叶尖小翼周向最宽位置对高负荷压气机级特性影响的研究

针对叶尖小翼扩稳技术,采用数值方法在改变叶尖小翼宽度的基础上,考虑了叶尖小翼几何形状的周向最宽位置对高负荷压气机级性能的影响。研究结果表明,叶尖小翼宽度越大且最宽位置靠近叶片两端时,压气机级的稳定工作裕度的提升越明显。叶尖小翼宽度为2.0倍叶顶宽度时,且周向最宽位置位于转子前缘25%轴向弦长时,叶尖小翼最多使叶顶泄漏流的质量流量减少了7.66%,提升了压气机级通道内流体的轴向速度,抑制了转子及静子叶片叶表的分离情况,从而延缓了压气机级的失速,压气机级的稳定工作裕度提升了29.18%。

高负荷压气机旋转不稳定诱发转子叶片非同步振动的实验研究

为揭示高负荷压气机旋转不稳定诱发转子叶片高振幅值非同步振动的发展过程及其产生机理,本文从实验角度出发,详细揭示了一种由旋转不稳定涡激发转子叶片非同步振动瞬态过程中流体主动作用至被动响应的变化趋势。研究结果表明,在叶片振动触发前,第一级转子叶尖分离涡扰动已存在,但其频率与叶片固有频率未耦合。随级负荷进一步升高,分离涡频率小幅波动,诱发其与叶片一阶固有频率耦合,激发转子叶片高振幅值振动。气流扰动周向模态数由流体主动作用时的高模态发展为被动响应时的低模态。

高负荷压气机的轮毂型线三维气动优化及其CFD验证

针对高负荷压气机难以控制角区的二次流、叶片表面存在大规模边界层分离等技术瓶颈,本文提出了一种三维端壁型线的气动优化方法,对高负荷压气机轮毂型线优化进行了研究,并对所采用的方法进行了验证,开发了相应的优化系统。结果表明,所采用的端壁型线优化方法能有效抑制附面层分离,降低吸力面转角区域二次流的强度和规模。因此,叶片通道控制流动方向和优化流动条件的能力得到了扩展。压气机级的整体气动性能,如失速裕度和等熵效率也得到了提高。优化后,在通流能力较好的情况下,压气机级的气动效率达到了88.59%,提高了1.05%。本文提出的方法和相应的系统很好地促进了压气机气动设计系统的发展,具有良好的工程应用前景,为压缩系统获得更突出的通载能力和更好的流动结构提供了新的思路和解决方案。

转子叶尖间隙对高负荷压气机性能影响的数值计算和试验验证

为了研究高负荷压气机转子叶尖间隙对压气机性能的影响,采用数值模拟软件NUMECA对某4级压气机和其中的1个典型级进行了不同间隙的计算。计算结果表明:当间隙超过叶高的0.52%后,叶尖流场出现堵塞,喘点压比衰减速度开始加剧,直至5.24%性能衰减速度逐渐减弱;在多级环境中,4级压气机间隙增大叶高的0.5%,喘点压比降低了约0.6%~4.3%,间隙增大的叶排作功能力降低是压气机喘点总压比降低的主要原因,其中前2级间隙增大对总性能影响较大。同时,通过4级压气机试验验证了间隙对性能的影响,验证结果表明:间隙增大叶高的0.78%后,4级压气机喘点压比和峰值效率分别降低了1.4%和0.4%,在65%~88%叶高时的压比和效率的性能衰减较为明显。

高负荷压气机精细化设计

为保证压气机在负荷水平不断提高的同时仍具有良好的气动性能,需要对级间匹配、泄漏流和端区流动的控制进行精细化处理。为兼顾压气机效率和裕度2个指标,需要对流量系数进行精细筛选以获得其最佳取值;通过增加级的反力度,可以有效利用高负荷条件下转子的高稳定性,进而缓解负荷提高后静子易分离失稳的问题,同时使转、静子的扩散因子均得到较好地控制;级间引气流场对压气机的级间匹配有较大影响,需要对引气结构进行优化设计,并在气动设计过程中对相关叶片排的攻角、落后角作出补偿;合理控制篦齿封严泄漏流、转子叶尖泄漏流可以大幅提高高负荷压气机的气动性能;采用波浪壁流路可以较好地控制高负荷压气机的局部端区流动,实现其效率和裕度水平的提升。

孔式非定常脉动抽吸控制高负荷压气机叶栅内流动分离的参数研究

为了探索非定常脉冲抽吸在高负荷压气机叶栅中控制流动分离的应用前景,掌握非定常脉动抽吸在不同激励参数条件下的适应性和可行性,首先对非定常脉动抽吸的不同激励参数包括激励频率、位置、前向倾角和侧向倾角进行了详细的讨论和分析。然后,基于最优激励参数,将非定常脉动抽吸与传统的定常抽吸进行了比较分析。结果表明:在流动分离的控制中,激励参数起着重要的作用,当激励参数在相应的最优范围内气动性能才能被明显地提升,如果远离相应的最优范围,控制分离的效果将会减弱,甚至导致总压损失增加。当所有激励参数都是其最优值时,在时均抽吸率只有0.4%的情况下,总压损失减小了19%。基于最优激励参数,在相同时均抽吸量的情况下,相比于定常抽吸,非定常脉动抽吸在控制流动分离、改善气动性能上具有更大的优势。

孔式抽吸对带间隙高负荷压气机性能的影响

实验研究了端壁孔式附面层抽吸对带间隙的高负荷直列叶栅流动特性和气动性能的影响,通过三种附面层抽吸方案与原型方案的对比分析,探讨了附面层抽吸抑制间隙流动、减小损失的机理。对叶片表面和下端壁进行了墨迹流动显示,并利用五孔探针对叶栅出口气动参数进行了测量,对比分析了叶栅流道内的流场特征和损失分布。结果表明,在间隙内布置抽吸孔能有效降低间隙流动动能,削弱间隙流与主流之间的相互掺混作用,减小因间隙流动引起的端壁区域流动分离,从而达到对三维流动分离的抑制,有效降低损失,且最大降幅达16.7%;间隙流动引起的流动分离和损失在流道中占主导地位,尽管在端壁沿周向合理布置抽吸孔能在一定程度上抑制近端壁的附面层或二次流发展,但这种局部效应仍不能显著改善叶栅的整体性能;端壁上不合理的抽吸控制策略反而可能影响主流的正常流动,导致损失增加,其中方案4损失增加了约3%。

变攻角下端壁非定常脉动抽吸对高负荷压气机叶栅性能的影响

为进一步探究非定常脉冲抽吸控制高负荷压气机叶栅流动分离的机理,考察非定常脉动抽吸在变攻角下的适应性和可行性,采用非定常数值方法,系统研究了变攻角下,非定常脉动抽吸对流场性能的影响,并将其与传统的定常抽吸进行了比较分析。结果表明,在设计攻角下,保证相同的时均抽吸量,非定常脉动抽吸控制效果明显优于定常抽吸;在时均抽吸量ms=0.4%时,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸都展现出更好的性能,在最优频率时,损失减小了9.4%,静压升提高了12.9%,相比于定常抽吸损失减小了4.2%,静压升提高了4.7%。在变攻角下,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸控制效果相比于定常抽吸仍具有较大优势;但大攻角下,非定常脉动抽吸和定常抽吸控制效果均有所下降。

涡流发生器对高负荷压气机叶栅角区分离影响的实验研究

涡流发生器能有效控制叶栅通道内的流动分离。为探明涡流发生器对高负荷压气机叶栅角区分离的控制效果,设计了不同周向位置的涡流发生器并进行实验。实验结果表明:涡流发生器通过其产生的尾涡改变通道内的旋涡结构,加强端壁区的低能流体与主流的掺混,抑制角区分离的形成进而达到了改善流动的效果。相对于原型叶栅,在-3°~3°迎角下加入涡流发生器后损失系数降低了5%~14%,气流转折角提高2.49°~3.15°。相对于方案A,涡流发生器远离吸力面0.15倍栅距时,角涡强度增强,气动性能下降;反之,接近吸力面0.15倍栅距时会增加角区额外损失,其流动控制效果较差。

复杂三维气动布局在高负荷压气机中应用的数值模拟

为了充分发挥主被动控制技术融合的复杂气动布局在高负荷压气机中的应用潜力,通过数值模拟的方式,设计了多台采用不同气动布局方式的单级高负荷压气机进行对比研究。研究结果表明,在静叶中融合应用三维叶片造型技术时,端弯叶片前缘所呈现的反弯形态会导致静叶损失增加,但端部气流角更好的匹配保证了压气机失速裕度的提高。在端弯叶片设计基础之上叠加应用正弯造型可以抵消由于端弯而导致的前缘反弯形态,并有效降低总压损失,进一步提高失速裕度。通过调节进口预旋,动叶的逆压梯度降低,效率得到较大幅度的提升。此时静叶将承担更多的静压升,可以通过叠加应用附面层抽吸技术来保证静叶的正常工作。在正弯曲造型的静叶栅中叠加应用仅在吸力面角区抽吸的主动流动控制结构,在负攻角的来流条件下,分离流动控制效果相对不明显。

高负荷压气机首级可调静叶进口气流参数测试误差分析

为获取高负荷五级压气机试验环境下进口侧单级压气机和出口侧四级压气机各自性能,需在首级可调静叶上布置叶型探针进行级间气流参数测量。对叶型探针的气流状态进行了预估,并在叶型探针校准特性分析基础上定量分析了首级可调静叶进口气流总压和总温测试误差及两者分别对进口侧单级压气机和出口侧四级压气机性能测试精度的影响。研究表明:随着转速降低,叶型探针气流偏角逐渐超出其不敏感角范围,气流总压测试误差显著增大,严重影响进口侧单级压气机和出口侧四级压气机性能评定,但气流总温测试误差随转速变化较小;与出口侧四级压气机相比,进口侧单级压气机压比低、温升小,进出口气流总温和总压测试误差对其等熵效率的影响更加敏感。

先进高负荷压气机气动设计技术综述

燃气轮机作为天然气集中式发电、分布式发电以及基于天然气的多能互补系统的核心动力设备,其对于能源电力行业有着重要意义。压气机作为燃气轮机的三大主要部件之一,其性能和可靠性直接决定燃气轮机能否安全高效运行。从气动设计体系和叶片设计技术两方面对压气机气动设计技术的进展和现状进行综述研究。在气动设计体系方面,已经从基于二维通流设计的准三维设计体系发展到目前三维计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术与通流相结合的三维气动设计体系。在叶片设计方面,从传统的系列叶型和二维叶型优化发展到了全三维叶片和端壁造型技术。研究还指出,各三维设计元素对多级压气机内部三维流场的影响是非线性的,压气机三维优化设计应当考虑全局,通过迭代过程获得各三维设计元素的最佳组合,从而提高压气机的效率和裕度。

自适应康达喷气控制在高负荷压气机中的试验研究

未来航空发动机的发展要求其压缩系统级负荷不断增大,由此将使得压气机内部出现较强的角区分离、附面层流动分离等二次流。提出了一种新型的自适应康达喷气流动控制(ACJC)方法,更加智能且高效地抑制压气机内部流动分离并提升压气机的扩压能力,进而拓宽高负荷压气机稳定、高效运行范围。为构建自适应康达喷气流动控制系统并在高负荷压气机上验证其控制效果,首先,选取了扩压因子为0.66的压气机静叶叶栅为研究对象,并优化设计了单缝康达喷气静叶叶栅;然后,基于数值计算结果采用方差分析法、主成分分析法和神经网络算法建立了单缝康达喷气静叶叶栅来流攻角预测模型和最佳喷气量预测模型;最后,搭建了基于自适应康达喷气流动控制系统的试验平台,验证了其对高负荷叶栅流动分离控制的有效性和准确性。试验结果表明:在不同攻角和不同来流马赫数条件下,自适应康达喷气流动控制系统能够实时准确地预测来流攻角,并瞬间做出喷气量实时调节与反馈。此外,在5°来流攻角下,当来流马赫数为0.4、0.5和0.6时,相比于无康达喷气叶栅,康达喷气的引入使得总压损失系数分别降低了11.5%、9.8%和8.0%。

基于油流图谱的高负荷压气机叶栅叶顶涡系研究

对某高负荷扩压叶栅的叶顶间隙流动进行不同来流攻角和马赫数下的油流实验以及数值模拟,通过对油流图谱进行拓扑分析,同时辅以数值模拟结果,从近壁面和流场空间共同对叶顶区域的涡系结构及其随负荷变化的规律进行了研究。结果显示,高负荷压气机扩压叶栅叶顶区域存在6个关键的涡结构:叶尖泄漏涡、叶顶分离涡、叶尖二次涡、马蹄涡、通道涡和诱导涡;来流攻角的增加会导致叶片负荷增大以及负荷分布变化,引起最大压差位置提前,导致泄漏提前发生,对流场涡系结构影响较为明显;而来流马赫数的变化对涡系结构的影响较小。

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。

高负荷压气机气动设计的思考

先进航空发动机性能提升的需求促使压气机气动设计向着高负荷方向发展,但高负荷气动设计也带来了综合性能权衡、气动/几何参数选取的技术挑战。随着对高负荷条件下压气机内部流动机理的深入认识,新的设计理念和流动控制方法逐步得到验证和应用。

采用复杂三维气动布局的高负荷压气机气动设计研究

通过数值模拟,采用融合多种流动控制手段的三维气动布局设计方法,设计了一对单级高负荷轴流压气机进行对比研究。研究结果表明:从传统压气机设计角度出发,采用复杂的三维气动布局设计方法,设计所得的压气机性能仍具备较大的提升空间。而将压气机内的设计矛盾重新分配,以最大程度地利用流动控制技术,可以显著提升压气机在设计点的气动性能,并明显拓宽压气机的稳定工作范围。

附面层吸除对带间隙的高负荷压气机叶栅流动特性影响的实验研究

将附面层吸除技术应用于带间隙的高负荷压气机叶栅中,并在低速平面叶栅风洞里,实验研究了附面层吸除对带间隙的高负荷压气机叶栅流动特性的影响。实验采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面参数,得到了该截面的二次流速度矢量分布,并对叶栅壁面进行了墨迹流动显示。结果表明,采用恰当的附面层吸除设置可以大幅改善流动,降低损失;在吸力面附近和间隙内采用附面层吸除(本文的方案1、2和4)都将削弱间隙泄漏流动的动能,从而影响吸力面再附线和端壁分离线的长度和位置,达到对相应区域三维流动分离的控制,并大幅降低总损失,其中方案1的损失下降达到20.8%。

高负荷氦气压气机的气体流动特点与改型设计

从氦气工质的特点入手,分析了氦气压气机设计参数选取区别于以空气为工质的压气机的特殊之处,重点分析了提高氦气压气机负荷的参数选择特点。由于氦气热物性与空气差别较大,气流经过压气机时的马赫数通常较低,造成单级压比较低,所以,氦气压气机的通流尺寸通常变化较小。为了提高单级负荷,减少压气机级数,需提高各级反动度。本文以多级氦气压气机为例,通过数值模拟分析了该压气机的三维流动特点,并进行了改型设计。

基于合成射流控制技术的高负荷压气机叶栅流动特性研究

数值研究了合成射流控制高负荷压气机叶栅非定常流动分离的效果及机理。结果表明,激励频率、幅值是影响合成射流控制效果的重要参数,当激励频率为最优值、幅值大于某一阈值时,叶栅时均总压损失系数最大降低40.3%,静压升系数提高12.1%。合成射流的动量注入显著增大了激励缝下游流场的湍流剪切应力,使得剪切层内的速度脉动增强,在宏观上表现为近壁区域与主流流体间的动量交换得到加强,这是非定常流动分离得到抑制的主要原因。