性能的影响,以对转压气机为对象,基于数值方法研究了该压气机不同转子对应的叶尖间隙效应及其性能的变化。结果表明:随着叶尖间隙的增加,压气机总压比和效率均有所下降;两排转子的峰值效率敏感度曲线与间隙大小均近似呈线性关系,且转子R2对应的峰值效率和喘振裕度随叶尖间隙的变化较R1更加敏感。该对转压气机存在最佳间隙组合,即转子R1和R2分别取叶尖间隙为1.0τ和0.5τ(τ代表设计间隙),此时的峰值效率和喘振裕度较设计间隙分别提高约0.62%和6.9%;转子叶尖间隙的增加会使得相应转子叶尖泄漏涡的起始位置后移,两排转子中一个转子叶尖间隙变化时会对另一个转子的叶尖流动产生影响,且转子R2叶尖间隙的增加对转子R1的影响更加显著;两排转子叶尖间隙的变化均会影响该对转压气机的最先失速级。

轴向间隙对对转压气机失速性能的影响

采用数值模拟的方法,通过对5种不同轴向间隙下多工况对转压气机性能及失速工况下流场结构的分析,研究了高转速对转压气机内转子轴向间隙大小对其失速性能的影响,并对近失速工况下产生性能变化的原因展开讨论。动/动交界面参数传递采用了冻结转子法,保证了小轴向间隙下数值模拟的准确性。研究表明:(1)随着轴向间隙的减小,对转压气机性能降低但稳定工作范围增大,设计轴向间隙40%C为基准(C为转子2,叶片根部轴向弦长转子2),20%C轴向间隙下对转压气机峰值效率较设计间隙下降低了2.2%,稳定裕度增加了59.5%;(2)轴向间隙的改变对下游转子进口畸变产生影响,进而影响整机气动性能;(3)下游转子进口畸变对叶根区域流场产生影响,使得效率、压力等气动性能下降,然而,进口畸变对叶顶间隙内流场的影响作用却可以扩大整机稳定工作范围。

周向总压畸变对对转压气机影响效应分析

以对转压气机为研究对象,在数值方法校验的基础上,应用全通道定常流场分析手段计算了对转压气机不同周向畸变条件下的三维流场,获取了周向总压进气畸变对该压气机性能以及流场结构的影响效应,确定了对转压气机的临界畸变角,分析了不同畸变强度对压气机性能的影响规律,探讨了周向总压畸变在对转压气机中的发展演化过程。结果表明:(a)所研究的对转压气机临界畸变角约为72°,略高于传统动-静叶排交替的压气机临界畸变角;(b)相比均匀进气工况,当畸变指数为0.24时,对转压气机失速点压比和失速裕度分别下降3%和9.6%,当畸变指数为0.5时二者分别下降8.3%和19.8%;(c)未畸变区与畸变区流体之间存在的压力梯度影响转子叶片相对来流速度。进入畸变区叶片来流相对速度减小,负荷降低,退出畸变区叶片来流相对速度增大,负荷增大;(d)上游转子使得畸变水平提高,下游转子反向旋转效应抑制了来流相对速度变化趋势,增强了气流在其叶片通道中的掺混,使得畸变水平有所下降。

高负荷对转压气机中尾迹传播机制研究

为了研究尾迹在高负荷对转压气机中的转播机制,采用频域的非线性谐波方法对两级高负荷对转压气机进行了非定常流计算。结果表明：在设计点,通过与定常流计算的结果对比,发现第二级转子在0%~25%的近叶根区域和67%~100%近叶尖区域,非定常得到的效率较小,而在25%~67%的叶中部分非定常的效率更大。研究了尾迹在这三个不同区域的传播规律。结果表明：在叶中,尾迹恢复效应在流动中起到了效率增益的作用;在叶尖,它会与机匣的附面层以及叶尖泄漏流作用,使得端壁附面层增厚和引起泄漏流熵增;在叶根,由端壁附面层产生的马蹄涡和分离涡会影响尾迹的传播,卷吸尾迹并导致尾迹破碎,引起掺混损失。

吸附式对转压气机不同数值模拟方法的对比研究

针对压气机叶片在非设计工况下经常出现的附面层分离状况,通过在转子二叶顶端壁开槽吸气,采用实体槽和源项添加两种数值方法对某双级对转压气机进行吸附式数值模拟,对比分析吸气前后压气机性能特性和内部流场。结果表明:吸除转子叶顶端壁低能流体可以使压气机压比和效率在各流量下得到提高,压比提高约1.25%,效率最大提升近2%;流动分析发现转子二叶顶出口气流角减小,进而减小出口导叶攻角,叶顶区域流动得到显著改善;对比两种数值模拟方法,源项添加数值方法预测压比方面与实体槽接近,而预测效率方面偏大,原因在于实体槽法考虑了槽结构引起的附加损失。

端壁附面层抽吸对对转压气机性能的影响

以双级对转压气机为研究对象,通过在两排转子机匣处开设抽吸孔,采用数值方法研究了不同抽吸流量下端壁附面层抽吸对压气机性能的影响,为吸附式压气机优化设计提供参考。计算结果表明:在级环境下端壁附面层抽吸可以提升压气机失速裕度,但抽吸流量过大会对效率造成一定损失,当抽吸1.6%流量时失速裕度提升了3.8%,压气机性能达到最佳;失速主要由间隙泄漏涡引起并首先在第二排转子叶尖发生,抽吸削弱了泄漏涡的强度推迟失速发生;端壁附面层抽吸增大了叶尖流通能力,使转子叶尖效率和压比得到提升,并有效改善了出口导叶流场。

高负荷对转压气机尾迹涡级间迁移影响因素研究

为探究高负荷对转压气机上游转子尾迹脱落涡级间迁移的影响因素,截取高负荷对转压气机60%叶高叶型,保持叶型几何、总压比不变的前提下,分别取12%,20%,25%,30%,35%,45%下游转子弦长的轴向间隙进行了非定常数值模拟。研究发现,在每个轴向间隙下,尾迹脱落涡迁移至下游转子前缘平面的周向位置均不随时间发生变化;当轴向间隙改变时,尾迹脱落涡迁移路径随之发生变化。基于理论分析和数学推导,建立了高负荷对转压气机尾迹脱落涡级间迁移轨迹的无量纲准则关系式,并结合通流计算与激波模型,发展了预估上游转子尾迹脱落涡迁移轨迹的方法,为设计阶段考虑非定常效应提供指导。

级环境下跨声速对转压气机优化设计研究

为研究不同优化策略对跨声速对转压气机性能以及内部流动机理的影响规律,运用人工神经网络结合遗传算法在级环境下对下游转子轮毂型线和积叠规律分别进行了三维优化设计。结果表明:轮毂型线优化和积叠规律优化分别使下游转子效率提升了1.19%和2.87%,整机效率分别提升了0.48%和0.63%。轮毂型线优化改善了下游转子叶根区域靠近压力面的分离流动,降低了流动损失;下游转子积叠规律优化有效抑制了下游转子叶根角区分离流动,同时降低了叶顶泄漏流损失;轮毂型线优化对根部角区的调控能力优于积叠规律优化,二者的组合优化有望进一步提升对转压气机性能。

对转压气机变转速比失速特性试验研究

以1台低速大尺寸轴流对转压气机为研究对象,应用试验手段成功捕捉到了19组不同转速配置下的失速边界及失速过程动态特征,进而得到不同转速比条件下失速特性。结果表明:当前/后转子转速值互换时,转速比大于1的压气机相比于转速比小于1的情况更容易失速,失速起始点流量至少提前18%,增压能力至少高出5.5%;在相同的转速比下,压气机压升系数-流量系数无量纲特性线几乎重合,随转速比减小,压气机无量纲特性线向上移动。通过对所有转速配置下的失速类型及失速初始扰动频率进行归纳可以发现:所研究的对转压气机存在一个位于1.125~1.167之间的临界转速比值,当转速比小于该临界值时,失速扰动为类突尖波特征,此时转速比越小,失速初始扰动频率越高,且在同一转速比下,失速扰动初始频率随前后转子平均转速的增大而增大;当转速比大于该临界值时,失速扰动不沿周向旋转。

双喷气自循环机匣处理对对转压气机性能的影响

为发展适用于对转压气机变转速比工况下的扩稳技术,基于某两级对转压气机设计出一种新型双喷气自循环机匣处理结构,能够实现在不同转速比下提高对转压气机的失速裕度。在设计转速比下研究了轴向喷气位置对自循环机匣处理扩稳能力的影响,并选取扩稳性能最佳的双喷气自循环机匣处理方案探究其在变转速比工况下的扩稳潜力。研究结果表明,在设计转速下,双喷气自循环机匣处理主要改善后排转子的叶顶流场,失速裕度最大提高8.40%;在非设计转速比下,双喷气自循环机匣处理可将失速裕度提升8.71%~9.74%。双喷气自循环机匣处理的双射流将叶顶泄漏流和主流的交界面推向下游,同时改善了两转子的叶顶流场品质,从而推迟失速的发生。

缝式机匣处理对对转压气机最先失速级的影响

为探究缝式机匣处理对对转压气机最先失速级的影响规律,以双级对转压气机为研究对象,采用数值模拟的方法,开展了缝式机匣处理对对转压气机最先失速级的影响研究。研究表明:缝式机匣处理下该对转压气机的失速初始扰动类型仍为突尖型失速,机匣处理前移压气机的最先失速级由转子R2转换为转子R1,而机匣处理后移未改变该压气机的失速级。机匣处理前移抑制了转子R2前缘溢流的发生,降低了叶片通道内的非定常脉动强度,而转子R1在近失速工况下叶片前缘溢流加剧,主流和泄漏流的交界面被推出叶片通道,同时叶片通道内的非定常脉动强度增大,最终使得转子R1首先进入失速状态;机匣处理向转子R2下游移动,难以抑制前缘溢流的发生,虽然此时转子R1也出现了前缘溢流现象,但转子R2前缘溢流更剧烈,主流和泄漏流交界面的位置更远离叶片前缘,更容易使压气机发生失速。

转速匹配效应影响下周向槽机匣处理对转压气机性能的影响

采用数值模拟方法,通过分别在对转压气机(counter-rotating compressor,CRC)前后两排转子上进行周向槽机匣处理,研究了其在不同转速匹配方案下的扩稳效果以及对转压气机最先失速级的变化规律。结果表明:当前排转子R1转速高于后排转子R2时,其最先失速级为R1,当R2转速等于或高于R1时,其最先失速级为R2。在对转压气机的最先失速级进行机匣处理可以有效改善所处理转子的叶尖附近流场,包括来流相对气流角的减小、叶尖泄漏流反向轴向动量的减小、叶尖泄漏流与主流交界面位置的后移及叶尖堵塞程度的减弱等,进而提升了其失速裕度。机匣处理一般仅能对所处理转子的流场产生较大影响,但在特殊情况下也会使非处理转子的流场发生明显改变。

对转压气机动叶热态形变气动影响效应及冷热态叶型变换方法研究

为探究高负荷对转压气机动叶形变对气动性能的影响,采用热流固耦合计算方法分析了离心、气动及热载荷作用下的叶片形变规律,探索了形变下低压转子及对转压气机的气动性能变化机理,并进一步开展了冷热态叶型变换方法研究。结果表明:在总载荷作用下,低压转子和高压转子叶片前缘分别向吸力面和压力面方向形变,导致低压转子工作点向失速边界移动,对转压气机堵塞流量降低,峰值效率下降。通过采用基于虚功原理的逆向求解计算,可以在无需变形量反向插值和迭代修正下得到动叶的冷态叶型,进而实现设计的气动性能。

双级对转压气机轴向间隙对性能的影响

设计了7组不同轴向间隙的对转压气机几何数据,应用数值模拟手段获取其性能和流场细微结构,研究了对转转子轴向间距对压气机性能、进气角以及流场结构的影响.结果表明:①在轴向间隙从30%C(C为转子叶片根部弦长)到70%C增加的过程中,对转压气机峰值效率降低2%左右,上、下游对转转子峰值效率也降低约4%;②设计转速下近失速点效率和流量先上升后降低,在55%C间距时达到最大值;堵塞点流量增加,效率降低约3%;③在堵塞工况下,随着轴向间隙的增加上、下游转子进口气流角减小;④当轴向间隙增大至50%C时,继续增大对上下游转子来流攻角影响不大;⑤如果掺混损失占主导地位,通过减小轴向间距可有效提高压气机性能,如果是二次流损失占主导地位通过增加轴向间距来提高压气机性能是可行的方法.

对转压气机内部流动机理及设计方法研究

通过革新气动布局来提高压缩部件级压比是提高航空发动机推重比的重要途径.对转压气机在降低压气机轴向长度和重量,提高压气机级压比方面具有重要作用,正向着高负荷、高效率和宽稳定工作范围方向发展.本文开展了高负荷两级单转子压气机、1+1对转压气机、常规1/2+1对转压气机和激波增压对转压气机基元级分析,阐释了对转压气机的气动参数特点和实现级负荷提升的原理,指出高压转子采用进口反预旋和高圆周速度是实现加功量提升的有效手段.完成了具有相同进口轮毂比和流量的两级单转子压气机、1+1对转压气机、常规1/2+1对转压气机和激波增压对转压气机通流和三维气动设计,各压气机压比分别为3.0,3.0,3.0和5.0,平均级压比分别为1.73,1.73,1.73和2.24,高压转子进口相对马赫数分别达到1.18,1.02,1.40和1.88.对比分析了具有不同进口气流条件的压气机高压转子流场特征,重点分析了激波增压对转压气机高压转子的内部流动损失机理,结果表明激波诱导的边界层分离和叶顶泄漏流是高压转子的主要损失来源.针对高压转子的主要损失源,提出了叶片通道收缩比选取方法和反偏折叶型设计方法,抑制了结尾激波诱导的边界层分离;提出了叶型局部负曲率设计方法,抑制了前缘内伸激波诱导的边界层分离;建立了叶尖端弯设计方法,降低了叶顶泄漏流强度,有效提高了高压转子效率.针对激波增压对转压气机变工况气动性能衰减问题,建立了基于喉口面积调节和喉口附近机匣引气的高压转子起动方法,使高压转子能够在40%设计转速实现起动,改善了激波增压对转压气机在中、低转速下的工作特性.