轴流压气机中叶尖泄漏涡、失速先兆、叶尖微喷气非定常关联性的实验研究

发布时间：2020-03-28 05:36

【摘要】： 压缩系统中对以旋转失速和喘振为代表的流动失稳现象的控制，一直是困扰叶轮机械工业界的难题，也是推动当今流动失稳机理研究深一步开展的主要动力。本文的研究目的有两层：一、机理方面，对低速轴流压气机的转子顶部进行微喷气已经证明可以有效的抑制旋转失速，对微喷气引起的非定常响应机制也有初步证明，但对所对应的物理现象尚不够清楚。而近年来，人们发现在某些流动条件下，叶顶泄漏涡会产生明显的非定常波动，并影响压气机的总性能。这就形成了对物理现象研究的一个重要思路，那就是探求泄漏涡非定常波动的形成机理以及这种非定常性与旋转失速之间的关系。就微喷气而言，则是探求微喷气的响应机制与泄漏涡非定常性之间的关系。本文的第一部分将通过一系列实验来确证与分析这种关系。二、应用方面，微喷气作为一种新的扩稳措施，它的成功与否要看最终能否应用于实际的压气机中，因此为了在实际应用中实现最佳的扩稳效果，，提供指导性的微喷气参数设计准则是本文的第二个目的。在第三章中，本文首先针对喷嘴结构进行了改进，一方面是使喷嘴结构向实用化推进，另一方面是改进后的喷嘴结构可以用来直接观察微喷气作用于泄漏涡的结果。通过一系列的实验表明：喷气的影响区域越贴近叶项区域，扩稳效果越好，此时扩稳效果的好坏将取决于喷气的出口动量。在第四章中，对于如何研究泄漏涡非定常性与旋转失速之间的关系，首先需要能从实验数据清晰地确认泄漏涡的位置及其非定常性的发生。本文通过对转子顶部的壁面静压采用锁相平均法和均方差分析来判断泄漏涡的起始位置和轨迹走向，然后结合功率谱分析确证由泄漏涡非定常性引起的特征频带。对在压气机机匣沿周向所布置的8只传感器分析结果发现：压气机的上半周泄漏涡非定常性表现活跃，而下半周非定常性几乎不出现，而泄漏涡非定常性活跃的地方也正是已实验证明的突尖型先兆的源头，表明了泄漏涡非定常性与旋转失速存在某种关系。在第五章中，基于微喷气能够提高压气机的稳定性(正面影响)，因而可将它作为一种手段用于本项研究，以求进一步验证泄漏涡非定常性与旋转失速的关系。首先在泄漏涡非定常性发生之前和之后进行喷气，对结果的分析表明：微喷气可以将泄漏涡的起始位置向下游推移，相当于抑制了泄漏涡非定常性的发生，从而推迟失速的发生。接着通过不同轴向喷气位置和不同周向位置喷气的结果都表明：顶部微喷气可以有效抑制泄漏涡非定常性的发生。这些结果从正面的效应验证了泄漏涡非定常性与旋转失速存在的关系。在第六章中，基于进口畸变可以降低压气机稳定性(负面影响)，将它也作为一种研究手段，从另一角度来验证泄漏涡非定常性与旋转失速的关系。实验结果表明：进口畸变与泄漏涡非定常性活跃的地方相重叠时会大大降低压气机稳定性，而不重叠时压气机的稳定性相对较好。另外，存在进口畸变下，微喷气也可以有效提高压气机的稳定性。在第七章中，基于低亚音速压气机和高亚音速压气机上施加微喷气实验结果的相互验证与分析，为在实际应用中实现最佳的扩稳效果，提出了若干指导性的微喷气参数设计准则，例如喷嘴轴向安装位置最好位于动叶前缘附近，喷气方向沿轴向方向，扩稳效果取决于喷气出口动量等。
【图文】：

单通道,计算结果,泄漏涡

图1.2Vo单通道计算结果实际压气机中，叶片通道中存在着各种非定常流动，既包括因为叶排气动干涉形成的固有非定常流动，也包括尾迹脱落、泄漏涡和其他复杂流动自身的非定常波动。近年来，国内外学者对泄漏涡自身的非定常性十分感兴趣。Wemet等l;5]采用DPIV技术对某低速多级轴流压气机第一级动叶顶部间隙区域的流场测量结果发现:在近失速点，泄漏涡的轨迹变得非常凌乱，泄漏涡呈现出明显的非定常波动状态。Mailach等四给出了一种新的现象一一旋转不稳定性。他们在某低速轴流压气机中发现动叶顶部泄漏涡在近失速工况和大叶顶间隙条件下会和相邻叶片发生周期性碰撞，由此形成旋转不稳定性。在随后的压气机平面叶栅实验中，他们同样发现只有在大间隙和大攻角时，顶部泄漏涡才会和相邻叶片发生周期性干涉，形成沿着叶片周向传播的短尺度非定常扰动。但他们认为这种现象是顶部间隙噪声和叶片振动的根源，与失速先兆没有必然联系。Marz等人[77]对轴流风扇转子的实验和数值计算结果也证实了这一流动现象会发生在近失速工况点邓

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夸2.1低速单转子压气机实验台及数据采集设备简介夸 2.1.1低速轴流压气机实验台介绍图2.1是低速单转子轴流压气机实验台的照片，实验压气机的通道外径为0.5m，内径为0.375m，空气由外径o.7m的双扭线进气口，经过一小段扩压段和平直段后进入压气机。该压气机用一台18.skw交流电机驱动，转速调节由一台SANKEN变频器实现，变频器的输出频率误差在士0.01%，并且具有转速跟踪、瞬间电压补偿和瞬停再启动等功能。压气机设计转速为2400印m。具体参数如表2.2所示。图2.1低速单转子压气机实验台表2.2单转子低速轴流压气机实验件的气动及结构参数转转子
【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】：2006
【分类号】：TH453

【引证文献】