自循环机匣对高速离心叶轮性能及稳定性影响的研究

本文以某高速离心压气机为研究对象,通过数值模拟的方法,研究了叶轮失稳流场和两种自循环机匣对其性能的影响,以期揭示自循环机匣影响叶轮性能和内部流场的内在机理。研究首先模拟叶轮在实壁机匣下的情景,发现小流量工况下的叶片表面二次流强度明显增大,在叶轮前缘和叶顶泄漏流大量掺混,以至于在分流叶片通道进口出现了大范围堵塞,形成大范围"尾迹区",引起叶片失速。针对上述现象,研究模拟叶轮在两种不同后槽位置的自循环机匣下的情景。采用自循环机匣结构后,最高能使失速裕度提升6%,设计点效率下降0.5%。在小流量工况下,气流主要由主叶片压力面附近流入机匣结构中。有效降低了叶顶泄漏流强度和压力面叶顶通道涡强度,同时还增加叶轮进口的流量,减小叶轮进口的气流攻角,降低了流动损失。     

叶尖间隙对轴流压气机近失速叶尖流动的影响

为研究动叶间隙大小对轴流压气机近失速叶尖流动的影响,以一台高亚声速一级半压气机级为研究对象,在设计间隙、小间隙及2个大间隙下进行定常三维数值模拟。计算结果表明,设计间隙下压气机喘振裕度最大,随着间隙增大,裕度近似呈线性降低,失速形式由动叶吸力面分离引起的"叶尖失速"转变为"泄漏涡堵塞失速"。大间隙情况下,叶尖前缘附近发出的泄漏流形成松散的涡系结构,诱导中部及尾缘附近泄漏流共同形成回流及大量二次泄漏,堵塞转子通道进口,引起失速的发生。     

半开式离心叶轮与扩压器间流动模态提取与分析

考虑到半开式离心叶轮叶顶间隙流动对离心压缩机流动稳定性的影响,本文采用动态模式分解的方法对比了离心叶轮和无叶扩压器分别在设计工况和近失速工况下的流动结构及其频率信息。结果表明:叶轮出口附近的叶顶间隙流动对无叶扩压器中流动有显著影响,无叶扩压器中出现了和叶顶泄漏流流动相关的涡结构。随着流量的减小,叶顶间隙流动进一步影响无叶扩压器内部流动,涡结构频率变高,径向直径减小并向动静交界面移动,同时靠近盘侧的流场出现不稳定流动趋势。     

轴流压气机叶顶喷气扩稳机理试验研究

轴流压气机叶顶喷气已经被证实能够有效拓宽压气机的失稳裕度。在一台低速单转子轴流压气机上进行叶顶喷气试验研究,采用喷气动量比作为衡量失速裕度改善的指标,并通过改变叶顶间隙和喷气角度对不同喷气量的扩稳效果进行分析,试验中发现随着叶顶喷气动量比的增加,压气机失速裕度的变化会出现两个拐点,即存在两个喷气动量比分界点,并将喷气动量比分界点前后的三个阶段对应的喷气量分别定义为微喷气,大喷气和超大喷气。通过试验测量压气机进出口气动参数以及壁面动态压力信号对喷气动量比分界点前后叶顶喷气扩稳机理进行详细的分析。试验分析结果表明:微喷气扩稳仅仅是因其能够减弱叶顶间隙泄漏涡和叶顶间隙泄漏流非定常性;大喷气则能够同时减小进口气流攻角,推迟叶片吸力面分离和抑制叶顶间隙泄漏涡,推迟叶顶间隙泄漏流非定常性的产生;超大喷气虽能够推迟叶顶间隙泄漏流非定常性的产生,但喷气的影响区域已严重向叶片通道内部转移,甚至影响了压气机的做功能力。     

整体涡旋流畸变对轴流-离心组合式压气机喘振特性影响的数值研究

为研究整体涡旋流畸变对轴流-离心组合式压气机喘振特性的影响，本文采用气腔模型来研究压气机出口的容腔效应，分别模拟了均匀进气以及不同旋流强度的正向及负向整体涡旋流畸变作用下，组合式压气机的喘振过程。研究发现，正向整体涡旋流畸变作用下，离心叶轮进口截面近盘侧存在强度较大、范围较广的正向旋流，一定程度上抑制了叶轮内的流动分离；相反地，负向整体涡旋流畸变作用下，离心叶轮进口截面近盘侧存在强度较大、范围较广的负向旋流，使叶轮内的流动分离加剧甚至引发回流，使得压气机系统进入深度喘振工况。正向整体涡旋流畸变的旋流强度越大，组合式压气机的喘振圈及喘振频率越小；负向整体涡旋流畸变作用下，旋流强度越大，喘振圈越大、喘振频率越高。     

轴流压气机转子叶顶凹槽及其改进结构研究

为揭示叶顶凹槽对轴流压气机气动性能的影响和机理,本文对一试验台转子进行了全工况数值模拟,计算性能与试验结果取得很好的一致性。在此数值模型基础上对叶顶凹槽及其改进结构—叶顶篦齿进行了数值研究,研究分析表明:叶顶凹槽降低了泄漏流流量,但转子效率和失速裕度均有所下降,主要因为叶顶泄漏流在逆压梯度的作用下沿槽内向叶顶前缘方向流动,使前缘附近泄漏流反流程度增大,造成二次流损失及通道堵塞程度增大;凹槽深度是影响转子气动性能的主要因素。将叶顶凹槽分割开形成叶顶篦齿结构,在效率下降很小的情况下提高了转子的失速裕度;通过调整篦齿位置可进一步提高转子的气动性能;叶顶篦齿的应用存在特定的叶顶间隙范围。     

进口总压畸变对压气机性能及流场影响的机理研究

采用全三维非定常数值方法研究进口周向总压畸变对轴流压气机转子性能及内部流场的影响,数值结果表明进口周向总压畸变后不仅降低压气机的稳定裕度,也使压气机等熵效率减少。通过详细地分析压气机内部流场,揭示了进口周向总压畸变对该压气机转子性能及流场影响的机理,即进口周向总压畸变后,明显降低50%～100%叶展内的气流进气角。同时增强产生叶尖泄漏运动的驱动力,提前使叶顶间隙泄漏涡涡核破碎,造成高的堵塞,最终触发压气机失速。     

某小流量三级轴流压气机的气动性能及数值分析

以某三级跨音速轴流压气机为研究对象,采用三维数值模拟计算方法对其在设计转速下进行了数值模拟,得到了压气机的特性曲线及总体性能。通过改变出口静压,得到了其在设计转速下的近设计点、近最高效率点、近失速点、近堵塞点并分析了压气机在典型工况下的内部流动特性。研究分析表明:近设计点、近最高效率点的流动情况较好,但效率较低。动叶前缘与叶片流道内的激波、转静子吸力面尾缘处的低能团、叶顶间隙的泄露流引发压气机的气动性能降低,进而造成压气机效率较低、流动损失加大。     

跨音速压气机转子叶尖间隙流场特性研究

为了分析跨音速转子叶尖间隙高度对转子叶尖流场的影响,以某轴流压气机跨音级为研究对象,采用全三维数值模拟方法,探讨了设计点和近失速工况下叶尖泄漏涡与激波的相互作用现象及不同的间隙条件下叶尖泄漏涡的演化、发展规律。计算结果表明,与设计点相比,近失速工况下间隙泄漏涡在流场中的位置及其与叶片弦长的夹角基本不变,但其对激波的影响更大。此外,随着叶尖间隙的增大,叶尖泄漏涡的强度、尺寸和影响范围也会逐渐增加,降低叶片的扩压能力。     

叶顶间隙对叶轮内部流动与变形影响的流固耦合分析

为探究对离心空压机叶轮叶顶间隙处的流动特性与运行时叶片发生的耦合变形，基于流固耦合传热理论，建立叶轮内部流体力学与结构力学数值计算模型，综合考虑离心力、气动力和热应力3种载荷，分析不同叶顶间隙下叶顶处的应力和变形分布。仿真结果表明：叶顶间隙会产生入口分离涡和叶顶泄漏流，两者共同干扰主流区的流动，增加流动损失；在离心力、气压载荷和热载荷共同作用下，叶片最大变形发生在叶片叶顶弦长0.3左右处，吸力面比压力面的最大变形量大3.7%，随着叶高的降低，变形量逐渐减小；叶片叶顶前缘部分应力值较小，叶顶处压力面与吸力面的最大应力值不在同一轴向位置，随着间隙值的增大，顶部的应力值整体逐渐降低。通过流场和结构分析，确定最佳间隙，并对叶片进行线型优化，优化后叶片的气动性能与安全性得到显著提高。     

串列叶栅和叶片弯曲对角区失速和叶尖泄漏流的耦合作用

为了提高压气机叶栅的气动性能,本文针对高负荷串列叶栅进行数值模拟,研究了叶片正弯和串列叶栅对角区失速和叶尖泄漏流的耦合作用。结果表明,在串列叶栅前叶排存在比较严重的角区失速,叶片正弯能有效控制高负荷串列叶栅中的角区失速,在最优工况叶栅总损失降低了37.6%。串列叶栅中只有"前排叶片弯曲"的方案能取得与"两排叶片都弯曲"方案相似的控制效果,但由于"两排叶片都弯曲"方案对两排叶片都有控制作用,从而获得了更低的总压损失。叶尖泄漏流可以有效控制上端壁处的角区失速,同时也会带来泄漏流损失。叶尖间隙越大,叶栅的总压损失越小,叶栅中涡结构也会越复杂。大间隙下,叶尖泄漏涡和通道涡的位置与一般压气机叶栅不同,两排叶片各自生成的泄漏涡会在叶栅后汇聚成一个涡,通道涡由叶栅中的低能流体与一部分泄漏流组成。弯曲叶片主要作用是控制角区失速,对叶尖泄漏流的影响不明显。     

叶顶喷气对跨音速轴流压气机稳定裕度影响的数值研究

为了研究叶顶喷气机匣处理方式对轴流压气机稳定裕度的影响，针对Rotor37开展了叶顶喷气的定常数值研究。相关文献指出，喷嘴出口气流角、喷嘴轴向位置、喷嘴覆盖比率及喷嘴进口总压4个参数对稳定裕度的影响最为显著。因此，本文着重对这四个参数构建响应面，同时结合主流的单通道计算模型，详细分析了它们之间的交互关系及相应的参数变化对压气机稳定性的影响，并拟合出回归方程。结果显示，在最佳参数设置下，单通道计算模型中压气机的稳定裕度最大可以增加8%左右。在此基础上，又对四通道压气机计算模型进行了气动计算与分析，发现叶顶喷气射流会按照与压气机旋转相反的方向作用于相邻的叶片流道，抑制该流道泄漏涡的产生，进而改善该流道内的流动。研究表明，采用叶顶喷气方法可以降低叶片前缘载荷，改变压气机的失速类型，从而增加压气机的稳定裕度。     

轴流前弯叶轮叶顶流场特征分析

针对不同化工用前弯叶片的轴流通风机,在额定工况处数值模拟了三维粘性流场以及利用粒子图像测速仪PIV试验测量了叶顶流场。在数值结果与测量结果相吻合的前提下,分析了叶轮近上端壁面极限流线、叶顶轴向速度大小分布以及不同前弯角度叶片对叶顶泄漏流在发展阶段的影响。结果展示了叶顶流场的基本特征-叶顶泄漏涡的初始段和发展段;揭示了叶顶泄漏涡是叶顶流动阻塞的最主要原因之一;叶片前弯角度与叶顶泄漏涡稳定度之间的非线性变化;在泄漏涡发展阶段,涡度随叶片前弯角度之间"先增强后减弱"的变化规律。     

汽轮机动叶栅顶部泄漏流的数值分析

为研究围带对汽轮机叶顶间隙泄漏流的影响,以某汽轮机级为研究对象,采用?-?SST湍流模型、结构化网格,对无围带及有围带动叶顶部的间隙泄漏流动进行数值模拟,分析间隙流和泄漏涡的形成、发展及其对汽轮机性能的影响。结果表明,无围带时,叶顶间隙泄漏流在叶顶前缘形成顺时针的漩涡,在吸力面附近和尾缘出口形成顺时针的泄漏涡;沿着轴向流动距离的增加,泄漏涡的影响范围逐渐变大。有围带时,叶顶间隙泄漏流在叶顶尾缘附近形成逆时针的泄漏涡。但无论有无围带,与泄漏涡对应的通道涡的旋向都和泄漏涡相反。随着叶顶部间隙的增加,有围带和无围带时的泄漏涡强度都变大,总压损失系数都增加。当叶顶间隙相同时,靠近叶顶处约80%叶高以上的区域内,有围带叶栅出口截面上的总压损失系数均小于无围带叶栅出口截面上相应位置的总压损失系数。     

离心压气机机匣处理与导叶轮缘放气的扩稳机理分析及比较

采用数值模拟方法对导叶轮缘放气、进气回流及周向槽机匣处理扩大离心压气机稳定工作范围进行研究,并与实壁机匣离心压气机特性进行对比,分析三种处理方式扩大压气机稳定工作范围的机理。结果表明,导叶顶部吸力面分离流动和间隙泄漏流相互作用导致压气机失速。导叶轮缘放气将吸力面分离流动产生的低能流团吸除,减弱了顶部通道堵塞。进气回流给顶部进气添加负预旋,减小了顶部来流攻角,能抑制吸力面流动分离。周向槽机匣处理减弱了顶部间隙泄漏向叶轮进口的回流。三种处理方式都能减弱顶部通道堵塞、推迟压气机失速发生,而进气回流和导叶轮缘放气具有较大的扩稳能力。     

周向槽机匣处理的数值研究及扩稳机理分析

结合周向槽机匣处理试验结果,采用全三维的数值方法对带周向槽机匣处理的亚音速轴流压气机内部流动进行研究。试验与数值结果均表明周向槽机匣处理能扩大压气机的稳定工作范围,同时略微地降低压气机效率。在两个转速下,数值模拟结果与试验结果符合良好。通过详细地分析压气机叶顶流场表明实体壁机匣时,触发该压气机失速的主要原因是间隙泄漏涡涡核破碎,使得叶顶通道堵塞程度严重。采取周向槽机匣处理能降低产生叶尖泄漏运动的驱动力,有效地削弱了间隙泄漏流造成的负面影响。与此同时,周向槽具有抽吸或吹除机匣端壁区低相对总压流体的能力,使低能气团在叶顶通道堆积的范围大为缩小,提高了叶顶通道内的流通能力。     

半开式叶轮离心泵变叶顶间隙流动特性的研究

为研究叶顶间隙的改变对半开式叶轮离心泵内部流场及性能的影响,选取某半开式叶轮离心泵进行全流道数值模拟。结果表明,不同相对间隙下叶轮内压力变化大体趋势一致,沿着叶轮进口到叶轮出口等压线周向呈均匀分布,且总压由叶轮进口向出口逐渐递增;随着相对间隙值增大,沿圆周方向叶轮流道内压力梯度逐渐减小,由于叶顶间隙增大使叶轮流道中高压流体沿着轴向的泄漏量增加引起叶片做功能力减弱,叶轮叶片出口处局部高压区逐渐减弱。在同一径向位置间隙层中靠近叶片工作面附近流体压力较背面大,且在叶片工作面与背面两侧间隙层存在较大的压力梯度。间隙层出口处存在局部高压区,随着间隙值的增大该局部高压区有所减弱,不同相对间隙值下相对速度沿径向均匀增大。叶轮轴向截面内存在着回流、绕流等不稳定流动,轴向截面中有明显的回流涡产生。叶片工作面(PS)高压流体横跨叶顶间隙从高压区向低压区泄漏并与相邻叶片背面流道主流相互掺混并在叶片背面(SS)形成较为明显的间隙泄漏涡(TLV),间隙泄漏涡的尺度随相对间隙值的增大而增大。     

叶顶间隙对轴流风机内部流场影响的研究

基于Realizable k-ε湍流模型和 SIMPLE 算法,对某轴流式通风机在不同叶顶间隙下进行了设计工况时的数值模拟.讨论了不同叶顶间隙大小对风机性能的影响,分析了叶轮出口截面速度、压力等参数的分布以及叶顶泄漏流和泄漏涡随间隙大小的变化情况.数值结果表明,随叶顶间隙逐渐增大,风机性能不断下降;叶轮出口截面速度、总压和湍动能大小受间隙泄漏流的影响明显;泄漏涡由泄漏流与主流发生卷吸而形成,且泄漏涡会受到间隙大小的影响.     

对旋轴流风机叶顶形态对其性能的影响

为了探究改变叶顶结构对风机性能的影响，采用Fluent对不同叶顶形态的对旋轴流风机性能进行数值模拟。分析了不同叶顶形态对风机效率、全压、叶顶泄漏流和泄漏涡的影响。结果表明：风机效率随叶顶开槽长度的增加而增大。在开槽长度和深度相同时，与第一级叶轮相比，改变第二级叶轮的叶顶形态对风机性能的改善更加显著。与后缘相比，在叶顶前缘开槽对风机性能改善更大。叶顶开槽后，间隙处形成泄漏涡，且叶顶泄漏流入口处涡流强度明显提高，可有效削弱叶顶泄漏流的发展，改善风机性能。     

带有根部间隙的压气机静子通道流场测量

为了研究静子根部间隙对压气机性能的影响,设计了4支不同长度的“L”形五孔探针和1支四孔探针。通过位移机构移动上述探针,对某双级低速轴流压气机在不同流量工况下的5个不同轴向位置的静子通道截面流场进行了实验测量。实验结果表明,在最大流量和近失速工况下,根部间隙引起的泄漏流和叶尖处的角区分离流与主流的掺混始终是造成静子通道内 总压损失的主要原因。随着进口流量的减小,泄漏流和角区分离的起始位置将更靠近通道进口。