跨声速压气机静叶三维旋涡结构研究

发布时间：2017-10-02 18:00

  本文关键词：跨声速压气机静叶三维旋涡结构研究

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【摘要】：先进的燃气轮机技术已经成为衡量一个国家工业水平、军事实力,甚至是综合国力的重要标志之一,同时也是各国科技及军事工业优先发展的领域和重点研发的对象,作为燃气轮机的三大核心部件之一的压气机对燃气轮机的总体性能起到关键的作用。压气机内的气体流动存在黏性、可压缩和非定常的三维流动特征,流场中总是存在气流的分离及旋涡运动,这些复杂的流体运动影响着压气机的高效运转及稳定运行。因此,了解并掌握压气机内分离流动与旋涡结构产生与发展的机理,对于改善压气机气动性能,降低流动损失,提高效率与稳定性具有重要意义。国内外对于压气机旋涡结构的研究工作,大多是基于时均流场下的旋涡结构,或者是关注于动叶叶顶泄漏流动等压气机内局部区域的非定常流动,对于压气机全流道内的三维非定常旋涡结构的研究工作则较少。本论文以某型单级轴流式跨声速压气机为研究对象,研究压气机静叶三维非定常旋涡结构及其时空演化机制。首先,利用NASA Rotor37的试验数据对数值模拟软件ANSYS CFX进行了详细的校核,验证了数值分析的可信性。同时,采用低速压气机试验测量结果对环形叶栅直角坐标系下的二次流公式做了详细的分析。其次,对于定常计算得到的压气机在设计转速下的设计工况、近失速工况和阻塞工况时静叶叶片表面和轮毂端壁流场结构进行了详细的气动和拓扑分析,并采用Q-准则方法补充静叶流道内旋涡结构演化规律,最终建立了跨声速压气机静叶三维定常旋涡结构。结果表明：设计工况下,在静叶顶部吸力面侧存在一个闭式分离区：在近失速工况下,静叶吸力面气流大部分处于分离状态,有可能导致压气机的静叶失速；在阻塞工况下,由于静叶两侧的超声速流动和激波导致叶片两侧均发生气流分离,并导致压气机流道发生阻塞。压气机设计工况下的三维定常旋涡结构主要有：气流绕流静叶前缘形成的马蹄涡、在横向压力梯度作用下从叶片压力面脱落形成的压力面分离涡、受到马蹄涡压力面分支和压力面分离涡相互搓洗而形成的通道涡、从叶片吸力面分离形成的集中脱落涡等旋涡结构。在近失速工况下,叶片吸力面的大范围气流分离流动形成复杂的吸力面分离涡系。在阻塞工况下,静叶压力面侧涡系相互作用新生成出通道涡的衍生涡。进而,在建立起来的压气机静叶三维定常旋涡结构的基础上,从设计转速下压气机失速过程和比转速下的压气机近失速工况两个角度,用拓扑分析方法建立了压气机失速过程的静叶旋涡结构,并用拓扑表征法来解释压气机动态失速机理。结果表明：压气机在设计转速下的失速过程主要体现在静叶吸力面气流的分离程度不断加剧,从一个闭式分离区发展到空间闭式分离泡,并形成径向分离涡,并且随着分离程度的扩大,形成复杂的吸力面分离涡系,这一方面削弱其他涡系,另一方面卷积了大量的低能流体团,堆积在流道内,形成闭式分离区域,堵塞了流道,减小了有效通流面积,降低了压气机流量。同时,由于涡系之间的搓洗、吞并与破裂,及其对低能流体团的输运,造成能量损失,削弱了压气机的增压能力,有可能造成压气机的静叶失速。在比转速下,压气机近失速工况的分离区域范围随着转速的升高而不断扩大,而不同转速下压气机近失速工况的旋涡结构基本一致。最后,对压气机设计工况下的流场进行了详细的非定常计算,通过压气机流场的熵、静压和马赫数以及叶片表面和端壁的流线等气动参数的分布详细地分析了非定常因素(动叶尾迹、动叶叶顶泄漏流动、静叶流道内激波与附面层相互作用等)对压气机静叶流场的影响机理,建立了压气机静叶三维非定常旋涡结构模型,揭示了非定常因素对旋涡结构的影响机理。结果表明：压气机静叶三维定常旋涡结构和非定常旋涡结构基本一致,非定常因素主要是影响了旋涡的生成位置以及旋涡的强度和尺寸,使这些参数发生了非定常的周期性波动。动叶尾迹对下游静叶的扫掠造成了动静叶交界面气流角的周期性波动,影响了静叶来流冲角,并且影响静叶吸力面激波强度,还改变了静叶流道内的静压场分布,从而影响通道涡及压力面分离涡的强度和生成位置,并影响了静叶吸力面叶表分离程度及集中脱落涡的形态。静叶流道内的激波强度的变化,影响了激波对静叶叶表附面层的作用,导致静叶前缘闭式分离泡的形态发生周期性变化；同时,激波造成的熵增的波动,最终导致压气机级效率的周期性波动。动叶叶顶泄漏流动主要是改变了静叶冲角的分布,并抑制了静叶前缘马蹄涡的生成。
【关键词】：跨声速压气机 静叶 三维流动 旋涡结构 拓扑分析
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK474.8
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 符号表14-17
• 第1章 绪论17-37
• 1.1 课题研究背景及意义17-19
• 1.2 叶轮机械旋涡结构研究现状19-30
• 1.2.1 无叶顶间隙的叶栅旋涡结构模型20-26
• 1.2.2 带有叶顶间隙的叶栅旋涡结构模型26-28
• 1.2.3 压气机级的旋涡结构模型28-30
• 1.3 变工况下压气机流场与旋涡结构研究现状30-33
• 1.4 影响压气机非定常流场与旋涡结构的因素研究现状33-35
• 1.4.1 激波/附面层干涉对压气机流场与旋涡结构的影响33
• 1.4.2 叶顶泄漏流动对压气机流场与旋涡结构的影响33-34
• 1.4.3 叶列间的流场对压气机流场与旋涡结构的影响34-35
• 1.5 本论文的主要研究内容和目标35-37
• 第2章 数值模拟手段与流场分析方法37-53
• 2.1 引言37
• 2.2 研究对象介绍37-40
• 2.2.1 研究对象的主要几何尺寸37
• 2.2.2 研究对象选取依据37-39
• 2.2.3 非定常计算时动静叶片数目的选取39-40
• 2.3 数值模拟方法及求解方案40-47
• 2.3.1 ANSYS CFX的结构40-41
• 2.3.2 控制方程41
• 2.3.3 计算方法41-42
• 2.3.4 ANSYS CFX中的湍流模型42-43
• 2.3.5 数值模拟方法的校核43-45
• 2.3.6 数值模拟网格及网格无关性验证45-46
• 2.3.7 本文研究所采用的方案46-47
• 2.4 二次流及其分析方法47-51
• 2.4.1 二次流定义及分析47-48
• 2.4.2 拓扑规律48-51
• 2.5 气动参数的处理方法51
• 2.6 本章小结51-53
• 第3章 跨声速压气机定常流场与旋涡结构分析53-97
• 3.1 引言53
• 3.2 设计工况下流场与旋涡结构53-68
• 3.2.1 静叶叶片表面和端壁流动分析54-58
• 3.2.2 拟S3流面拓扑分析58-64
• 3.2.3 三维旋涡结构建模及分布64-68
• 3.3 近失速工况下流场与旋涡结构68-79
• 3.3.1 静叶叶片表面和端壁流动分析68-71
• 3.3.2 拟S3流面拓扑分析71-77
• 3.3.3 三维旋涡结构建模及分布77-79
• 3.4 阻塞工况下流场与旋涡结构79-92
• 3.4.1 静叶叶片表面和端壁表面流动分析79-83
• 3.4.2 拟S3流面拓扑分析83-90
• 3.4.3 三维旋涡结构建模及分布90-92
• 3.5 流场总奇点数变化规律92-95
• 3.6 本章小结95-97
• 第4章 跨声速压气机静叶失速的旋涡拓扑表征97-133
• 4.1 引言97
• 4.2 设计转速下压气机静叶失速过程的旋涡结构分析97-114
• 4.2.1 静叶失速过程的壁面流动分析98-103
• 4.2.2 静叶失速过程的拟S3流面拓扑分析103-109
• 4.2.3 静叶失速过程的三维旋涡结构分析109-113
• 4.2.4 静叶失速过程的旋涡结构演化规律113-114
• 4.3 比转速下压气机静叶失速工况的旋涡结构分析114-131
• 4.3.1 静叶失速工况的壁面流动分析114-119
• 4.3.2 静叶失速工况的拟S3流面拓扑分析119-127
• 4.3.3 静叶失速工况的三维旋涡结构分析127-131
• 4.4 旋涡结构表征的静叶失速机理131-132
• 4.5 本章小结132-133
• 第5章 非定常因素对跨声速压气机静叶流场与旋涡结构的影响133-173
• 5.1 引言133-134
• 5.2 动叶尾迹对压气机静叶流场的影响134-142
• 5.2.1 动叶尾迹对下游静叶的扫掠过程分析134-136
• 5.2.2 动叶尾迹对动静叶交界面气流角的影响分析136-137
• 5.2.3 动叶尾迹对静叶叶表静压分布的影响137-138
• 5.2.4 动叶尾迹对静叶表面流场的非定常影响分析138-142
• 5.3 动叶叶顶泄漏流动对压气机静叶流场的影响142-150
• 5.3.1 压气机动叶叶顶泄漏流动状态分析142-145
• 5.3.2 动叶叶顶泄漏演化过程分析145-147
• 5.3.3 静叶入口顶部截面流场分析147-150
• 5.4 激波/附面层对压气机静叶流场的影响150-156
• 5.4.1 跨声速压气机静叶流道内激波与附面层相互作用机理150-152
• 5.4.2 静叶表面马赫数分布分析152-153
• 5.4.3 静叶根部区域激波的时空演化分析153-156
• 5.5 压气机静叶三维非定常旋涡结构研究156-172
• 5.5.1 t=0 T时刻,拟S3流面拓扑分析156-162
• 5.5.2 不同时刻,拟S3流面拓扑分析162-170
• 5.5.3 三维非定常旋涡结构演化机制170-172
• 5.6 本章小结172-173
• 结论173-175
• 参考文献175-184
• 攻读学位期间公开发表论文184-185
• 致谢185-186
• 作者简介186

【参考文献】

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本文编号：960996