端壁自适应射流对跨声速压气机近失速工况性能影响的数值研究

为了提升压气机的稳定工作裕度和近失速工况性能,提出了一种在压气机静叶端壁施加端壁自适应射流的被动控制方法。利用数值模拟方法开展了不同出口轴向位置和出口偏航角的端壁自适应射流结构对跨声速压气机级性能影响的研究。研究结果表明:端壁自适应射流结构能够有效提升压气机的稳定工作裕度,并能提高近失速工况的总压比和等熵效率,在目前综合表现最佳的端壁自适应射流方案中,稳定工作裕度改进量为27.99%,近失速工况的总压比和等熵效率分别提升了0.61%和1.07%,峰值点效率略微下降0.55%。端壁自适应射流结构能够在一定程度上抑制低能流体回流,缓解流道堵塞,降低总压损失,提升叶片负荷,射流出口位于角区分离起始位置附近的作用效果较好。

扭转度误差对跨声速压气机叶片性能的影响

在压气机叶片加工过程中,受切削力等因素影响扭转变形不可避免。为探究扭转度误差对叶片气动性能的影响,将实测某压气机叶片扭转度误差数据应用于Rotor 37转子,创建误差叶片,通过数值模拟获得其设计转速下的性能参数。结果表明:相较于原叶片,“欠偏转”叶片特性曲线整体向小流量工况移动,反之,“过偏转”叶片特性曲线则向大流量工况移动,且各方案对应误差叶片的气动性能均合格;在设计工况下,随扭转度误差变化,总压比较等熵效率变化更显著,其中“欠偏转”叶片总压比减小,最大变化量为0.85%;此外,相较于原叶片,“欠偏转”叶片稳定工作裕度增大,其最大变化量可达12.29%,同时,“欠偏转”叶片通道激波延后,流动损失减小,且叶顶低速区范围减小,即在公差范围内,负扭转度误差对气流流动状态具有一定改善作用。

跨声速压气机轴承腔封严泄漏影响机理

目前,针对跨声速压气机轴承腔封严泄漏的相关分析尚不充分,泄漏流与主流相互作用的形式尚存在争议。为解决该问题,基于某跨声速压气机与轴承泄漏腔模型,采用3维N-S方程组及k-ω湍流模型,边界条件与试验环境保持一致,对变工况下轴承腔封严泄漏流发展特性及其对压气机性能的影响机理进行了研究,重点分析了一种显著影响压气机主流稳定性的掺混涡结构。结果表明:当封严篦齿泄漏流进入右封严腔时,空腔效应会在篦齿出口区诱发大尺度回流涡,从而对齿端间隙泄漏流起到阻碍作用;当泄漏流量由0.72%进口流量增大至1.9%进口流量时,转子通道激波由约55%弦长位置移动至65%弦长位置。轴承腔泄漏流对压气机转子性能的不利影响主要在于转子通道激波后移以及2股掺混涡的产生。

DMD和POD方法对跨声速压气机非定常流场的模态分析

基于时间精确求解法对跨声速轴流式压气机转子NASA Rotor35的三维非定常数值模拟,分别采用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)和本征正交分解方法(proper orthogonal decomposition,POD)对近失速工况下转子叶尖流场进行模态分析。分析结果表明:DMD方法可以准确提取叶尖流场非定常波动的主要模态结构和较多的高阶谐波模态,且可以判断模态是否具有稳定性;能直接得到模态对应的频率,与压力脉动频谱分析得到的频率吻合。POD方法可以高效提取流场中的主要流动结构,较少的POD模态就占据了流场的主要能量,模态的能量比衰减的很快。通过对POD模态系数进行频谱分析,可以得到对应的频率,但单个模态存在多个频率耦合的现象,且POD方法无法判断所提取模态的稳定性以及对低频模态的分辨提取。1阶DMD模态和POD模态结构一样,反映了时均流动结构;2阶DMD模态和POD模态结构一样,存在相位差,显示了转子周向行波;高阶模态进一步细化补充了流场信息。DMD方法分析跨声速压气机转子叶尖复杂流动更具有优势。

跨声速压气机叶尖开槽射流扩稳策略探究

为了提高跨声速轴流压气机的稳定工作范围,提出一种叶尖开槽射流的扩稳策略,设计7种开槽方案,并通过数值模拟分析其效果及扩稳机理。计算结果表明,针对叶尖通道堵塞设计的开槽射流方案取得了较好的效果,压气机稳定工作裕度实现了2.33%~4.53%的提高,但峰值效率降低0.26%~1.24%;在合理的范围内,槽道的宽度越宽、深度越深、出口位置在近失速工况的分离点前和出口射流角度25°左右时扩稳效果最好,但性能损失与扩稳效果负相关;开槽射流实现扩稳的原因是:槽道入口对压力面前缘低速流团的抽吸作用、出口射流对吸力面尾缘分离的吹除作用以及减小叶尖间隙内的泄漏。

不同转速下叶尖间隙流对跨声速压气机失速的影响

为了研究不同换算转速下叶尖间隙流对转子失速的影响,对不同工况下叶尖间隙流动的特点进行了分析,讨论了压气机转子叶顶两个低速区的形成机理,以及该转子在多种换算转速下的失速机制。研究表明,转子失速是近压力面前缘和吸力面尾缘两个低速堵塞区共同作用的结果。二者的形成都与泄漏涡关系密切,前者是泄漏涡受激波干扰破裂而形成,后者是吸力面气流在泄漏流、吸力面二次流以及激波相互作用下而形成。不同换算转速下压气机失速机制不尽相同：在70%~100%换算转速,压气机叶顶失速主要是由于叶尖泄漏涡与激波相互作用而破裂;在115%换算转速,失速的主要触发因素为径向涡导致吸力面附面层低速气流向叶顶堆积。

转子叶片加工误差对1.5级跨声速压气机气动性能的影响

压气机叶片加工误差不可避免,将在一定程度上影响压气机的气动性能。为研究叶片加工误差对跨声速压气机气动性能的影响,以燃气轮机进口1.5级跨声速压气机为对象,通过三坐标测量跨声速转子叶片叶型数据,获得了加工误差分布特征;针对实测转子叶片,采用三维CFD数值模拟方法,研究了轮廓度、位置度和扭转角综合误差对压气机转子和级特性线和流场参数的影响;针对转子叶型以轮廓度超差为主的特点,采用S2流面通流计算方法,在设计流量点研究了由轮廓度误差引起的转子叶型最大厚度变化对压气机转子和级性能的影响。结果表明,转子叶片加工误差对压气机堵塞流量、全流量范围内转子和级的压比和效率均有影响,同时改变转静子叶片排出口气流参数的径向分布规律,主要原因为激波位置和强度的变化;在设计流量点,转子和级的压比和效率的变化与最大厚度变化呈负相关趋势,厚度偏差越大性能变化幅度越大;对转子叶片,来流相对马赫数随叶片高度增加而增大,性能对叶型几何误差的敏感性增强,综合压比和效率的变化,中上部叶高范围的轮廓度公差要求应更严格。

跨声速压气机机匣处理的数值研究

介绍了所开发的压气机内流场三维N-S方程计算程序.在利用典型算例验证了计算程序的描述能力和精度的基础之上,对带有顶隙和机匣处理的跨声速压气机内的流动进行了三维数值模拟.研究了环向槽机匣处理方式,比较了不同开槽方式下,机匣处理对顶隙泄漏流和压气机性能的影响.

非设计条件下跨声速压气机失速机制分析

为了分析工作条件改变时跨声速压气机的失速机制,讨论叶顶泄漏和附面层分离等二次流在触发流动堵塞中的作用规律,总结在非设计条件下的压气机失速机制。研究表明,当转速增大,叶顶泄漏流量增大,泄漏涡增强;在某一转速下,主流逆压梯度增大,泄漏流量先增大后减小,泄漏涡则一直增强。在低转速下,附面层的分离和潜流主要由气流攻角引起,高转速下主要由激波与附面层干涉引起,主流逆压梯度增大使分离和潜流增强。压气机失速的触发原因是叶顶通道堵塞,由泄漏涡破碎和径向潜流两个因素对应引起位于叶顶通道的压力面前缘和吸力面尾缘的两个堵塞区。在75%～105%换算转速,泄漏涡破碎引起的压力面前缘的堵塞是压气机失速的主要触发因素;换算转速小于75%或大于105%时,径向潜流引起的压力面尾缘的堵塞是主要触发因素。

处理机匣激励频率对跨声速压气机性能的影响

通过改变处理机匣槽数来改变处理机匣对压气机内部流场的非定常激励频率,对4种激励频率下压气机性能进行了测试。实验结果表明,处理机匣槽数对应的非定常激励频率是影响压气机性能的关键因素之一。通过优化处理机匣对压气机非定常激励的频率,压气机性能可以得到全面提升:对于实验用跨声速压气机,在近设计转速下峰值效率、综合裕度和最大流量分别提高0.17%,19.86%和0.81%,而在低转速下这三个增量最大分别可达到1.13%,57.84%和1.57%。

跨声速压气机转子流场特性的数值研究

为研究跨声速压气机转子在设计转速下的内部流场特性,探索其流动机理,考察激波位置及成因,利用三维数值模拟方法对其进行了数值研究。结果表明,该跨声速压气机转子在设计转速下高效工作范围较宽,喘振裕度约为27.15%。近堵塞工况时,转子叶片前缘出现一道脱体的弓形激波,转子叶片流道内也存在一道正激波,激波位置随背压升高向叶片前缘移动;最高效率工况时,叶片前缘叶尖相对马赫数达到1.5。近失速工况时,流道内正激波消失。转子叶顶间隙处存在强烈的激波与附面层及间隙泄漏流的相互作用,该处熵值随背压升高而增大,高熵区随激波前移而向转子叶片前缘移动。

转静干涉对跨声速压气机叶片静气动弹性的影响

为了研究转静干涉对叶片静气动弹性的影响,采用时域双向流固耦合方法对1.5级跨声速压气机转子叶片在气动力和离心力共同作用下的变形过程进行了数值模拟,分析了设计工况下叶片的变形特征及其对气动性能的影响。结果表明:叶片变形明显改变通道激波位置和强度,最大绝热效率时均值较冷态叶型提高0.45%,堵塞流量增加了0.7%,气动特性线向流量增大方向偏移。气动力和离心力主要影响转子叶片轴向和周向的变形分量,转子叶片与导叶轴向间距缩短加剧了上下游叶片非定常气动干涉,转子前缘表面非定常压力波动幅值增加12.3%,周向变形使得转子前缘进口叶型角增大,上半叶高表面静压分布明显改变。高性能压气机工程设计中应该考虑叶片静气动弹性变形对气动性能的影响。

基于流固耦合的跨声速压气机叶片静气动弹性分析

采用时域推进的双向流固耦合方法对一级跨声速压气机叶片流场和固体域进行数值模拟,研究跨声速转子叶片静气动弹性变形及其对气动性能的影响,对比分析了100%转速下转子叶片的气动特性和固有频率的变化.结果表明:转子叶片在气动力和离心惯性力共同作用下的弹性变形以扭转变形为主,气动力对叶尖前缘变形量的影响可达总变形量的20%.转子叶片变形后通道流通能力增强,气动特性曲线向大流量方向偏移.

周向抽吸槽位置对跨声速压气机转子气动性能的影响

为了探究机匣周向抽吸槽位置对跨声速压气机转子气动性能的影响,利用数值仿真方法对其进行了研究。在抽吸流量为原型跨声速压气机转子近失速工况主流流量的1%时,对转子压气机原型与加入四种不同位置机匣槽抽吸处理的改型做流动特性的对比分析,结果表明:机匣周向槽抽吸槽可以改善激波结构,削弱甚至消除叶顶侧的低能流体积聚,使上端壁附近的流动更为顺畅。作用在低能流体中心位置的机匣抽吸槽对流动的改善效果更好,效率提高2.7%。

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。

跨声速压气机不同转速下失稳形式的实验研究

为了研究压气机在不同工作转速下失稳形式的不同,进而研究不同失稳先兆的发生机理,针对一台跨声速压气机在不同转速下的失稳过程进行了实验研究。分别在转子叶尖机匣、静子出口布置了高频响动态压力探针对压气机失稳过程进行实时监测和实验数据采集,采用FFT(Fast Fourier Transform)、WFT(Window Fourier Transform)、滤波等数据处理方法对实验数据进行频域和时域分析,得到了压气机在不同转速下流动失稳的变化规律。实验结果表明:随着工作转速的升高,该压气机的失稳过程也会发生改变,在低转速(亚声速)下表现为经典Spike引起的旋转失速,如65%设计转速;而在高转速(跨声速)下则表现为一种新型的失稳过程,由一种发生在近轮毂区域的低频、轴对称、大幅值的扰动诱导了失稳,如88%设计转速。这种失稳先兆被称为局部喘振。两种失稳模态之间的相互转换存在一个临界转速(约为78%设计转速),在临界转速下,局部喘振几乎与旋转失速同时发生。

跨声速压气机数值模拟格式效应研究

针对跨声速叶轮机械复杂内部粘性流动,开发了全三维高精度RANS数值求解器。分别采用FVS格式与AUSM+格式结合多种限制器对Rotor 67跨声速压气机转子进行数值模拟,分析和比较了各格式的计算效果并与试验结果对比。结果表明:与FVS格式相比,AUSM+格式的数值粘性更小,边界层的模拟精度更高;Hemker限制器的综合表现最优,Van Albada限制器的粘性分辨率略低于Hemker限制器,Minmod限制器对流动分离现象的捕捉能力较差,Van Leer限制器容易引入色散误差。

叶根失速先兆触发跨声速压气机失速的机制研究

实验中发现了一种起始于叶根的新型压气机失速先兆,为了探索这种先兆的初始扰动特征及失速的动态发展机制,对该压气机开展全周非定常数值研究。数值结果表明,在压气机进入失速的过程中,静子叶根区域首先形成堵塞区,验证了失速初始扰动起源于叶根区域。该扰动由六个轴对称分布、以45%转子转速旋转的堵塞团组成。随着失速程度的加深,静子叶根堵塞团在低叶高范围内合并为整圈的分离区,造成整个叶根区域流动的堵塞。叶根的堵塞导致气流从堵塞区上方绕行,加快了叶尖区域的流动速度,激波的增强导致叶顶泄漏涡破碎程度加剧,形成转子叶尖堵塞区并发展为旋转失速团,最终导致压气机失速。

基于动态边界的跨声速压气机过渡态三维模拟方法

针对航空涡轮发动机部件的过渡态,提出了一种基于压气机部件三维模型的过渡态性能计算方法,采用动态边界条件,以转速和出口静压为过渡过程的控制参数,二阶向后欧拉法求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程组,通过三维非定常模拟获得压气机的过渡态性能和内部非定常流场特征。以NASA跨声速压气机Rotor 67转子为模型,采用该方法模拟了压气机从60%设计转速加速至100%设计转速的过渡过程,获得了压气机过渡态性能及转子内部详细的激波结构与演变过程。对比通用特性结果,在整个过渡曲线上,总压比相对误差最大值小于6%,绝热效率相对误差最大值小于2%,验证了该方法的可靠性。结论表明:基于动态边界的三维非定常模拟方法能够准确模拟压气机的过渡态性能,并反映出过渡态的非定常流场详细信息。

圆弧槽处理机匣对影响跨声速压气机叶根失速先兆发展过程的实验研究

针对在一台跨声速压气机上发现的叶根型失速先兆局部喘振,通过实验方法,探究了一种特殊设计的圆弧槽处理机匣对局部喘振型叶根失速先兆发展过程的影响。通过对比实壁机匣和圆弧槽处理机匣的实验数据,压气机的稳定工作裕度在应用处理机匣的情况下拓宽了19.88%,而总压比峰值点仅降低了0.3%,同时绝热效率基本保持不变。结果表明:(1)实壁机匣情况下,压气机失速时伴有低频的局部喘振和高频的失速团信号,而安装圆弧槽处理机匣的实验结果表明在同样的流量下局部喘振现象依然存在,但此时压气机仍能稳定工作,证明局部喘振的发生与叶根高负荷有关,但与叶尖的流动情况无关;(2)处理机匣的使用改善了叶尖流动情况,推迟了转子叶尖区域高频旋转失速团的发生,从而实现了对叶根型失速先兆压气机的拓稳效果,同时这也揭示了在局部喘振型失速发展过程中,由局部喘振诱导的高频、发生于叶尖的旋转失速团是压气机失速的重要原因。