某型十级高压压气机进口总压周向畸变试验研究

以某型高压压气机为试验对象,研究了进口总压180°周向畸变对该压气机性能的影响。开展进口均匀进气和总压周向畸变条件下的压气机特性录取试验,并对试验结果进行了对比分析。结果表明:进气周向畸变导致压气机性能恶化,流量、效率均有一定程度的下降;周向畸变对高转速影响较大,随着转速降低影响逐渐减弱。     

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。     

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.     

轴流压气机进气旋流畸变实验与仿真研究

为深入分析旋流畸变问题,发现叶片式旋流畸变发生器产生旋流流场的机理和旋流畸变对压气机稳定性的影响机制,本文开展了旋流畸变发生器与压气机的耦合数值仿真。分析计算结果,认为叶尖脱落涡的叠加效应是产生旋流的主要机理,旋流结构对转子叶尖区域的扰流作用是造成转子提前失速的重要原因。建立了S弯进气道仿真模型,通过对S弯进气道与高亚声速压气机进行耦合仿真计算,研究了S弯进气道出口旋流流场的形成机制,初步探讨了S弯进气道出口旋流流场对压气机稳定性的影响。S弯进气道出口形成的对涡结构靠近压气机机匣,这种局部的涡结构会影响部分转子叶片叶顶区域的流动结构,从而导致压气机失速边界右移。     

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Stage 37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，Stage 37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Stage 37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。     

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。     

离心压气机相似转速数值研究

以某型地面燃机的离心式低压压气机为对象进行了全三维数值模拟,分别计算了折合转速相同但进口总温、总压及物理转速不同的7种状态的压气机工作特性曲线,其中物理转速分别为90%、100%及105%。结果表明:折合转速相同时流场的相似程度较高但性能差别较大,随着进口总温升高、总压减小雷诺数降低,压气机增压比、效率降低。     

位置度超差对轴流压气机流场性能影响的数值研究

以单级轴流压气机为研究对象,采用数值计算方法研究了叶片位置度超差对压气机流场性能的影响。计算结果表明,当叶片位置度发生变化时,压气机的等熵效率、总压比等气动参数都不同程度地呈现恶化趋势,并且轴向位置度的影响大于周向位置度;叶片周向及轴向位置度的变化对压气机叶片气动载荷和进口攻角的影响规律各不相同。     

跨音速轴流压气机转子非轴对称端壁成型的数值研究

利用商用软件NUMECA对跨音速轴流压气机转子Rotor67进行了数值模拟,对流场进行分析后发现端壁区二次流损失为该转子损失的主要来源。利用三角函数造型法对Rotor67转子端壁进行了非轴对称造型,并对造型后的转子内部流场进行了数值模拟,对模拟后的流场结果分析表明:采用非轴对称端壁可有效减小通道涡强度与范围,从而降低了叶栅二次流损失,使得压气机效率提高。     

四级低速轴流压气机端壁区流动的实验研究

在四级低速大尺度轴流压气机试验台上,利用自行设计加工的十孔梳状附面层探针、四孔探针以及埋入高频响Kulite传感器的动态探针,针对端壁区流动展开了详细的流场测量。从附面层探针测量结果中能清晰识别出附面层区和主流区;获得了该压气机进口的附面层位移厚度、动量损失厚度、能量损失厚度及堵塞系数,且实验结果表明,采用平板紊流附面层公式能较好地进行附面层厚度的估算;采用位移机构带动四孔探针测得的第三级压气机转子进出口流场速度结果显示,受轮毂旋转作用,转子后的下端壁区附面层厚度明显要小于上端壁区附面层厚度;动态探针测量结果能较为明显地识别出叶尖泄漏涡的发展轨迹,且随着流量系数的减小,叶片尖部最大负荷点从尾缘向前缘移动,导致叶尖泄漏涡起始点前移。     

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。     

掠形对高负荷风扇转子失稳机理的影响

以超高负荷两级风扇第一级前掠转子为研究对象,通过定常和非定常数值模拟手段对近失速点叶尖流场进行了深入分析。为探索失稳机理,与同等气动性能下的后掠转子进行了对比。结果表明:前掠转子在近失速工况下泄漏涡涡心并未发生破碎,其流动失稳是由于端壁机匣处的低能流体集聚所致。而后掠转子的泄漏涡与激波干涉导致其向下游发展中发生破碎,表现出与常规转子相似的失速特征。     

蒸汽吸入对两级跨音速风扇影响的数值研究

采用数值计算方法研究了吸入不同状态蒸汽后跨音速风扇性能与内部主要流动特征的变化规律。结果表明:吸入气态与液态蒸汽后对风扇堵塞点流量系数、稳定工作范围与总压比有着相反的影响。液态蒸汽在风扇内部的蒸发过程降低了风扇消耗的压缩功,等熵压缩效率最高提升1.21%,随蒸汽吸入量增大,性能变化更为明显。吸入液态蒸汽后风扇叶顶间隙泄漏涡与弦向的夹角增大至15.3°,激波后形成更大范围的低相对总压区。     

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...     

几何参数对S弯进气道气动特性的影响研究

采用数值仿真方法对某无人机S弯进气道内流场结构进行了分析,对出口截面流场特征及出口参数进行了研究。利用三维数值仿真方法,对几何参数对S弯进气道气动特性的影响进行了对比,其中包括S弯偏移距离和S弯进气道长度的影响。研究结果表明:S弯进气道内部存在典型的横向涡结构。S弯长度的增加会显著降低涡结构区域及分离区域,改善流场结构,同时提升出口总压恢复系数,控制出口畸变。     

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。     

雷诺数对跨音速压气机转子性能的影响

为了研究雷诺数对跨音速压气机转子性能的影响,基于NUMECA流场仿真软件对NASA设计压缩机进口级转子37进行气动研究。对比分析了不同进气压力下,Rotor37总体气动性能和内部流动细节。不同入口压力对应不同雷诺数。结果表明,在满足几何不变,压比不变,转速不变,入口总温不变的条件下,雷诺数进入自模化区后,基本可以忽视雷诺数对压气机转子气动性能的影响。在不考虑叶片粗糙度的情况下,雷诺数为设计雷诺数47倍时,绝热效率-流量特性曲线总体效率升高,最大绝热效率升高1.4%;压比-流量特性曲线向压比更高,折合流量更大偏移,最大压比几乎不变;当压力升高雷诺数升高后,压气机转子稳定运行区间宽度基本不变。     

径向进气装置内孔板流动规律研究

针对某涡轴发动机径向进气装置的进气畸变模拟需求,采用数值模拟的方式研究了径向进气时孔板流动的流场特征和AIP界面总压分布特点,并分析了不同几何参数对径向进气装置流场的影响情况。结果表明:板上无孔时,周向孔板越大造成的总压损失越大,流场畸变更强;孔数不变时,随着堵塞度Pb的减小,总压恢复系数σ和畸变指数会上升;堵塞度Pb不变时,随着孔数的增加,总压恢复系数σ都几乎不受影响,而畸变指数减小。     

跨音风扇内部流场数值模拟及湍流模型研究

应用多重网格技术,对轴流压气机跨音风扇转子叶片内部流场进行了数值模拟。利用网格自适应技术研究了计算网格和湍流模型对实际轴流压气机内部复杂流动计算结果的影响。对跨音风扇内部流场特性进行了详细分析,给出了粗细网格下风扇性能曲线并与试验值进行了对比。     

弯曲叶片对跨音速轴流压气机性能影响的数值研究

采用具有不同控制参数的积叠线对Rotor37转子叶片进行周向弯曲造型设计,获得叶片的最佳弯高和弯角。采用数值计算方法研究了叶片弯曲对压气机性能及其内部流动结构的影响,结果表明:弯曲叶片具有良好的变工况性能,新设计的叶片能有效提高压气机的绝热效率和总压比。叶片周向弯曲引起端部低能流体向主流区的迁移,使得端壁和主流区流动状态发生改变,在端壁区流动损失下降,而在主流区流动损失有所增加,同时沿叶高方向上流体的质量流量被重新分配。