低速轴流压气机旋转失速的数值模拟研究

发布时间：2020-08-15 07:06

【摘要】：对压气机旋转失速机理的研究和认识，进而实现对其进行控制，对于提高航 空发动机及其它燃气轮机的性能和可靠性具有重要意义。本文研究工作的目的就 是，发挥数值模拟相对于实验研究的特殊作用，探索压气机旋转失速发生和发展 过程中叶片通道内部的流体力学机制。 这项工作除了对计算机资源要求很高和需要适用的、相对精确的计算流体力 学方法和程序外，难度主要在于对复杂物理现象数值模拟的算法选择、各种限定 条件的设定以及实用的计算结果分析方法。本文在非定常Navier-Stokes方程的 框架内，采用了能模拟流动失稳瞬态过程的节流阀模型，对系统的非定常特性、 对叶片通道的周向(叶片数)和轴向(单级和单转子及其上下游)域进行了充分的计 算比较，分别实现了对一台三级低速轴流压气机中单级二维旋转失速过程和单转 子三维旋转失速过程的数值模拟。在对计算结果的分析中，采用了可与实验观测 类比的数字传感器方法，不仅可以再现失速先兆的发展过程，而且实现了失稳过 程中叶片载荷动态特性的分析。 对于失速先兆特性的模拟，没有外加人工扰动，压气机第一级二维计算的先 兆类型为模态波型，而单转子和拉开轴向间隙的单级二维计算模拟给出的是突发 型失速。失速类型的差异，说明在级环境中静叶对动叶通道内小尺度扰动有抑制 作用，去掉静叶或者拉开轴向间隙有利于突发型先兆的发展，因此在该压气机第 一级孤立转子的三维计算中，同样得到了突发型失速先兆结果。具有顶部间隙的 三维计算还表明，间隙泄漏涡的发展对突发型失速先兆的产生起主导作用。 分析失速过程的通道内部流场，对于单级二维计算所模拟的模态波型失速， 在节流过程中，从开始时所有叶片吸力面同时产生分离，到失速过程中逐渐出现 的周向不均匀流场，最后连续发展为具有4至5个叶片通道周向尺度的失速团。 而在单转子三维计算中，从每个通道几乎相同的流动状态，在几个转子周期内， 泄漏涡的位置向上游和相邻叶片压力面运动，泄漏涡的增长会集中到2至3个通 道，呈现出对应于突发型失速先兆到失速团的加速过程；在此过程中，失速团还 经历了径向迁移、轴向扩展和周向传播的三维空间结构变化。 上述二维和三维计算中，为了研究失速过程中叶片通道内部的流体力学机 制，不但采用了压力分布、速度分布、粒子示踪和油流图等分析方法，得到回流 区、堵塞、分离涡、项部泄漏涡等流场的变化细节；还通过沿动叶弦向布置的数 字传感器，分析了叶片载荷即通道内部动态压力的变化。从失速前各通道基本相 同的锯齿波，在单级二维计算所模拟的模态波型失速中，一部分通道的锯齿波幅 度变小，此后变化幅度慢慢增强并在连续发展到失速团后稳定下来；而在单转子 摘要 三维计算中突发型先兆出现后，锯齿波破坏的情况要严重得多，一部分通道甚至 出现压力面的压力小于吸力面。 数值模拟结果与压气机实验数据进行的比较表明，计算与实验的特性线符合 较好，单转子三维计算与压气机三级实验中第一级转子在失速先兆类型、失速团 个数以及先兆和失速团传播速度的变化趋势等方面一致，并且数值失速过程中动 叶通道内部动态压力的变化与实验结果也很接近。
【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】：2004
【分类号】：TH45
【图文】：

二维计算网格(叶片通道内及动静叶滑移面附近)

转子轮毅和叶片表面的计算网格

图5.30多通道非定常计算，失速过程中5个时间步下叶片吸力面上的油流显示(无顶部间隙)00一O一一O一Zd0.380.400.420.440460480.500.520.540.560.580.600.62F!OU甘COeffiCient…l|门JJ1|十0.3005550505|5544332乃‘1000八U00000村Ua一O一七00005一比巴二SSejd.

【引证文献】

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本文编号：2793783