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。     

跨音轴流压气机自循环喷气扩稳试验研究

轴流风扇/压气机稳定性控制一直叶轮机械领域迫切需要解决的难题,特别是对于内部流动复杂的跨音转子。提出以自循环喷气方式作为控制手段,并在一台单级跨音风扇/压气机上进行试验研究。试验中通过自行设计自循环机构在压气机上进行基于自循环的叶顶喷气研究,并考察不同抽气角度和喷气偏航角对压气机稳定裕度和效率的影响,并通过测量机匣壁面非定常压力信号对跨音压气机自循环喷气机构中前端喷气的扩稳机理进行分析。试验结果表明:自循环喷气能够有效拓宽跨音压气机的流动失稳裕度,并取得了8%~15%的扩稳效果,而且能够略微提高压气机峰值点的效率。另外,通过功率谱密度分析,前端叶顶喷气的扩稳机理仍然是影响叶顶间隙泄漏流的非定常性。     

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。     

叶顶小间隙和周向槽耦合作用对轴流压缩机性能的影响

以单通道轴流压缩机rotor37为研究对象,合理设计了叶顶小间隙和周向槽,采用数值计算的方法,研究叶顶小间隙和周向槽耦合作用对轴流压缩机性能的影响.计算结果表明,可以在不降低效率的同时,有效地扩大压缩机的稳定裕度,提高压比.在此基础上,对其机理进行深入分析,认为适当减小间隙可以有效降低叶顶泄漏流,提高效率.周向浅槽由于增加径向流动,增加了损耗,但是可以改善压比和稳定裕度.两者的耦合作用,可以在不降低效率的同时,有效地扩大压缩机的稳定裕度.     

压气机平面叶栅叶顶间隙流动研究

以NACA 65-1810压气机为研究对象,探讨了叶顶间隙对压气机流动特性的影响。在ICEM中建立结构化网格,针对不同叶顶间隙方案采用SST k-ε双方程湍流模型,对压气机流场进行了数值模拟,分析了叶顶间隙对压气机平面叶栅气动性能、泄漏涡流及平面叶栅性能的影响。结果显示,紧密间隙时会出现逆流现象;减小叶顶间隙不仅可以较好地抑制泄漏涡流,而且能够减小压力损失,从而提高平面叶栅的效率,改善压气机平面叶栅的性能。     

基于源项和贴体网格CFD的翼型冠涡轮叶栅气动性能预测对比

翼型冠是控制涡轮叶片叶顶泄漏流动的一种叶顶结构。在翼型冠涡轮叶栅气动性能的数值模拟中,为降低计算成本,本文采用了一种基于源项的CFD技术。该方法无需构建翼型冠真实几何结构和生成贴体网格,只需在叶顶附近构建源项域并采用均匀网格进行离散,随后在网格点上定义材料多孔度,并在控制方程中引入与多孔度有关的源项函数。采用基于源项的数值模拟方法,首先计算了某一翼型冠涡轮平面叶栅的气动流场,并分析均匀网格尺寸和湍流模型方程源项对计算结果的影响。然后,在翼型冠源项基础上,分别增加了密封齿和叶顶喷气源项,以研究源项法在有密封齿和有叶顶喷气翼型冠叶栅性能计算中的准确性。通过与基于贴体网格(即真实结构)的数值模拟结果相对比,发现源项法计算能够较准确地评估翼型冠、密封齿和叶顶喷气对涡轮叶栅气动性能的影响。此外,降低均匀网格尺寸能提高源项法的可靠性。研究有助于发展用于模拟包含任意复杂结构流动问题的计算方法,能为基于源项法的翼型冠叶顶结构优化提供快速准确的数值模拟工具。     

叶顶间隙变化对轴流风扇性能影响的数值研究

运用三维粘性流动计算软件,对某含叶顶间隙的直叶片轴流风扇进行数值模拟。叶顶间隙按相对间隙进行取值,其大小分别为0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%,其它计算参数不变。通过对计算结果的对比分析,研究叶顶间隙变化对总体性能的影响。结果表明,叶顶间隙变化对轴流风扇性能有较大影响,随着叶顶间隙的增大,其效率、全压减小。     

排尘孔涡轮冷却叶片叶顶流动与传热研究

涡轮叶片叶顶排尘孔用于清除冷气中掺杂的尘粒,以保证气膜孔和冲击孔的可靠工作,但排尘孔射流引起叶顶流动和传热问题。采用参数化方法建立有、无排尘孔涡轮冷却叶片几何模型,基于包含叶片主体、主燃气通道和三腔回流式内冷却通道的全局模型,采用流热耦合数值分析,开展排尘孔对涡轮冷却叶片叶顶流动与传热问题的初步研究。研究结果表明,对比有、无排尘孔叶片,排尘孔射流可降低叶顶平均温度约25 K;冷却通道对流换热作用和叶顶排尘孔射流可使叶顶平面降温400～600 K,冷却效果与冷却通道冷气流量和尘孔结构在叶顶位置相关;排尘孔叶顶射流对叶顶间隙高温燃气泄漏具有阻碍作用,可以提高叶片总压恢复系数约0.5%～1.5%,随着冷气流量的增大,这种作用增强;尘孔结构设计应兼顾射流对叶顶流动与传热的共同影响。     

涡轮增压器压气机流场仿真分析

以涡轮增压器离心压气机为研究对象,通过模拟不同工况下发动机工作时涡轮增压器的压气机实际流通特性,分析了压气机内部流场随转速和叶顶间隙的变化规律。在ICEM中建立结构化网格,针对不同转速和不同叶顶间隙采用SST双方程湍流模型,对离心压气机内部流场进行数值模拟。结果表明,随着转速的增加,气体的流动状态变差,低压区范围扩大,出现明显的漩涡,气体不能充分地流动发展;随着叶顶间隙尺寸的减小,流动损失减小,压气机做功能力增大。     

收缩喷嘴内部流道型线对射流流场的影响

为研究收缩喷嘴内部流道形成对射流流场的气体动特性参数的影响，根据可压缩流体轴对称N-S方程，采用非结构网格和二阶精度的有限体积法，对不同内部流道形线的喷嘴自由射流进行数值模拟。亚声速射流采用RNGk-ε湍流模型，超声速射流采用S-A湍流模型，计算结果与实验较吻合。在亚声速流动中，收缩喷嘴的收缩角大小会影响其对射流的阻滞效果，内部流道形线设计为维多辛斯基曲线可以获得更好的流场动特性参数，有利于提高喷嘴的工作效率。在超声速流动中，喷嘴流道型线对出口膨胀波的角度与强弱影响较大，要根据射流的有效作用区域选择合适的喷嘴，才能使能量的损失最小。若要获得较佳的外部流场参数，优化喷嘴内部流道设计十分重要。     

多级压气机叶片振动特性分析

本研究以多级压气机为研究对象,基于ANSYS/CFX对压气机单通道模型进行流固耦合数值计算。通过单向流固耦合分析,研究了额定工况下流场的压力分布及气动力对叶片模态频率的影响。结果表明,气动力对叶片模态频率的影响弱于离心力对其的影响。     

收缩喷嘴内部流道型线对射流流场的影响

为研究收缩喷嘴内部流道形成对射流流场的气体动特性参数的影响，根据可压缩流体轴对称N－S方程，采用非结构网格和二阶精度的有限体积法，对不同内部流道形线的喷嘴自由射流进行数值模拟。亚声速射流采用RNGk-ε湍流模型，超声速射流采用S－A湍流模型，计算结果与实验较吻合。在亚声速流动中，收缩喷嘴的收缩角大小会影响其对射流的阻滞效果，内部流道形线设计为维多辛斯基曲线可以获得更好的流场动特性参数，有利于提高喷嘴的工作效率。在超声速流动中，喷嘴流道型线对出口膨胀波的角度与强弱影响较大，要根据射流的有效作用区域选择合适的喷嘴，才能使能量的损失最小。若要获得较佳的外部流场参数，优化喷嘴内部流道设计十分重要。     

轴流压缩机转子叶顶扩稳结构设计

为控制泄漏流提高压缩机的稳定工作裕度,采用了叶顶前缘端削与叶顶篦齿组合的设计。对该结构的数值研究表明:前缘端削通过引入高能来流对间隙泄漏流的抑制作用增强,篦齿在一定程度上阻断泄漏流由压力面向吸力面的流动,二者共同作用使压缩机在不同转速下的稳定工作裕度均获得一定提升。     

叶顶间隙对一跨音速压气机转子失速裕度的影响研究

针对一跨音速压气机转子,分别在动叶顶部相对间隙为0%,0.1%,0.5%,1%,1.5%,2%的六种情况进行了数值模拟。计算结果表明,间隙的存在使得转子性能如压比、效率有所下降,但适当间隙的存在使得转子喘振点往小流量点大幅迁移,又有效提升了转子的工作范围。此外,分析了由于叶顶间隙的存在使得转子工作范围增加的原因,并指出无论是否存在间隙,针对跨音速压气机转子,其进入喘振的根本原因都是由于堵塞作用使得弓形激波连同流道激波一起被推向流道上游造成的,而其中堵塞作用却是由端壁附面层发展与迁徙、叶顶泄漏流动、激波与附面层之间相互作用的共同结果。     

进口总压畸变条件下离心压气机流动失稳特性的数值研究

采用数值模拟方法对比分析了畸变进口与均匀进口条件下离心压气机的气动性能。结果发现，离心压气机展现出一定的抗畸变能力，总压畸变对压气机整体性能未造成显著影响。进一步的分析表明，在均匀来流条件下，随着流量的降低，主叶片和分流叶片之间的低速区逐渐向叶顶区域发展，阻碍主流流动，相互排挤并由叶顶间隙溢出；畸变来流条件下，在近失速工况点时，叶顶沿流向流动出现局部负速度，叶顶泄漏涡前移，在进口畸变产生的低压区内吸力面流动分离增大，进而演变出龙卷风涡阻塞流道，并影响到相邻叶片，引发前缘溢流；通过Q-准则方法发现，在畸变来流条件下，近失速工况下的涡结构分为前缘失速涡、叶顶间隙泄漏涡、通道涡和前缘溢出涡。     

周向槽和阶梯槽在提高轴流压气机稳定工作裕度中的综合利用

在验证了计算模型的可靠性后,针对西北工业大学某轴流压气机转子的失速类型,进行了周向槽机匣、阶梯槽机匣,以及两者组合结构的扩稳效果的数值模拟.结果表明,周向槽结构在叶片通道前端可起到对叶顶泄漏涡的控制作用,而在叶片通道尾端效果不大.阶梯槽结构在叶片通道后端则能利用流向压差起到扩稳作用.采用叶片通道前部为周向槽,尾部为阶梯槽的组合机匣结构能在效率损失较小的情况下,对类似的压气机起到较理想的扩稳效果.     

叶顶间隙对低比转速混流泵性能及内部流场影响的数值研究

为了解叶顶间隙对低比转速混流泵性能及内部流场的影响,选取无叶顶间隙和叶顶间隙δ分别为0.25 mm、0.75 mm和1 mm共四种方案,基于ANSYS-CFX对一比转速为149的混流泵进行了全流道数值模拟。计算域采用ICEM-CFD和TurboGrid进行结构化网格划分。利用Tecplot对计算结果进行处理,得到叶顶间隙对外特性参数、轮缘泄漏、流道中心S2流面流场等的影响。结果显示,叶顶间隙对大流量工况（1.25Q_d和1.5Q_d）下性能参数的影响大于小流量工况（0.5Q_d和0.75Q_d）,且效率减小量与叶顶间隙变化量的比值（Δη/Δδ）和相对流量m之间近似呈二次抛物线关系;当间隙为0.75 mm时,随着流量的增加,在叶轮流道进口附近形成的旋涡逐渐向出口方向移动,且旋涡强度及其对主流的影响范围均增大;当间隙进一步增大到1 mm时,泄漏流和主流之间发生了更为严重的卷吸效应。     

混流式转轮内部为有旋流动的准三维设计

以速度矩及叶片厚度分布为已知条件，基于两类流面理论，建立了流面反问题计算的混流式转轮准三维设计模型。该模型可计入叶片流道内周向参数分布不均匀对叶片设计的影响。研究了叶片边界条件对叶片性能、叶片形状及设计计算的收敛性的影响，为转轮设计提出了新的思想。按本文模型设计的叶片，其速度矩分布与给定值基本吻合。     

基于叶顶曲率半径变化的变量叶片泵叶片-定子副润滑数值分析

针对叶片泵叶片-定子副在预卸压区中易发生对偶面间直接接触而加剧磨损的状况,通过分析叶片-定子副在预卸压区中的润滑状态,建立了叶片-定子副的弹流动压润滑模型,并数值模拟了接触区内压力分布,结合叶顶曲率半径和叶顶承载面积的变化对叶片-定子副间力学特性的影响,分析了叶顶曲率半径和叶顶承载面积的变化对动压油膜润滑性能的影响。结果表明：叶片-定子副处于预卸压区末端时润滑状况最差;承载面积的变化对叶顶载荷和润滑性能的影响不容忽视;增大叶顶半径后能改善摩擦副的润滑状态,许可范围内随叶顶曲率半径增大,接触区内油膜压力分布更趋均匀,叶片-定子副间的润滑状况也更加稳定可靠。     

轴流压气机叶顶端区流场周向传播特征及其预测

以低速单转子轴流压气机为对象,采用全圆周计算模型,以叶顶泄漏流周期性非定常波动为切入点,通过相对坐标系和绝对坐标系下信号数据的坐标变换、快速傅里叶变换和滤波分析,分析叶顶端区非定常波动特征沿叶片弦长的调频特性,研究占主导地位的非定常波动频率成分沿圆周方向的传播特征,得到占主导地位频率成分的调频关系和周向传播特征在压气机节流过程中的演变规律,揭示出近失速工况附近机匣壁面压力自相关系数降低的流体力学原因。结果表明,由叶顶泄漏流周期性非定常波动主导的叶顶端区流场特征是失速先兆信号分析和预测的流场依据。参考系、探针监测位置和分析方法的选取对分析结果有着重要影响,对同一流动现象可获得不同侧面的多样性表现特征。所得结果一方面为计算和试验数据的对比分析提供参考,另一方面也为不同流动特征的统一流体力学机理解释提供指导。