轴流压气机周向槽机匣处理对动叶端区流动作用机理的实验研究

发布时间：2017-12-26 09:42

本文关键词：轴流压气机周向槽机匣处理对动叶端区流动作用机理的实验研究　出处：《中国科学院研究生院(工程热物理研究所)》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：作为一种有效的轴流压气机内部流动稳定性调控手段,周向槽机匣处理一直以来受到广泛关注。在影响周向槽扩稳效果的诸多因素中,槽的轴向位置起着至关重要的作用,因为它与动叶端区的流动结构直接相关。近年来的单槽研究表明,在一些压气机中单槽扩稳效果随轴向位置的变化趋势存在两处峰值,而处在这两处峰值之间的轴向位置范围内的单槽却几乎没有扩稳效果。鉴于数值模拟无法准确捕捉该现象,本文以实验研究为手段,将周向单槽作为主要研究对象,选取了典型轴向位置的单槽开展了详细实验测量与分析。首先研究了不同轴向位置处单槽失速过程的差异,其中当单槽位于上述无扩稳效果位置时失速先兆的周向尺度较长,这与光壁及其他位置单槽典型的突尖型失速过程有明显不同。接下来对光壁及各单槽的动叶端区流动进行了详细测量和分析,展现了单槽处理时端区流动的变化。为了分析造成这些变化的根本原因,本文进一步通过一种特殊的测量方法实现了周向槽与通道交界面(本文称为开口面)处的速度测量,并由此分析了各单槽的不同作用机理,这方面的实验研究在国内外文献中均未见报道。最后,通过对双槽结构的讨论,将本文围绕周向槽作用机理的研究与实际的多槽应用联系起来。本文的具体研究内容包括：1.周向单槽处理时失速过程的实验研究根据稳态测量得到的周向单槽扩稳效果随轴向位置的变化趋势,选取了两个典型位置处的单槽,分别为位于两扩稳峰值之间但却无扩稳效果的CG5及动叶中部扩稳峰值处的CG7,讨论了其相应的失速过程。在机匣壁面沿动叶弦向及周向的实验结果表明,光壁机匣和单槽CG7均为典型突尖型失速先兆；单槽CG5则使得失速先兆表现出周向长尺度特征,这与突尖型失速先兆的典型特征并不一致。以上的研究展现了CG5使得失速过程出现的新特征,也表明这两个单槽对端区流动产生了不同影响。2.周向单槽对动叶端区流动影响作用及单槽开口面流动的实验研究基于对失速过程的研究,围绕以上两个单槽开展了详细的流动分析。动叶端区的流动测量结果表明无扩稳效果的CG5使近失速工况时叶顶泄漏流由机匣壁面向动叶通道内移动并增强,在端区占据了更大范围；扩稳效果较好的CG7则对叶顶泄漏流产生了抑制作用,使其仍贴近于机匣壁面。由此则可以看出这两个单槽对端区流动产生了不同的影响。在端区流动研究基础上,针对相应的单槽作用机理,进一步围绕单槽与动叶通道交界面(本文称之为开口面)处及槽内的流动开展了实验研究。为此本文设计了使用热线探针的动态测量及数据处理方法来实现开口面以及槽内流动速度绝对值的测量。所得到的结果反映出CG7开口面处单槽与通道内流动之间的相互作用相比无扩稳效果的CG5更强,而这种相互作用则由开口面向CG7槽内呈衰减趋势。这方面的工作从实验角度对开口面流动速度进行了初步讨论,在国内外文献中还未见报道,同时也在一定程度上验证了上述相互作用与扩稳效果之间的关联。3.周向单槽作用机理的分析根据已有实验结果,进一步讨论了单槽CG5和CG7的作用机理及两者之间存在较大差异的原因。针对开口面流动,通过锁相平均处理反映出CG5开口面相比于CG7出现一处新的扰动较强的速度峰值并逐渐主导了开口面流动,本文根据相应分析认为这反映出CG5产生了使部分叶顶泄漏流进入槽内并增强的作用,导致端区更易发生堵塞并形成尺度较长的失速先兆。与之相比,CG7则抑制了叶顶泄漏流并产生较好扩稳效果。在此基础上,进一步的分析及推测给出了不同轴向位置处单槽的作用机理存在较大差异的解释：CG5由于所在位置动叶负载变化及近失速时叶顶泄漏流轨迹与该槽存在重合趋势这两方面的影响使叶顶泄漏流增强并进而产生长尺度失速先兆,同时也无扩稳效果；CG7在这两方面与CG5存在的差异使叶顶泄漏流轨迹首先到达下一动叶压力面而并未进入槽内,该单槽产生抑制叶顶泄漏流的作用并具有较好扩稳效果。4.周向双槽组合对动叶端区流动影响的探讨基于单槽研究,针对几乎无扩稳效果的CG5设计了双槽CG59来讨论该槽在双槽结构中的作用。该双槽扩稳效果较明显,但低于单槽CG9。实验结果表明双槽处理时失速先兆同样具有周向长尺度特征,而CG5开口面也表现出与单槽时相类似的流动,由此导致了长尺度失速先兆形成。双槽结构中CG9减弱了CG5的上述作用并在转子出口截面明显抑制了叶顶泄漏流,从而产生了一定扩稳作用。上述分析表明对无扩稳效果的CG5来说在双槽处理时其对端区流动产生的作用与单槽时类似,在实际应用中也应避免引入类似轴向位置处的周向槽。综合上述结果,本文的主要创新点及意义在于,首先以实验手段研究了周向槽处理引起的失速先兆的变化,展现了一种既不同于突尖先兆又与传统意义上模态先兆有所区别的长尺度失速先兆,拓宽了对周向槽处理时失速过程的认识。其次,本文对周向槽开口面流动速度的实验测量展示了开口面的流动特征,在国内外研究中这方面的实验研究尚未见文献报道。最后,本文从实验角度分析了轴向位置变化时周向槽对端区流动的作用机理,揭示了无扩稳效果的CG5与已有对周向槽的普遍认识所不同的作用机理,由此加深了这方面的认识,也同时为校核数值模拟提供了详细的实验结果。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH453

【参考文献】