脉动背压离心压气机非定常性能与流场实验研究

作     者：张恺悦 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨名洋

授予年度：2020年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：脉动背压 离心压气机 全自动流场测量装置 入口流场 

摘      要：离心压气机广泛应用于车船与航空动力、化工及能源运输与转化等诸多领域,提升离心压气机性能至关重要。在相关应用领域中,当与活塞往复式运动机械联合运行或与爆轰燃烧模式耦合工作时,压气机处于强烈的脉动背压环境,其性能及流场将显著异于恒定背压工况。开展针对脉动背压条件下离心压气机的实验与理论研究,对提升动力装置性能与实现节能减排均具有重要意义。压气机入口流场是影响下游流动结构及气动稳定性的关键。本文开展了脉动背压条件下离心压气机性能及流场实验测量研究,主要包括以下内容:首先设计并建造了离心压气机非定常测试台架,自主开发了适用于高频脉动背压的全自动步进式流场测量装置,可使探针在压气机内部实时步进,克服了离心压气机紧凑的结构、高转速以及高频脉动压力带来的测量困难。其次,探明了脉动背压条件下压气机的性能及流场分布规律。结果表明:脉动背压下,压气机系统表现出显著的充满-排空效应,压比曲线呈围绕稳态的迟滞环,其尺寸、形状分别与时均流量及脉动频率相关;压气机效率较稳态下降显著,最高达近8个百分点。脉动强度在传播过程中随距离逐渐弱化,导致主叶片及分离叶片前缘压力分布存在较大差异。同时,压气机入口不同测点速度大小和相位存在明显差异。进一步测量压气机入口流场后,发现脉动背压条件下测量面上半区速度显著低于下半区,且该畸变强度随流量正相关。压气机入口速度在脉动周期内大幅振荡,且同一迟滞环内平均流量点的上升沿及下降沿的流场呈不同分布形式。压气机入口气流角在周向约85%叶高处出现明显的非对称畸变,该叶高处气流角在脉动周期内的强畸变区域占比随频率负相关。最后,通过数值分析揭示了压气机入口流场畸变的机理:叶轮出口的周向压力非均匀分布向压气机上游传播导致了压气机入口速度和气流角的畸变,同时造成脉动背压下迟滞环内相同瞬时流量点入口流场差异,畸变强度与周向压力变化的斜率正相关。