45°周向压力畸变对轴流压气机影响的实验研究和机理分析

设计了一种45°周向压力畸变模拟发生器,并在某高速轴流压气机实验台进行了实验研究.在中等转速下,详细研究了45°周向压力畸变对该轴流压气机级的转子的性能影响,以及整个轴流压气机级(转子进口、转子出口和静子出口)的压力周向分布.研究结果表明,在中等转速下,畸变区的范围在转子出口转移和扩大并不明显,但是在静子出口扩大了近100%;在转子出口畸变强度明显增强,而在静子出口强度衰减;与均匀进气的情况相比,压气机转子压比提高了1.8%,近失速点换算质量流量减小了2.5%.

构成轴流压气机出口不稳定的主要影响因素

为探讨构成转子出口不稳定性的主要影响因素 ,借助三维N S方程数值求解轴流压气机孤立转子流场 ,计算了转子出口沿主流方向的不稳定参数并与实验结果加以对比 ,两者吻合较好。计算结果分析表明 :转子下游的不稳定性主要由紊流脉动动能和尾迹亏损构成 ,且前者占主要成分。采用双方程紊流模型的三维N S方程求解结果 ,可以有效地模拟转子出口不稳定参数沿径向的分布 ,对进一步深入探索转子出口流动的非定常效应具有重要的理论意义和工程实用价值。

45°周向压力畸变对轴流压气机流动影响的试验研究

借助于某高速轴流压气机试验台,研究了45°周向总压畸变对轴流压气机转子绝对流动角的影响,初步探索了周向压力畸变引起的转子进口/出口绝对流动角变化的规律。结果表明,在45°周向总压畸变情况下,压气机转子的进口绝对流动角在周向受到影响的范围大约为90°(即畸变扰动区),转子出口的气流绝对流动角的畸变扰动区沿着周向大约为75°。气流绝对流动角在沿转动方向进入畸变扰动区时开始增加,在畸变网边缘达到正向最大值(与转动方向同为正);然后逐渐减小,在跨出畸变网的边缘得到负的最大值;随后又慢慢增加,跨出畸变扰动区。并且,随着换算质量流量的减少,转子进口绝对流动角变化不明显,而转子出口的绝对流动角则明显增加。

基于压力信号分析的轴流式压气机失速预测

为了得到压气机工作状态的稳定观测点,并建立压气机近喘失速工作状态与压气机压力信号的相关关系,本文针对低速双级轴流式压气机,分别进行了均匀进气及畸变进气条件下不同转速的近喘失速试验,实时动态测量标定压气机由正常工作到失速工况下压力信号,并在时域内提出了一种基于自相关系数的压气机失速预测算法,对进口、出口以及压气机首级转子叶尖位置压力信号预测分析。结果表明所提出的预测算法具有良好的失速预测能力,且发现叶尖处离叶片前缘20%的位置,最适宜作为压气机失速预测的观测点,此时压气机叶尖压力自相关性数据与压气机喘振裕度具有明显的单调相关性。

高压比单级轴流压气机转子叶尖壁面动态压力测量与分析

本文着重介绍了应用高频响测试系统测量壁面瞬态静压分布的方法。通过对测试系统的选择,保证测量方法和测试精度,并对传感器及测试系统逐一进行静态校准。试验使用Kulite微型压力传感器测量单级风扇转子叶尖壁面处在(?)=0.87、0.90、0.95、1.0各状态下的压力分布情况,通过事后数据计算及处理,分析了激波位置以及当转速和气流发生改变时,叶片槽道内气体流动的变化状况,绘成瞬态静压的彩色等压线图,直观地反映出了激波的分布及气体流动情况。综合设计状态理论计算及数据分析结果,证明激波位置的测试是成功的。

跨声轴流压气机弯曲静叶出口三维流场测量

利用小型五孔探针测量了不同工况下单级跨声轴流压气机弯曲静叶出口三维流场。结果表明,静子出口有明显的尾迹特性,其对后排叶片的影响不容忽视。静叶角度调节对静子叶片出口气流角及尾迹形状有较大的影响。弯曲叶片对端壁角区低能流体具有径向迁徙作用,有利于提高压气机扩压能力。叶尖、叶根及静叶吸力面侧尾迹区,是高阻滞、高损失、高涡量区。径向速度在叶根及叶尖呈现较大的周向不均匀度,切向速度、轴向速度在叶根也存在较大的周向不均匀度。

对轴流压气机脉动压力信号的分析

目前航空界研究领域中,压气机稳定性分析是一大热点。研究的难点就是压气机的失稳形式,即失速与喘振研究。对轴流压气机脉动压力信号的分析可以更好地动态认识压气机失稳过程,进一步对轴流压气机机理性进行研究。对压气机失稳进行初始扰动识别,从而进行主动控制。

单级大小叶片轴流压气机流动分析

采用三维数值模拟手段,对低速大小叶片轴流压气机内的流动进行了分析。结果表明压气机内存在强烈的非定常流动;小叶片将大叶片通道分成的两个通道具有不同的流量和负荷,通道之间的负荷分配对于流动的非定常性会产生较大影响;小叶片的存在重新建立了大叶片通道内的压力平衡,起到了控制大叶片表面的流动和压力分布的效果。

轴流压气机转子叶尖二次涡的试验验证及形成机理

对轴流压气机转子机匣壁面静压进行动态测量,采用小波分析方法处理近失速工况动态压力测量信号,功率谱显示在与二次涡相近的频率上存在较高的能量带,能量峰值沿轴向的衰减与二次涡的变化规律相符,表明二次涡在流场中存在是可能的。针对相同转子进行全通道非定常数值模拟,计算结果表明,近失速工况下,转子圆周每个通道叶顶附近均存在规律一致的二次涡运动。叶片中后段间隙泄漏流与间隙泄漏涡破碎产生的低能流体相互作用,在泄漏涡破碎形成的堵塞区域中形成二次涡。二次涡运动使得近叶顶载荷分布发生变化,从而导致近叶顶流场出现了一种周期性的自维持的非定常流动现象。

一种测量跨声速多级压气机转子出口二维流场的方法

为了获得小型压气机设计所急需的关键流场信息,发展了一种基于圆柱单孔高频压力探针测量小型轴流压气机级间动态流场的测量方法。该探针测量原理基于圆柱绕流特性,借助高速锁相采集技术,利用旋转探针多角度法实现级间动态流场测量。采用插值和拟合对测量的数据进行处理,从而获得级间二维定常流场。误差分析表明,该探针测量精度较高,偏转角误差小于1.8°,马赫数、总压和静压的极限误差分别为3.4%,0.94%和3%。将该高频探针应用于某小型跨声速3级轴流压气机,测量结果表明:85%叶高至机匣范围内,总压和马赫数明显要比叶根低得多,气流出现明显过转。这些测量结果为优化该压气机级间匹配指明了方向,验证了该高频压力探针测试技术的工程应用价值。

轴流压气机转子叶片表面静压分布实验

在低速轴流压气机转子叶片吸力面50%叶高沿轴向埋入5个Kulite动态压力传感器,并采用固定在压气机转轴上一种新型可存储的数据采集器记录数据,对近设计点和2 kr/min转速不同流量工况条件下转子叶片表面静压进行了实验测量,并与CFD数值模拟结果进行了对比。结果表明,除近失速点外,叶片表面静压实验测量值与计算结果吻合较好,说明所采用的的测量方法是成功的,测量结果是可靠的;在近失速工况,实验值与计算结果差值较大,主要是由试验台振动所引起的实验误差和CFD数值计算对近失速点工况流场模拟得不够准确所导致的。

从端壁动态压力场看压气机转子尖区流动

用高频压力传感器测量了低速单级压气机转子叶尖动态压力场。结果表明，转子叶背附面层径向潜流使得叶背附近存在一个高压带。叶背角区和叶盆角区的气流交混造成通道中部具有甚至不低于叶盆处的高压力。两个高压区都随流量的减小而扩大，并随流向逐渐融合，反映了叶背附面层径向潜流和中部气流交温的发展。设计状态下，泄漏涡是造成转子叶尖压力脉动的主要因素，形成的高水平压力脉动区随流向呈喇叭形逐渐扩大，约在一半弦长处脉动最强。近失速状态下，叶背前部角区中强叶面附面层潜流及与强泄漏流和端壁附面层的交混造成大范围的强压力脉动区，局部扩展到整个通道，通道中部叶背附面层很有可能发生分离。

处理机匣结构对某型跨声速轴流压气机畸变响应特性影响

基于机匣处理下的跨声速轴流压气机叶排实验特性,应用畸变传递的矩阵分析模型,对叶尖处理机匣结构容总压畸变特性进行了详细分析,初步建立了几种处理机匣结构对总压畸变及其沿轴流压气机叶排衰减特性影响规律。计算结果表明,处理机匣虽能有效提高了转子叶排抗总压畸变能力,但不同结构处理机匣下静子叶排抗畸变特性存在明显差异,这对设计合理的扩大轴流压气机稳定裕度处理机匣结构尤为重要。

带周向槽叶尖处理机匣轴流压气机容总压畸变特性

基于叶尖处理机匣轴流压气机叶排实验特性,应用畸变传递的矩阵分析模型,对轴流压气机叶尖处理机匣容总压畸变特性进行了详细分析,并建立了处理机匣对总压畸变及其沿轴流压气机叶排衰减特性影响规律。计算结果表明,叶尖处理机匣虽能有效提高转子叶排抗总压畸变能力,但对其后的静子叶排抗畸变产生了明显不利影响,这对设计合理的扩大轴流压气机稳定裕度处理机匣结构尤为重要。

单级轴流大小叶片压气机非定常流场数值研究

通过数值模拟方法对单级轴流大小叶片压气机与常规叶栅压气机的非定常压力场进行分析与对比,结果表明:由于小叶片的分隔效应,使得转子通道的非定常压力和单叶片非定常负荷脉动大大增强,并促进了压力波向上游的传播;但转、静子单元的整体扭矩和轴向力脉动降低;绝对坐标系下转子入口处的压力波动是转子势扰动、动静干扰产生的压力波和此波在周向的不均匀性的综合作用,不同的入口周向位置,压力波的幅值相位存在较大差别,小叶片的存在强化了这种差别。

轴流压气机对周向总压畸变非定常响应的数值模拟

基于给定的进气周向总压畸变谱,应用非定常三维时间精确数值计算的方法,研究了NWPU-1轴流压气机转子对周向总压畸变的响应,初步揭示了其在进气周向总压畸变条件下的失速机理.结果表明,在84%设计转速,进气周向总压畸变使转子性能明显下降,其失速点流量增加了4.1%,效率下降了0.5%.进气周向总压畸变引起侧流,导致叶片负荷的变化,部分叶片的负荷过重,叶顶间隙泄漏涡几乎堵塞了整个通道,某些叶片的前缘出现溢流,最终导致压气机转子失速.

带导流叶排的轴流压气机级叶尖处理机匣容畸变特性

基于叶尖处理机匣轴流压气机叶排实验特性,应用畸变传递的矩阵分析模型,分析了进口导流叶排对叶尖处理机匣结构容总压畸变特性影响,初步建立了在进口导流叶排下几种处理机匣结构对总压畸变及其沿轴流压气机叶排衰减特性影响规律。计算结果表明,叶尖处理机匣虽均能有效提高压气机级的稳定工作范围,但削弱了转子叶排和静子叶排的抗总压畸变能力,这对设计合理的扩大轴流压气机稳定裕度处理机匣结构尤为重要。

周向总压畸变在轴流压气机中的传递特性分析

基于轴流压气机叶排特性,建立了一种预测周向总压畸变沿轴流压气机传递的矩阵分析模型,应用于某一单级压气机,对其进口总压畸变传递特性进行了详细的数值分析,给出了对发动机稳定性分析中影响较大的总压、总温及气流角的周向分布。计算结果与实验结果比较表明,本模型和采用的方法合理,可行。

进口导流叶排对轴流压气机级畸变响应特性影响

基于轴流压气机叶片排实验特性,应用畸变传递的矩阵分析模型,对带有进口导流叶片排的轴流压气机级容总压畸变特性进行了详细分析,初步建立了进口导流叶片排对总压畸变及其沿轴流压气机叶片排衰减特性影响规律。计算结果表明,与无导流叶片排相比,带有进口导流叶片排的轴流压气机级具有更强的总压畸变、总温畸变和静压畸变衰减能力,有利于提高轴流压气机稳定工作范围。

轴流式压气机旋转失速信号的早期检测

早期检测航空发动机压气机旋转失速信号对于设计一种高效的防喘、消喘控制系统具有重要意义。通过对压气机旋转失速形成、发展、退出过程中压力信号频谱演化特性的分析,提出了一种基于FFT的压气机旋转失速信号检测判据。对某轴流式压气机压力测量信号的分析结果表明,该判据是准确、可靠和快速的,可以用于旋转失速信号的早期检测。