转子叶顶间隙值及改型对压气机性能影响的数值模拟

为了分析转子叶顶间隙值和改型对压气机性能的影响,以典型轴流跨声速压气机NASA stage 35为对象,对不同叶顶间隙值的压气机进行数值模拟。结果表明:叶顶间隙增大并且泄漏流强度提高,会导致脱体激波位置前移,转子吸力面激波作用位置后移,前缘溢流现象减弱,叶尖泄漏涡与激波作用增强,间隙区域涡量增加,靠近前缘的涡核向下游移动,但附面层与激波之间的作用减弱;不同叶顶间隙值的压气机失速机制不同,在小间隙下压气机失速是由叶尖泄漏涡和转子吸力面附面层分离共同作用引起的,在大间隙下压气机失速是由叶尖泄漏涡引起的;在研究的变化范围内,叶顶间隙值为0.50τ时,压气机性能最好,峰值效率和稳定裕度分别提高了0.16%和2.39%;将最优间隙改型成平行扩张式和正弦波间隙后,压气机性能提高,脱体激波后移,叶尖泄漏涡与激波作用程度减弱,转子吸力面附面层分离减弱,改型间隙能够减少叶片制作材料,减轻发动机质量。

叶尖间隙效应对跨声速压气机性能影响的研究

为了研究叶尖间隙效应对跨声速转子性能的影响机制,以一跨声速级轴流压气机为对象,采用商用软件NUMECA进行三维定常数值求解。结果表明:随着叶尖间隙的增加,峰值效率下降,堵塞流量减小,当叶尖间隙大于0.5τ(τ代表设计间隙)时,峰值效率敏感度曲线与叶尖间隙呈线性关系;综合考虑喘振裕度和峰值效率,该压气机存在最佳叶尖间隙0.5τ,此时的峰值效率和喘振裕度较设计间隙下分别提高约0.22%和3.1%。根据流动特点的不同可以将整个叶尖弦长范围内的叶尖泄漏流分为三个部分,分别为主泄漏区、二次泄漏区和普通泄漏区,且每个泄漏区在叶尖流动结构中的作用各不相同。不同叶尖间隙下压气机的失速过程的主导因素会发生改变。

机匣处理对离心压气机激波与泄漏涡干涉的影响

跨声速离心压气机间隙泄漏涡与激波相互干涉对压气机性能有重要影响.采用CFD方法对设计的跨声速离心压气机进行数值模拟,分析了激波与间隙泄漏涡的相互作用,研究了自循环机匣处理开缝位置对激波/间隙泄漏涡干涉的影响.结果表明:导风轮叶尖泄漏涡与激波干涉是压气机失速的重要诱因;机匣处理开缝位于分流叶片附近可扩大堵塞流量,开缝位于主叶片前缘附近可改善小流量时压气机特性;较大气体回流量可增加叶轮进口轮缘附近气流的正预旋,降低叶轮进口相对马赫数,减弱流道激波和叶尖泄漏涡;流经机匣处理槽的气流量较小时,具有微喷气或吸气效应,能抑制间隙泄漏涡,推迟压气机失稳.

跨音速轴流风扇转子叶顶泄漏流的数值研究

采用数值模拟方法研究了不同间隙、不同流量工况下叶顶泄漏流非定常流动特征,发现在研究的三个间隙中,只有当间隙大于或等于设计间隙时,流动才会出现非定常性。随着流量的减小,泄漏涡轨迹前移,当泄漏涡轨迹到达相邻叶片压力面时,影响压力面压力分布,打破流场静态平衡,引起叶顶流场及激波位置、强度发生非定常波动。

间隙流动对低反动度跨声速转子气动性能影响

为探究叶顶泄漏流动对小展弦比高负荷跨声速转子气动性能的影响,利用数值模拟的手段,对不同尺度叶顶间隙下低反动度转子的全工况特性以及叶顶区域的流场结构进行了详细分析。研究结果表明,无叶顶间隙条件下,转子峰值效率最高,但其工作范围较窄;叶顶泄漏流动可在一定程度上抑制角区分离流动在流道内部的发展,延缓失速的触发,转子喘振裕度提升20%以上;较大尺度叶顶间隙下,波涡干涉导致叶顶泄漏涡破碎,但采用低反动度设计理念可控制破碎的泄漏涡在流道内部不发生大尺度的扩散,从而进一步地保证了转子在近失速点处仍具有较高的效率;综合考虑多方面气动性能要求,对于此类转子应存在最佳的叶顶间隙值。

叶顶间隙对高压比离心压气机性能的影响机理

为了研究高压比离心压气机叶顶间隙流动损失的产生机理,建立了18个不同叶顶间隙的压气机叶轮模型,采用数值方法对其进行流场求解计算,对比分析有叶顶间隙与无叶顶间隙下压气机叶轮流道内的流场特性,进行不同叶顶间隙下叶轮流动的对比研究.结果表明:在设计转速与流量下,等熵效率与压比随叶顶间隙比率的增加而近似线性减小;叶轮流道内产生的泄漏涡与主叶片前缘激波相互作用造成有叶顶间隙下的流动损失,高速流体与机匣壁面作用产生的壁面涡与主、辅叶片前缘的激波共同造成了无叶顶间隙下的流动损失;随着叶顶间隙的不断增加,泄漏涡与激波相互作用产生的影响力不断向下游移动,导致压气机性能的不断降低.

压气机模化中叶顶间隙对气动性能影响的数值研究

为了研究压气机相似模化过程中叶顶间隙对性能的影响规律,以某燃机压气机前1.5级为对象,采用数值模拟方法,研究了不同缩尺比例压气机的性能变化规律及机理。结果表明:缩尺模化时若保持叶顶间隙尺寸不变,则压气机模型机性能会下降,导致换算的原型机峰值多变效率下降约1.4%~3.38%,压比下降约0.88%~3.17%;叶顶间隙对流场相似性影响主要集中在叶片顶部流道区域,造成该区域流动不满足相似条件。分析流场发现,随着缩尺模化比例增加,叶顶间隙相对泄漏流量增加,叶顶流道内低速区范围扩大,泄漏涡在径向的影响范围和强度也增加,这是导致缩尺模化后流动堵塞程度加重、性能下降的主要原因,增加缩尺模化比例还会加剧叶顶泄漏流对激波的削弱。

涡轮增压器喷嘴叶栅的流动特性

可调喷嘴涡轮喷嘴叶片端部的间隙泄漏流会对涡轮的性能产生较大的影响,同时喷嘴尾缘激波会造成转子叶片强迫响应,导致转子叶片出现高周疲劳失效现象.当喷嘴叶片间隙泄漏流与激波相互干涉时,不仅会造成流动损失加剧,同时也会显著影响转子叶片的可靠性以及使用寿命.通过纹影试验和数值仿真方法研究了喷嘴叶片平面叶栅在不同膨胀比和不同叶端间隙情况下的激波和间隙泄漏流流动特性.结果表明:膨胀比和间隙比对泄漏流和激波的影响较大,泄漏流对激波的影响范围随着膨胀比或间隙比的增加而增加.在泄漏流影响的范围内,受泄漏流对流场的推动作用,激波被挤压变形,激波形状向逆着气流流动的方向弯曲.随着叶端间隙比增加,泄漏流对激波的影响范围扩大,同时中间叶高位置的激波强度加强.

高速轴流压气机叶尖流动特性试验

为研究压气机转子叶尖流动特性，通过高频动态压力传感器测量其第一级转子壁面静压，录取了多个换算转速下的试验数据，并采用等相位平均方法处理。结果表明：相对换算转速0．6以上槽道激波明显，且随着转速的升高，激波强度增加；叶尖泄漏流动明显，叶片前缘位置最强烈，沿流向逐渐减弱，影响了近1／2弦长、1／3倍叶栅流场；0．7及以上高转速状态下，在叶栅弦长约1／3处，流场的压力突跃脉动峰一峰幅值达到最大，高达15—20kPa，导致较大的气动激振，叶片需承受较大的周期性气动负荷。

跨音速涡轮定常与非定常叶尖泄漏流机理分析

针对格拉兹大学单级跨音涡轮流场进行数值模拟并分析其叶尖泄漏涡结构与非定常影响机理。结果表明:泄漏涡于破碎前为类Rankine涡结构,破碎后卷吸入间隙流体,同时受涡核卷吸而围绕其运动的部分间隙流与主流掺混,形成高剪切流区域,形成类Sullivan涡结构的亚临界状态。非定常尾迹含有的流向涡量与叶尖泄漏涡-刮削涡涡对相互作用下,引起叶尖泄漏涡周向位置与尺度发生波动;跨音涡轮中非定常的动、静叶排位势场作用导致激波与波后静压场分别对泄漏涡的位置与尺度产生影响。在动、静叶栅距比为1.5时,尾迹与位势场的非定常作用同样重要,导致泄漏涡损失加大。未来设计高压涡轮需要考虑非定常的相互作用以控制叶尖泄漏损失。

叶尖掉块对跨声速压气机气动性能影响

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨声速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大,单一叶尖掉块对应压气机流量稳定裕度下降41.7%;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰减;掉块叶片产生的流动堵塞和吸力面气流的膨胀加速会影响到吸力面侧的掉块叶片,进而限制泄漏流的发展,使得流动堵塞和损失维持在较低水平,但这种影响会随着掉块叶片距离的增大而减弱。

自循环机匣处理喷气位置对压气机性能的影响

为了揭示自循环机匣处理对Stage37气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同喷气位置对压气机气动性能的影响。在设计转速时,分析了不同喷气位置的自循环机匣处理装置的叶尖流场,探讨了自循环机匣处理的扩稳机理。数值模拟结果显示:不同喷气位置的自循环机匣处理在略微降低压气机效率的情况下,能够分别扩大2.96%,2.72%,2.83%,2.6%的失速裕度;设计转速时,Stage37中转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡相互干涉以及泄漏涡破裂后产生的阻塞区,是影响Stage37压气机内部流动失稳的关键因素。自循环机匣处理的扩稳机制主要在于利用高速喷气抑制叶尖泄漏涡的破碎程度,减小叶尖阻塞区面积,进而提高压气机的失速裕度。

Effect of blade tip winglet on the performance of a highly loaded transonic compressor rotor

The tip leakage flow has an important influence on the performance of transonic com- pressor. Blade tip winglet has been proved to be an effective method to control the tip leakage flow in compressor, while the physical mechanisms of blade tip winglet have been poorly understood. A numerical study for a highly loaded transonic compressor rotor has been conducted to understand the effect of varying the location of blade tip wing]et on the performance of the rotor. Two kinds of tip winglet were designed and investigated. The effects of blade tip winglet on the compressor over- all performance, stability and tip flow structure were presented and discussed, It is found that the interaction of the tip winglet with the flow in the tip region is different when the winglet is located at suction-side or pressure-side of the blade tip. Results indicate that the suction-side winglet （SW） is ineffective to improve the performance of compressor rotor. In addition, a significant stall range extension equivalent to 33.74% with a very small penalty in efficiency can be obtained by the pressure-side winglet （PW）. An attempt has been made to explain the fundamental mechanisms of blade tip winglet in detail.

1＋1/2对转涡轮非定常流动数值模拟

为了掌握对转涡轮内部的复杂流动以改进航空燃气轮机的设计,利用数值模拟手段对所设计的1+1/2对转涡轮内部非定常流动进行了研究,将定常和非定常结果进行了详细的对比分析,结果表明:非定常结果与定常结果相比出功比减小,总效率约减小0.44%,流量基本不变,其中尾迹、激波、位势作用以及泄漏流等因素之间的相互作用是影响非定常特性的主要因素.

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.

叶顶微射流对小型高负荷离心压气机性能及流场结构的影响

以某小型高速离心压气机为研究对象,采用数值方法研究了微射流对压气机性能和叶轮叶顶流场结构的影响。研究结果表明:射流为1%设计流量时,失速裕度能够提高3.12%,稳定工作范围拓宽28.17%;在设计点,原型离心压气机叶顶来流马赫数达1.8以上,叶顶存在复杂激波/间隙泄漏流干扰,工作稳定性较差,微射流改变了“λ”状的激波结构,使前缘激波的强度减弱,后掠角度减小,并且降低了叶顶的负荷水平;微射流能够抑制间隙泄漏流的周向运动,并削弱激波/间隙泄漏流之间的相互作用,间隙泄漏涡不易发生破裂、溃散,极大增强了压气机工作的稳定性。