叶顶泄漏流控制对压气机旋转不稳定性影响研究

摘要

旋转不稳定性现象是压气机内部流动不稳定现象之一,探讨叶顶泄漏流的控制对旋转不稳定性的影响,对于进一步了解旋转不稳定性的物理机理以及提高压气机稳定性具有重要意义。本文以一台单级低速轴流压气机为研究对象,研究基于叶顶喷气的主动控制与圆弧斜缝处理机匣的被动控制对压气机旋转不稳定性的影响。通过实验与数值模拟的方法进行研究,结合脉动压力测试、频谱分析、模态分解等技术手段,分析两种控制对压气机旋转不稳定性的频率特性以及周向模态特性的影响,同时分析采用两种控制手段对压气机叶顶非定常流场的变化,从而进一步探讨两种手段对旋转不稳定性影响的流动机制。具体而言,本文的研究工作主要为以下几点:(1)改造单级低速轴流压气机试验台,设计两种机匣,圆弧斜缝处理机匣以及带叶顶喷气的处理机匣,实验与数值结果发现,两种控制策略能够有效拓宽压气机的稳定工作范围。(2)对圆弧斜缝处理机匣被动控制手段进行实验,通过壁面脉动压力信号通过频谱、周向模态分解与互相关分析,发现采用该被动控制能够抑制压气机旋转不稳定现性现象。(3)对叶顶喷气主动控制手段进行实验研究,选取两种喷气流量,同样对叶顶动态压力信号,通过频谱、周向模态分解与互相关分析,对比分析发现该喷气量采用该主动控制对压气机旋转不稳定性影响有限。(4)基于数值模拟针对某一特定工况,对带圆弧斜缝处理机匣的压气机转子进行全通道的非定常数值模拟研究,发现圆弧斜缝影响了转子叶顶流动,改变了叶顶泄漏涡发展轨迹,推迟了泄漏涡的起始点;同时圆弧斜缝改善了流道内的通流状况,通过形成的回流抽吸低速流体,减少低能流体在流道中的堵塞。(5)基于数值模拟针对某一特定工况,采用两种不同轴向喷气角对压气机转子进行全通道的非定常数值模拟研究,发现一定喷气速度能够明显改变转子顶部流场非定常流动。且在采用轴向喷气角为0°的喷气方式时,叶顶通流能力改善更明显;轴向喷气推动了泄漏流轴向移动,避免泄漏流周向发展时跨越相邻叶片;同时轴向喷气能够更有效改善叶片80%叶高以上的负载,降低叶顶的总压损失。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 叶顶泄漏流非定常流动研究现状

1.3 旋转不稳定性研究现状

1.4 压气机叶顶泄漏流控制技术

1.4.1 叶顶喷气主动控制研究现状

1.4.2 处理机匣被动控制研究现状

1.5 本文研究内容

第二章 实验与数值研究方法

2.1 实验研究方法

2.1.1 研究对象

2.1.2 稳态与动态参数的测量与采集

2.1.3 叶顶喷气系统

2.1.4 圆弧斜缝处理机匣实验件

2.2 数值研究方法

2.2.1 基本流动方程与湍流模型

2.2.2 数值模型及网格

2.2.3 边界条件与脉动压力采集

2.2.4 数值计算验证

2.3 本章小结

第三章 基于圆弧斜缝处理机匣的压气机叶顶泄漏流被动控制研究

3.1 圆弧斜缝处理机匣对压气机性能影响

3.2 圆弧斜缝处理机匣对压气机叶顶区域非定常性影响

3.3 圆弧斜缝处理机匣对压气机旋转不稳定性影响

3.3.1 周向模态分解方法

3.3.2 基于实验的频谱与周向模态结果分析

3.3.3 基于数值模拟的频谱与周向模态结果分析

3.4 本章小结

第四章 基于叶顶喷气的压气机叶顶泄漏流主动控制研究

4.1 叶顶喷气对压气机性能影响

4.2 叶顶喷气对压气机叶顶区域非定常性的影响

4.3 叶顶喷气对压气机旋转不稳定性影响

4.3.1 基于实验的频谱与周向模态结果分析

4.3.2 基于数值模拟的频谱与周向模态结果分析

4.3.3 实验喷嘴出口速度验证

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文