核心机驱动风扇级转子叶尖流动结构和机理的研究

为了探究核心机驱动风扇级不同工作模式下转子叶尖流动结构和机理,对某核心机驱动风扇级转子流场进行了三维定常数值模拟,分析了单外涵模式和双外涵模式下工作点及近失速点转子叶尖流场结构特点,并研究了不同叶尖间隙对核心机驱动风扇级性能的影响。结果表明:单外涵模式与双外涵模式设计点叶尖泄漏涡起始位置不同;单外涵模式转子叶尖存在贯穿流道的正激波,双外涵模式该正激波消失;泄漏涡经过转子叶尖超声速区域会形成低速带;单外涵模式时泄漏涡经过正激波后发生扩散,并使正激波出现"缺口";转子叶尖间隙大小对核心机驱动风扇级两种工作模式下的流量、压比和等熵效率影响均较小,间隙增大到一定程度后稳定裕度下降剧烈。     

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。     

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。     

叶尖密封流场的细观特性对叶轮机械性能的影响

细观尺度是微观与宏观之间的中间层次。利用细观力学的思想,分析了叶尖密封流场的细观特性对叶轮机械性能的影响,认为旋涡等流体的细观结构,在叶尖密封流场中起着关键性作用。密封间隙区域的细观特性即泄漏涡、激波和二次流之间的相立作用等,形成了阻塞区域,不仅影响泄漏量,还影响转子的稳定性。叶尖泄漏涡是叶尖间隙气流流动阻塞和引起压气机转子尖部紊流脉动的主要因素。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

航空发动机高涡叶尖外撑测量工艺设计与分析

为解决航空发动机高压涡轮转子叶尖外径测量时存在装配间隙、外表易磕碰、难以固定等问题,提出一种将相邻左右叶片的叶尖作为支反力作用点,对待测叶片进行径向外撑消隙的新型工艺方案。设计高涡叶片外撑测量装置,在高压涡轮不拆分后挡板的状态下,对转子叶片进行径向外撑和固定。进行高涡叶尖外径测量试验,对测量系统进行精确度分析,测量精度可达到0.04 mm,满足现有测量要求,为今后研制航空发动机高精密高涡叶尖外径测量仪器奠定重要基础。     

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。     

不同间隙大小轴流压气机转子叶尖泄漏非定常流动的DDES研究（英文）

叶尖泄漏流动对航空发动机的压气机性能有很大的影响,对其进行准确的数值模拟十分重要。延迟脱落涡模拟(DDES)方法在保证计算准确性的同时节省了计算资源。本文针对不同间隙大小和不同工况对大尺寸低速轴流压气机转子进行了DDES模拟。将时均结果与瞬时结果进行了比较,分析了不同叶尖尺寸下流动的非定常性。然后利用LUMLEY三角形分析了叶尖泄漏流动的雷诺应力各向异性。各向异性沿叶尖泄漏涡向下游发展方向变化。小间隙情况下各向异性较弱,这是由于小间隙情况下流动更加稳定。最后,利用快速傅里叶变换(FFT)分析了泄漏涡核心的速度脉动频谱,讨论了泄漏流动的非定常性。     

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。     

发动机中轴流压气机转子叶尖间隙影响研究

某型发动机在临界转速检查稳定性时,长期存在喘振裕度不足问题,严重影响发动机的正常交付.针对这一问题,对发动机中轴流压气机转子叶尖间隙的影响进行了研究.在研究中,应用数值模拟方法,对不同转子叶尖间隙的轴流压气机性能与流场进行了分析,进而得出结论.     

轴流风机叶尖泄漏流动的大涡模拟（英文）

本文采用大涡模拟(LES)的方法研究了在基于外壳直径的雷诺数为9.36×105条件下5叶片的轴流式风扇的流动特性,并且着重分析了叶尖泄漏的流动现象。本文使用了基于有限体积法和分层笛卡尔网格的可压流求解器进行数值计算,并应用了体积守恒的切割网格方法处理风扇几何结构的浸入式边界。同时开发了用于笛卡尔网格的旋转周期性边界条件,这样只需分析由2.5亿网格构造的包含一片叶片的72°区域。该研究首先对网格质量进行了分析,之后讨论了瞬态和时均流场的特性,并与使用RANS的5叶片模拟结果进行了对比。RANS和LES模拟结果的主要不同之处体现在叶尖泄漏涡尾流中的湍流动能。本文进而研究了叶尖间隙对叶尖泄漏涡的影响。研究表明,间隙的大小会影响叶尖泄漏涡的大小形状。此外,间隙中更多的分离现象和反向旋转涡会导致较低的湍流动能。     

轴流通风机转子叶尖间隙非定常流动图谱测量与分析

借助动态压力测量设备和测试技术完成了某轴流通风机转子叶尖间隙非定常流动的测量过程,通过对叶尖间隙的端壁压力的测量,得到叶尖间隙非定常流动压力频谱,揭示出转子前后间隙流动演变过程,为深入了解叶尖间隙非定常流动及建立间隙流主流相干模型提供了试验依据.     

叶尖凹槽对某燃气涡轮叶尖间隙流动影响的研究

采用数值模拟的方法研究了叶尖凹槽对某燃气涡轮性能及流场的影响,并对其作用机理进行了分析。结果表明:叶尖凹槽对涡轮性能的影响较小,可减小叶尖泄漏流流量并提高涡轮效率。相对平顶叶片,凹槽叶片涡轮效率最大可提高0.06%。在5%～30%叶尖凹槽高度范围内,凹槽高度越大,叶尖泄漏涡强度越小,涡轮效率提升越大;在60%～90%叶尖凹槽长度范围内,叶尖凹槽长度越长,叶尖泄漏涡强度先减小后增大,效率提升幅度也是先增大后减小。     

径流涡轮叶尖间隙对叶片振动的影响研究（英文）

由于对高效、高响应性涡轮增压器的大量需求,径流涡轮叶片的高周疲劳已成为涡轮增压器损坏的最常见原因。叶尖间隙是主导叶尖泄漏涡演化的关键参数,并影响叶片表面的气动激振力,其对叶片振动的影响不可忽略。本文采用单向流固耦合数值方法,研究无叶径流涡轮叶尖间隙对叶片振动的影响。结果表明,叶片振幅随间隙增大成"V形"变化趋势。广义能量分析表明,"V形"趋势由压力谐波分量的幅值在叶片表面的分布所决定。流场分析进一步表明,压力谐波分量的幅值在叶片压力面和吸力面的分布均受叶尖泄漏涡影响,但两者的机理不同。     

吸力面叶尖小翼构型对轴流风机气动性能的影响

叶顶间隙泄漏是造成轴流风机损失的重要原因之一,在吸力面安装叶尖小翼能抑制一定程度的叶顶间隙流动,提高轴流风机气动性能。本文数值模拟了在吸力面安装不同宽度以及长度叶尖小翼对轴流风机内部流动及性能的影响。结果表明,增大吸力面叶尖小翼宽度可减小叶顶间隙流,延缓叶顶泄漏涡的生成和脱落,使其向远离吸力面偏移,减小了分离损失。当宽度为3倍叶片厚度时,设计工况全压效率提高了0.73%。而不同长度吸力面叶尖小翼的结果对比表明,当叶尖小翼长度为0.6倍弦长时,即可达到1倍弦长叶尖小翼对叶顶间隙流动同样的改善效果。