高负荷多级轴流压气机数值仿真的转静交界面模型研究

针对总压比20以上的某10级轴流压气机,使用一维无反射和通量守恒两类转静交界面模型进行单通道定常数值仿真,并与试验结果对比,从交界面的守恒和无反射两方面特性分析对计算结果的影响及其机理。结果表明:一维无反射交界面可有效消除激波反射,但无法保证交界面守恒性;对于本文研究对象,设计点流量、峰值效率和最高压比分别偏高5%、2.6%和4%;转静交界面通量不守恒导致的误差,会随着级数增加而累加。通量守恒交界面虽然存在激波反射等误差,但仍可求出与试验形状接近的性能曲线,除流量偏高3%,其余主要指标均与试验吻合。因此,计算中需综合考虑压气机的级数、负荷水平和反动度、叶尖间隙、激波的形状和强度、超跨音叶片前缘与交界面的距离,以选择合适的交界面模型。

多级高负荷轴流压气机喘振特征分析

针对某十级高负荷轴流压气机,在第一级和第九级机匣壁面上布置动态压力传感器,通过减小排气阀门开度的方式进行逼喘试验,获得了不同转速下多级高负荷轴流压气机喘振时的动态压力数据,采用时序、FFT结合滤波分析方法研究了多级高负荷轴流压气机在不同转速下的喘振特征。结果表明:在高转速下,该压气机喘振模式为深度喘振,喘振引起的高温气体倒流使得入口总温瞬时升高约80 K,喘振由出口级的模态波扰动导致流动堵塞引起,模态波频率约为16%~20%转频,喘振时入口级工作于压升特性增长阶段而出口级工作于压升特性顶点位置;在低转速下,该压气机喘振模式为经典喘振,未发生气体倒流,喘振主要由尖脉冲扰动引起,压气机前后级工作于特性线的增长阶段。高转速喘振恢复阶段,伴随着明显的旋转失速和喘振特征,而低转速下在喘振的第一个周期内以喘振特征为主,之后喘振频率的幅值波动迅速减小,旋转失速频率的幅值逐渐增加并占主导。高转速下喘振恢复时间约4.1 s,而低转速下喘振恢复的时间为0.56 s。

叶顶间隙对多级轴流压气机性能退化的影响

以某F级燃机压气机为研究对象,考虑燃机实际运行过程中腐蚀和磨损作用导致的压气机叶顶间隙变化,通过三维数值模拟方法开展了不同腐蚀/磨损状态下多级轴流压气机的性能退化机理研究,分析了叶顶间隙变化对多级轴流压气机性能的影响规律。结果表明:叶顶间隙增大会导致压气机特性曲线整体向质量流量减小的方向偏移,使得压气机的质量流量、效率及压比均产生一定程度的衰退;随着叶顶间隙的增大,压气机峰值效率逐渐降低,喘振裕度明显降低;叶顶间隙增大会导致压气机通道内的流动分离加剧,动叶叶顶间隙变化对压气机流动分离的影响更严重;静叶吸力面尾缘附近的流动分离导致形成低马赫数区,同时逆流的低速涡团导致叶根附近的损失显著增大,造成压气机性能衰退。

引气量对多级轴流压气机性能影响的数值研究

以NASA 74A压气机前3.5级为研究对象,利用源项法探究级间引气量变化对压气机总体性能和内部流动的影响。结果表明:引气量越大压气机总体特性变化越显著,10%引气量下压气机流量范围拓宽25.72%,相比于未引气的压气机最高效率点效率增加5.6%,压比增加2.76%,而引气后进口气流冲角减小以及叶背处流动分离减弱所带来的气体流通量的增加是效率提升的主要原因;引气使得压气机稳定裕度升高,当最佳引气量8%时其稳定裕度增大21.80%;引气提高了压气机进口流量,但两者变化量不完全一致,在最高效率点处引气,引气量与进口质量流量增加量基本相等,然而,当低于最高效率点流量时,小流量点的增加量大于引气量,而大流量点则相反,这决定了出口流量的增减,影响了压气机总压比;引气对于气流周向角度影响更大,对径向角度的影响主要集中于引气位置附近。

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%。

高负荷多级轴流压气机级间引气数值模拟

采用数值模拟的方法,以一台高负荷8级轴流压气机为研究对象,研究了级间引气对压气机总体性能、内部流场和级间匹配特性的影响.结果表明:级间引气可以显著提高压气机的总体性能,引气使得压气机进口流量增加近1%,最高效率提高约1.5%;引气会使引气位置处的压力降低,气流密度减小,从而使得引气位置上游的流量增加,转子最大载荷位置向下游移动,引气位置下游的流量减小,而转子最大负荷位置基本保持不变;引气还会使引气位置上下游各级的工作点位置发生变化,改变压气机的级间匹配特性.同时静子尾部机匣处引气还会使引气位置下游机匣处的附面层厚度减小,改变下游转子的进口条件.

工业燃机轴流压气机级间引气结构的压损特性

为研究级间引气结构的压损特性,为工业燃机中的相关结构设计提供参考,采用仿真手段对真实的工业燃气轮机多级轴流压气机的级间引气结构进行数值研究,计算域涵盖压气机的多个主流通道和旁路的引气槽道、腔室、管路。结果表明:小引气率下,引气口的气流滞止和折转所导致的压力损失占总损失的五成以上;大引气率下,引气腔室内的流动掺混和引气支管口的流动分离所导致的压力损失占总损失的七成以上。不同区域的流动损失受引气率、引气管路的雷诺数、引气腔室的水力直径影响。下一步可以通过神经网络的方法训练得到零维的级间引气模型,用于进一步的性能评估。

多级低反动度高负荷轴流压气机及其内部流动机理研究

本文提出了亚音速多级低反动度高负荷轴流压气机的设计概念,并对其可行性进行了理论分析。应用此设计概念,结合附面层抽吸技术,将某11级轴流压气机改为7级,并对具有典型流动特征的末两级进行了详细的数值模拟。数值模拟结果表明多级低反动度高负荷轴流压气机的设计概念是可行的。

轴流压气机可调静子叶片间隙泄漏流数值模拟

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。

可调静叶角度精度对多级压气机气动性能的影响

为了获得可调静叶的角度精度对多级压气机的气动性影响情况,对某11级高压压气机的S1、R2和S2共三排叶片开展了全三维数值模拟研究,通过调整S1静叶开、关角度值分析可调静叶角度偏差的量化影响。研究结果表明:可调静叶调节精度越高,则压气机越匹配设计点工况,气动性能则越好;可调静叶角度精度为±1°时对压气机的效率影响不大;但可调静叶角度精度在关闭3°时,效率损失最大达0.31%,静叶根部压力面流动分离明显增大。

雷诺数对高负荷轴流压气机性能及稳定性影响的试验研究

试验研究了雷诺数对多级高负荷轴流压气机性能的影响,获取了该型压气机在不同雷诺数条件下性能和稳定性的衰退情况,并用试验结果对Wassell的雷诺数对压气机性能影响修正方法进行了对比验证。结果表明,雷诺数对该型压气机性能的影响随压气机工作工况变化而有所不同,在设计转速同一单位功率下,雷诺数由4.7×10^(5)降低至1.6×10^(5)时,流量减小了5.6%,效率降低了3.8%,压比减小了4.8%,综合裕度衰减了5.0%。Wassell方法给出的雷诺数对压气机流量、效率和喘点压比各参数的经验计算方法趋势正确,然而由于缺乏相关系数和参考值,需要结合低雷诺数试验结果方可进行。雷诺数对压气机喘振过程有所影响,相较于常规雷诺数工况,低雷诺数条件下喘振后各参数无论是变化量还是退出喘振恢复正常所用时间均有较大差异,且进口容腔效应对压气机进口压力变化的影响更为明显,从而导致低雷诺数条件下试验退喘风险增加。

交替静叶布局对轴流压气机气动稳定性的影响

为揭示交替静叶布局控制角区分离的流动机理,提升压气机性能,实现压气机的扩稳,采用了数值模拟方法对某高负荷跨声速压气机展开交替静叶设计研究。通过改变静叶叶尖进口几何角,调整叶片的布局方式,得到一种改叶型弯角交替静叶,在此基础上结合叶片弦长进一步优化,得到另一种改弦长交替静叶。数值研究表明:改叶型弯角交替静叶布局压气机的稳定裕度相对原型提升了34.7%,改弦长交替静叶使改叶型弯角交替静叶的压气机稳定性进一步提高,但会造成压比和效率的小幅下降,即以损失部分性能的代价换取了压气机稳定性的提升,改弦长交替静叶压气机在前者基础上将稳定裕度进一步提升了9.7%。新型的静叶布局使得相邻流道的流场结构产生差异,在周向上形成上、下角区分离交替分布的格局,促进了相邻流道出口流体的汇聚。叶型弯角的改变使角区低能流体区引入了更多高能流体,抑制了低能流体在角区堆积,提升了静叶的扩压能力。而弦长改变的同时增加了叶片前掠,阻隔了部分气流,实现了气流的重新分配,一定程度上平衡了两侧气流流量的不均匀性,从而改善了该压气机的气动稳定性。

轴流压气机可调进口导叶叶顶间隙的数值仿真

为了研究分布式能源燃气轮机可调进口导叶的叶顶间隙,以某型燃气轮机跨音速级的轴流压气机为研究对象,采用NUMECA软件对可调进口导叶的不同叶顶间隙方案进行了数值模拟,分析了可调进口导叶叶顶间隙的仿真方法,以及对压气机跨音速级性能的影响。结果表明:若忽略可调进口导叶的部分间隙,将减小压气机的堵塞流量,增大高负荷工况的效率;部分间隙的泄漏流增加了可调进口导叶叶顶区域的总压损失,增大了下游动叶的入口冲角,并改变了近堵塞工况时下游动叶内的激波结构。建议在三维仿真时,不可忽略可调进口导叶的部分间隙结构。

轴流压气机叶尖三维非定常流动的本征正交分解

为进一步认识跨声速轴流压气机叶尖流场的非定常流动特征,文章针对NASA Rotor 35的非定常数值计算结果,通过本征正交分解法(Proper Orthogonal Composition,POD)对近失速工况下的叶尖非定常流动进行分析。结果表明:本征正交分解法可以将叶尖非定常流动按能量高低进行模态分解。并通过分析各模态系数频谱特性,捕捉到了叶尖流场非定常流动的波动频率及对应模态在叶片前缘沿周向移动的大尺度扰动结构。该方法使用叶尖流场波动频率对应模态进行流场重构,揭示了流场非稳定流动的特征结构。

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。

多级轴流压气机末级串列静子三维优化设计与分析

为充分挖掘串列叶片对压气机扩稳增效的潜能,在对多级轴流压气机末级静子串列改型的基础上,选取不同叶高处前后排叶片相对位置、负载分配、弯掠特征及端壁轮廓等25个参数为设计变量,开展某工业用6.5级轴流压气机末级串列静子叶片与端壁的一体化优化设计研究,并采用随机森林方法对串列叶片几何参数进行特征重要性分析,提炼出串列参数设计指导。结果表明:优化后压气机末级在设计工况、近喘工况和近堵工况下的绝热效率分别提升4.81%、3.37%和8.195%;对于末级串列静子,最优串列参数随叶高变化而变化;调整前后叶片的弦长比与弯角比以实现串列叶片负荷前加载、调整叶片后掠与反弯以降低叶片端壁处负荷、设置叶中部分更大的周向交错度使缝隙区流体充分加速,均能有效降低末级串列叶片流动损失;串列叶片缝隙区尺寸,尤其是周向交错度,较其他参数对串列叶片性能的影响更为显著。研究成果应对压气机三维串列叶片设计具有参考价值。

多级轴流压气机级间引气的仿真方法

为了论证采用直接网格划分法或者源项法对级间引气技术进行数值研究的可行性,本文对比了2种不同的三维仿真方法。利用直接网格划分法对引气腔室进行简化,再通过对引气腔室网格划分将引气效果施加于压气机的主流道;源项法则省略了引气的二次通道,赋予引气口一定的引气流量。研究结果表明:由于计算原理的限制,源项法对引气口的模拟失真,无法预测出不均匀的引气效果和局部溢流。同时,源项法导致引气口上游的流量系数增大,造成了上游静叶的落后角减小,甚至于过偏转。由于上游静叶的过滤作用,源项法的流向影响范围有限,如若不是要对引气口上游的局部流场进行研究,源项法足以支撑级间引气对压气机总体特性的影响分析。

重燃多级轴流压气机级间引气方式对流场影响的数值研究

本文以某重型燃气轮机多级轴流压气机的3.5级作为研究对象,对源项及周向槽引气方式下的压气机性能和局部流场进行了数值研究。结果表明:两种引气方式计算得到的主流性能参数在大部分工况下都具有较好的一致性,级数越多两者计算结果的误差越小;两种引气方式对70%叶高以上主流流场的预测偏差较大,相对而言,周向槽引气的预测结果更合理;大部分工况下,主流流场参数对引气角度并不敏感,引气对主流的影响只存在于下游,难以向上游传递。

级间引气对多级轴流压气机性能的影响

为了验证多级轴流压气机级间引气对其性能的影响,建立了在设计过程中优化改进级间引气的依据,基于数值模拟和试验的方法,研究了级间引气对某总压比20以上的10级轴流压气机总性能和匹配特性的影响。结果表明:引气对压气机各级的单级特性影响较小,但改变了压气机进口总流量和引气上下游的流量分配及级间匹配,进而影响了压气机的总性能。在多级轴流压气机设计转速状态下,前面级处于流量堵塞工况,与第7级引气相比,第4级引气可显著增大压气机的流量,改变压气机匹配特性,引气位置越远离压气机进口对总流量的影响越小。试验结果表明:第4级引气增加或者减少2%,总流量相应增加0.8%或者减少1.3%。相比第4级增加引气,第4级减少引气对压气机性能影响更为显著。试验得到的引气对压气机总性能、各级工作点匹配影响与数值模拟的一致。

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。