带冠动叶对轴流压气机气动特性影响的研究
发布时间：2021-02-11 13:14
压气机是燃气涡轮发动机的核心部件之一,压气机叶顶间隙流是近年来重要的研究方向之一,许多针对性的控制方法也有效地改善了叶顶间隙流动状况,但也存在一些局限性或者负面的效果。为了进一步探究提高压气机性能和改善间隙流动状况的方法,本文基于压气机实验和CFX数值模拟软件,对某两级压气机进行数值模拟研究,分析其气动性能和内部流场,并对比实验结果;本文对压气机动叶叶顶做了加冠处理,并进行数值模拟,研究加冠处理的动叶在消除原有叶顶间隙的泄漏形式后,会对压气机产生何种影响,并与原压气机数值模拟的结果进行对比分析,研究动叶叶顶加冠处理的可行性,为压气机叶顶间隙流的控制研究提供参考,主要内容如下:1、数值模拟方法的验证。以两级跨音级轴流压气机为研究对象,采用数值模拟的方法得到压气机的不同转速下的性能特性曲线,并与实验结果进行对比分析,验证了数值模拟方法的可靠性。2、压气机内部流场的分析。分析了不同转速不同叶高截面在近峰值效率工况、近失速工况和阻塞工况的相对马赫数云图变化情况,揭示了压气机在近失速工况和阻塞工况的不稳定流态的分布情况,同时还分析了在标准转速下不同工况叶片表面极限流线图,从中展示了动静叶全叶高不...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
转子内部流场的不稳定流态压气机作为燃气涡轮发动机的核心部件之一，压气机作为燃气涡轮发动机的关键组
2会导致叶片发生疲劳断裂[1]。设计人员在压气机的设计过程中不得不考虑压气机这些诸多因素，例如不稳定工况导致叶片分离现象加剧，使叶顶间隙带来的负面作用增大。压气机叶顶间隙流是近年来一个重要的研究方向，已有许多研究人员对其机理进行了大量深入研究，皆表明叶顶间隙流动状况对压气机的性能有着重要的影响。同时，为了抑制叶顶间隙流动所带来的不利影响，相应的控制技术也应运而生，图1.1为转子内部流场的不稳定流态。1.2压气机叶顶间隙研究现状压气机转子相对于机匣做高速旋转运动，为了避免转子叶片的顶部与机匣发生摩擦和碰撞，叶片和机匣之间会留有一定的间隙。而叶顶间隙的存在，使叶尖附近的流场复杂化，压气机叶顶间隙附近的流场具有非常复杂的三维粘性流动特点，如图1.2所示，由于转子叶片的吸力面和压力面存在压差，使得一部分少量流体从叶片顶部的间隙流过，我们称作叶顶间隙泄漏流，流过间隙的泄漏流会与主流道的气流相互掺混，形成叶顶附近特有的流常根据大量研究表明，压气机的叶顶间隙的存在对压气机的效率、压比和稳定性都有一定的影响，叶顶间隙泄漏流引起的流动损失已占到总损失的一半左右,成为了影响压气机性能的主要因素之一[2-5]。图1.2叶顶间隙泄漏流多年来，叶顶间隙对压气机总体性能影响的机理研究一直是研究人员思考的热点问题，目前已取得了许多有价值研究成果，但还是有许多难点问题尚未解决，泄漏流、主流、叶片和机匣附面层等之间的相互干扰掺混使得叶顶处气流的流动特性变得极为复杂，具有明显的非定常性，而目前针对叶顶间隙的研究方法主要有理论模型、实验测量和数值模拟三种[6]。因此，探究叶顶间隙泄漏的流动机理和优化抑制泄漏流的方法对压气机性能的提升十分重要。
4普勒测速仪(简称LDV)测量出了叶栅叶顶间隙处的流场的平均速度场，通过分析发现叶顶间隙泄漏涡影响了弦向中部间隙处的压力载荷从而对此处的速度产生了影响，中部间隙处速度几乎是均匀的，在特定弦长处速度从压力面到吸力面是增加的，整体的弦向看几乎不变，叶顶间隙流动就像射流一样。Schrapp[17,18]等人利用PIV(粒子图像测速法)实验测量叶栅叶顶间隙附近流场，随着出口背压的不断升高，在近失速工况附近，间隙的旋涡会发生变化，旋涡的轴向速度会下降到接近于零，通道内会形成一个低动量气流，随后分解为两个方向的旋涡。韩少冰等人[19]采用五孔探针测量压气机叶栅出口截面气动参数，研究了不同叶顶间隙高度和进口气流角对压气机叶顶间隙角区分离流动的影响机理，结果表明，压气机存在“最佳叶顶间隙”，当间隙大小适宜时，泄漏流能抑制叶片吸力面附面层与顶部二次流的相互作用，从而抑制三维角区分离流动，叶栅性能得到提高，冲角大小对叶顶泄漏涡、二次流等影响比较敏感，同时间隙的增大和主流冲角的减小都会使叶顶间隙所引发的泄漏涡向下游移动。图1.3叶顶间隙引发的旋涡平面叶栅的实验方法虽说实用方便，但没有考虑离心力和哥式力等因素的影响，与实际压气机的的实验结果还是有所差异，近年来随着实验测试技术的发展，叶顶间隙的研究逐渐采用压气机来实施。Stauter[20]利用激光多普勒测速仪测量了一台两级轴流压气机的二级动叶的间隙流场，通过分析发现泄漏涡只出现在特定的某些弦长位置，泄漏涡从产生到消失经历了由强到弱，然后又由弱变强的发展过程。桂幸民[21]利用高频动态压力传感器对J69-T41A(WP11)发动机跨音速单级轴流压气机的转子叶顶间
【参考文献】：
期刊论文
[1]组合型机匣处理提高轴流压气机稳定性的机理[J]. 张皓光,王云鹏,吴俊,楚武利,吴艳辉. 航空动力学报. 2015(01)
[2]轴流压气机叶顶喷气扩稳机理试验研究[J]. 李继超,刘乐,童志庭,林峰,聂超群. 机械工程学报. 2014(22)
[3]孔式抽吸对带间隙高负荷压气机性能的影响[J]. 孙士珺,陈绍文,王春雪,王松涛. 推进技术. 2014(09)
[4]转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制[J]. 刘东健,李军,李建伟,罗志煌,李凡玉. 航空动力学报. 2014(07)
[5]叶顶间隙对轴流压气机性能及流场的影响[J]. 孙海鸥,叶楠,王纪达,宫宇,王忠义. 航空发动机. 2014(03)
[6]进口畸变下新型处理机匣改善压气机性能的机理研究[J]. 张皓光,王云鹏,吴俊,楚武利,吴艳辉,刘传乐. 推进技术. 2014(08)
[7]压气机转子叶尖区域流动特征的观测与分析[J]. 刘东健,李军,蒋爱武,李成龙,李凡玉. 航空动力学报. 2014(05)
[8]带自适应流通处理机匣的轴流压气机全通道数值研究[J]. 张皓光,吴俊,楚武利,吴艳辉,李相君. 推进技术. 2013(07)
[9]叶尖泄漏与压气机叶栅三维角区分离相互作用实验研究[J]. 韩少冰,钟兢军,陆华伟,阚晓旭. 推进技术. 2013(02)
[10]基于泄漏流控制的轴流压气机叶顶前缘端削设计[J]. 王维,楚武利,张皓光. 热能动力工程. 2012(05)
博士论文
[1]轴流压气机叶尖间隙影响失速的机理及周向单槽机匣处理扩稳研究[D]. 谢芳.西北工业大学 2015
本文编号：3029167
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
转子内部流场的不稳定流态压气机作为燃气涡轮发动机的核心部件之一，压气机作为燃气涡轮发动机的关键组
2会导致叶片发生疲劳断裂[1]。设计人员在压气机的设计过程中不得不考虑压气机这些诸多因素，例如不稳定工况导致叶片分离现象加剧，使叶顶间隙带来的负面作用增大。压气机叶顶间隙流是近年来一个重要的研究方向，已有许多研究人员对其机理进行了大量深入研究，皆表明叶顶间隙流动状况对压气机的性能有着重要的影响。同时，为了抑制叶顶间隙流动所带来的不利影响，相应的控制技术也应运而生，图1.1为转子内部流场的不稳定流态。1.2压气机叶顶间隙研究现状压气机转子相对于机匣做高速旋转运动，为了避免转子叶片的顶部与机匣发生摩擦和碰撞，叶片和机匣之间会留有一定的间隙。而叶顶间隙的存在，使叶尖附近的流场复杂化，压气机叶顶间隙附近的流场具有非常复杂的三维粘性流动特点，如图1.2所示，由于转子叶片的吸力面和压力面存在压差，使得一部分少量流体从叶片顶部的间隙流过，我们称作叶顶间隙泄漏流，流过间隙的泄漏流会与主流道的气流相互掺混，形成叶顶附近特有的流常根据大量研究表明，压气机的叶顶间隙的存在对压气机的效率、压比和稳定性都有一定的影响，叶顶间隙泄漏流引起的流动损失已占到总损失的一半左右,成为了影响压气机性能的主要因素之一[2-5]。图1.2叶顶间隙泄漏流多年来，叶顶间隙对压气机总体性能影响的机理研究一直是研究人员思考的热点问题，目前已取得了许多有价值研究成果，但还是有许多难点问题尚未解决，泄漏流、主流、叶片和机匣附面层等之间的相互干扰掺混使得叶顶处气流的流动特性变得极为复杂，具有明显的非定常性，而目前针对叶顶间隙的研究方法主要有理论模型、实验测量和数值模拟三种[6]。因此，探究叶顶间隙泄漏的流动机理和优化抑制泄漏流的方法对压气机性能的提升十分重要。
4普勒测速仪(简称LDV)测量出了叶栅叶顶间隙处的流场的平均速度场，通过分析发现叶顶间隙泄漏涡影响了弦向中部间隙处的压力载荷从而对此处的速度产生了影响，中部间隙处速度几乎是均匀的，在特定弦长处速度从压力面到吸力面是增加的，整体的弦向看几乎不变，叶顶间隙流动就像射流一样。Schrapp[17,18]等人利用PIV(粒子图像测速法)实验测量叶栅叶顶间隙附近流场，随着出口背压的不断升高，在近失速工况附近，间隙的旋涡会发生变化，旋涡的轴向速度会下降到接近于零，通道内会形成一个低动量气流，随后分解为两个方向的旋涡。韩少冰等人[19]采用五孔探针测量压气机叶栅出口截面气动参数，研究了不同叶顶间隙高度和进口气流角对压气机叶顶间隙角区分离流动的影响机理，结果表明，压气机存在“最佳叶顶间隙”，当间隙大小适宜时，泄漏流能抑制叶片吸力面附面层与顶部二次流的相互作用，从而抑制三维角区分离流动，叶栅性能得到提高，冲角大小对叶顶泄漏涡、二次流等影响比较敏感，同时间隙的增大和主流冲角的减小都会使叶顶间隙所引发的泄漏涡向下游移动。图1.3叶顶间隙引发的旋涡平面叶栅的实验方法虽说实用方便，但没有考虑离心力和哥式力等因素的影响，与实际压气机的的实验结果还是有所差异，近年来随着实验测试技术的发展，叶顶间隙的研究逐渐采用压气机来实施。Stauter[20]利用激光多普勒测速仪测量了一台两级轴流压气机的二级动叶的间隙流场，通过分析发现泄漏涡只出现在特定的某些弦长位置，泄漏涡从产生到消失经历了由强到弱，然后又由弱变强的发展过程。桂幸民[21]利用高频动态压力传感器对J69-T41A(WP11)发动机跨音速单级轴流压气机的转子叶顶间
【参考文献】：
期刊论文
[1]组合型机匣处理提高轴流压气机稳定性的机理[J]. 张皓光,王云鹏,吴俊,楚武利,吴艳辉. 航空动力学报. 2015(01)
[2]轴流压气机叶顶喷气扩稳机理试验研究[J]. 李继超,刘乐,童志庭,林峰,聂超群. 机械工程学报. 2014(22)
[3]孔式抽吸对带间隙高负荷压气机性能的影响[J]. 孙士珺,陈绍文,王春雪,王松涛. 推进技术. 2014(09)
[4]转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制[J]. 刘东健,李军,李建伟,罗志煌,李凡玉. 航空动力学报. 2014(07)
[5]叶顶间隙对轴流压气机性能及流场的影响[J]. 孙海鸥,叶楠,王纪达,宫宇,王忠义. 航空发动机. 2014(03)
[6]进口畸变下新型处理机匣改善压气机性能的机理研究[J]. 张皓光,王云鹏,吴俊,楚武利,吴艳辉,刘传乐. 推进技术. 2014(08)
[7]压气机转子叶尖区域流动特征的观测与分析[J]. 刘东健,李军,蒋爱武,李成龙,李凡玉. 航空动力学报. 2014(05)
[8]带自适应流通处理机匣的轴流压气机全通道数值研究[J]. 张皓光,吴俊,楚武利,吴艳辉,李相君. 推进技术. 2013(07)
[9]叶尖泄漏与压气机叶栅三维角区分离相互作用实验研究[J]. 韩少冰,钟兢军,陆华伟,阚晓旭. 推进技术. 2013(02)
[10]基于泄漏流控制的轴流压气机叶顶前缘端削设计[J]. 王维,楚武利,张皓光. 热能动力工程. 2012(05)
博士论文
[1]轴流压气机叶尖间隙影响失速的机理及周向单槽机匣处理扩稳研究[D]. 谢芳.西北工业大学 2015
本文编号：3029167
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