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航空压气机机匣处理技术研究综述

飞航导弹 2018年第6期 85-90页

作者：徐志晖阳尧沈阳航空航天大学

航空发动机被誉为"现代工业皇冠上的明珠",是衡量一个国家国防科技水平的重要标准,其中航空压气机作为高性能航空发动机不可或缺的一部分,对发动机整机性能影响巨大。机匣处理技术作为一种提高发动机稳定裕度的手段,被广泛运用在现代涡... 详细信息

航空发动机被誉为"现代工业皇冠上的明珠",是衡量一个国家国防科技水平的重要标准,其中航空压气机作为高性能航空发动机不可或缺的一部分,对发动机整机性能影响巨大。机匣处理技术作为一种提高发动机稳定裕度的手段,被广泛运用在现代涡轮喷气发动机压气机上。介绍了机匣处理技术以及机匣处理研究手段,详细描述了不同阶段机匣处理研究发展,提出了机匣处理研究目前存在的问题,并分析了其发展趋势。

关键词：航空压气机稳定裕度机匣处理

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半开式离心叶轮自循环机匣处理扩稳机理研究

计算机仿真 2012年第9期29卷 37-41,173页

作者：卜远远楚武利张皓光西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072

为了改善传统的机匣处理在取得扩稳效果的同时伴随着叶轮绝热效率的下降,提出了一种新式的自循环机匣处理结构,并针对LSCC离心叶轮利用数值仿真的方法研究了处理的扩稳机理。分析表明,自循环机匣处理能有效的延迟失速的发生并在近失速... 详细信息

为了改善传统的机匣处理在取得扩稳效果的同时伴随着叶轮绝热效率的下降,提出了一种新式的自循环机匣处理结构,并针对LSCC离心叶轮利用数值仿真的方法研究了处理的扩稳机理。分析表明,自循环机匣处理能有效的延迟失速的发生并在近失速区域略微提高压气机的绝热效率以及总压比。通过详细的流场仿真表明,用循环形式的机匣处理结构能有效地增大进口轴向速度以及叶顶区的气流进气角度,抑制了间隙泄漏涡在叶顶通道内的发展,从而减少叶轮叶顶区域的流动损失。

关键词：离心叶轮数值分析失速裕度自循环机匣处理

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离心压气机机匣处理多工况性能预测与分析

流体机械 2013年第2期41卷 48-52页

作者：龚义朝杜礼明王澄宇王焱大连交通大学玉柴大连涡轮增压技术研发中心辽宁大连116028

机匣处理作为一种高效、经济的扩稳技术,越来越多的被用以提高压气机的稳定工作裕度。为了研究机匣处理对离心压气机多工况性能的影响,本文对3种进气回流机匣结构的压气机模型和无机匣处理的实壁压气机模型分别进行了数值仿真分析。数... 详细信息

机匣处理作为一种高效、经济的扩稳技术,越来越多的被用以提高压气机的稳定工作裕度。为了研究机匣处理对离心压气机多工况性能的影响,本文对3种进气回流机匣结构的压气机模型和无机匣处理的实壁压气机模型分别进行了数值仿真分析。数值计算结果与最优模型的试验结果吻合较好,比较准确的预测了喘振边界的位置,验证了计算方法的可靠性。结果表明,只有结构合理的进气回流机匣处理才能在各个转速下均显著扩大压气机小流量的稳定工作范围,其中机匣处理的开槽位置和前置导流挡板对其性能有着重要影响。

关键词：离心式压气机机匣处理性能预测多工况

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跨声速风扇机匣处理非定常流动分析及某进气道数值计算

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跨声速风扇机匣处理非定常流动分析及某进气道数值计算

作者：姚刚南京航空航天大学

学位级别：硕士

机匣处理是一项被较早研究和运用的压气机被动扩稳技术,它具有结构简单,制造成本低,改型方便,可靠性高,扩稳效果好等优点。然而,传统的设计依旧依赖于试验和反复的修改,具有很大的盲目性。对处理槽内的非定常流动及其扩稳机理的本质仍... 详细信息

机匣处理是一项被较早研究和运用的压气机被动扩稳技术,它具有结构简单,制造成本低,改型方便,可靠性高,扩稳效果好等优点。然而,传统的设计依旧依赖于试验和反复的修改,具有很大的盲目性。对处理槽内的非定常流动及其扩稳机理的本质仍缺乏深刻的认识。关于机匣处理的CFD数值模拟还主要停留在定常流动假设的前提下,具有一定的局限性,迫切需要对其开展非定常方面的研究工作。本文以某三级轴流跨声速风扇第一级为原型,将NUMECA软件中的AUTOGRID和IGG两大模块相结合,在其第一级转子叶尖对应机匣处设计出了复杂且精密的具有-42%～52%轴向叠合量的带背腔轴向倾斜缝式处理机匣,并对其进行了非定常数值计算与分析,走出了一条通向机匣处理非定常研究之路。具体的内容主要包括三方面:光壁下对网格模型的校核;带处理槽后流场非定常计算与扩稳机理分析;非定常计算时的相对位置个数大小初探。结果表明:针对所设计的存在三个转/静交接面的网格模型,在加处理机匣前后(光壁/带机匣处理),都必须用非定常方法来进行数值模拟计算,才能正确的模拟扩稳效果;轴向倾斜缝式处理机匣能够不断地将转子叶片通道上游区域的顶部间隙泄露流或者由于间隙泄露涡破裂导致的阻塞抽吸进入处理槽,通过典型的喷射/抽吸作用,改善了叶顶前沿激波结构和叶顶来流状况,降低了转子叶顶的压力面载荷和间隙泄露流强度,抑制了间隙泄露涡破裂现象的发生,最终使得叶片通道上游区域的大尺度堵塞团基本被消除,从而有效地提高了跨声速压气机的失速裕度;非定常计算中计入的相对位置个数大小n对结果也有略微的影响。此外,文中还用某商用软件对某型进气道进行了三个飞行状态点的数值模拟工作,并对其流场进行了分析。结果表明,机身的缺少,对进气道出口截面的流场尤其是畸变指数DC60具有比较明显的影响。

关键词：机匣处理非定常叶轮机跨声速压气机扩稳机理进气道

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跨音速压气机机匣处理数值研究

跨音速压气机机匣处理数值研究

作者：谭春来哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

机匣处理作为一种简单而有效的失速被动控制技术,在提高压气机稳定裕度的应用越来越广泛,可以说,机匣处理是当前叶轮机械领域应用最为广泛的扩稳技术之一。然而,多年来设计机匣处理方式主要靠经验,缺少统一的准则。本文根据一跨音速压... 详细信息

机匣处理作为一种简单而有效的失速被动控制技术,在提高压气机稳定裕度的应用越来越广泛,可以说,机匣处理是当前叶轮机械领域应用最为广泛的扩稳技术之一。然而,多年来设计机匣处理方式主要靠经验,缺少统一的准则。本文根据一跨音速压气机转子,首先采用三维定常/非定常数值模拟,重点关注叶顶流场,分析了跨音速转子失速的诱发因素。对于本文跨音速转子,不同转速下压气机内部流动失速机制不同,在设计转速下,转子处于跨音速流动,由于间隙泄漏涡破裂所导致的堆积在叶片通道压力面前缘的阻塞将叶片通道激波推出叶顶前缘是触发压气机内部流动失稳的主要机制;而在非设计转速下,转子内部流动处于亚音速,由间隙泄漏涡造成的堵塞和较大来流攻角导致的叶顶吸力面附近大面积流动分离共同作用引起压气机流动失速,而吸力面分离占主要作用。在分析压气机转子的失速机理基础上采用周向槽和轴向槽两种机匣处理方式进行扩稳处理,并探讨不同机匣处理结构对跨音速压气机不同转速下的扩稳效果和对失速的影响。周向槽的加入能提高不同转速下的稳定裕度,对叶顶流场的的影响主要有三方面:改变泄漏涡的轨迹,使之更偏向于吸力面,改善轴向的通流能力;由于轴向槽的穴效应能直接抽吸掉低能流体;抑制尾缘吸力面分离。通过对宽槽与窄槽的研究发现,窄而密的周向槽更能有效引导间隙泄漏流沿周向运动,相同处理面积下窄而多的处理槽比宽而少的周向槽更有利于扩稳。轴向槽的作用机理与周向槽不同,处理槽的尾缘正好位于泄漏涡造成堵塞的位置,有利于压气机的稳定性。对比轴向斜槽与折线倾斜槽,折线倾斜槽对压气机更能有效扩稳,而且对效率的影响更小。这主要是由于折线倾斜槽更顺应气流的方向,气流的进气与喷射面积大,进气更均匀,喷射速度更小,气流在槽内的循环更好,对稳定裕度的提高大,且对效率影响小。对于跨音速转子,在不同转速下,轴向槽能提高稳定裕度的原因都是由于处理槽抑制的泄漏涡的发展,减小了堵塞。

关键词：跨音速转子机匣处理泄漏涡旋转失速

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压气机低速模化设计及机匣处理研究

压气机低速模化设计及机匣处理研究

作者：黄天豪上海交通大学

学位级别：硕士

本文对高压压气机的低速模化设计方法进行了详细研究，明确了高、低速压气机内部流场相似变换需遵循的相似准则，确立了用于模拟高压压气机高速流场的低速模化设计方法。文中通过对低速压气机流场特点的详细研究及高、低速压气机流场相... 详细信息

本文对高压压气机的低速模化设计方法进行了详细研究，明确了高、低速压气机内部流场相似变换需遵循的相似准则，确立了用于模拟高压压气机高速流场的低速模化设计方法。文中通过对低速压气机流场特点的详细研究及高、低速压气机流场相似性的对比，建立了一套较为系统的压气机高、低速模化设计-流场分析-性能改进的工作流程，丰富了高压压气机内部复杂流动的研究方法。本文研究对象为某典型高压压气机，该压气机设计转速下存在稳定工作范围较窄的缺陷，前期研究表明一级转叶叶顶处的泄漏流和流动堵塞是造成失速的主要原因。为了在低速条件下通过实验验证机匣处理的扩稳效果，本文选取进口导流叶片和一级转叶进行低速模化设计，在此基础上进行机匣处理相关研究。首先，对国内外相关研究内容进行了系统的整理和分析，针对本文研究对象的气动和结构特点，总结归纳出了适用于该型压气机的低速模化设计准则，为模化设计奠定了基础;其次，遵循上述模化设计准则，对高速原型压气机成功进行了模化设计，并对高、低速压气机的流场结构进行了详细的对比验证，结果表明高、低速压气机不仅具有气动相似性，且近喘机理相同，验证了在低速压气机上进行机匣处理扩稳实验研究的可行性;最后，在高、低速压气机上分别应用圆弧斜缝式机匣处理技术，数值结果表明，该机匣处理结构对高、低速压气机作用机理相同，均能有效扩稳。

关键词：压气机低速模化设计相似准则机匣处理

背压调节情况下带机匣处理半开式离心叶轮内部流动机理研究

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背压调节情况下带机匣处理半开式离心叶轮内部流动机理研究

作者：张同桐上海交通大学

学位级别：硕士

离心式压缩机属于透平式机械,通过叶轮的旋转对工质做功,最终达到提升压力的目的,被广泛应用于国民经济的多个部门。小流量情况下,离心式压缩机内部会出现旋转失速和喘振等非稳定流动现象,影响其稳定工作,为安全生产带来隐患。以往通过... 详细信息

离心式压缩机属于透平式机械,通过叶轮的旋转对工质做功,最终达到提升压力的目的,被广泛应用于国民经济的多个部门。小流量情况下,离心式压缩机内部会出现旋转失速和喘振等非稳定流动现象,影响其稳定工作,为安全生产带来隐患。以往通过实验直接测量流动参数的方法受到仪器,精度,测试周期等方面的局限,存在不足,且难以提供流场中细节部分的信息。作者认为,考虑到硬件成本和时间成本的双重制约,进行高精度的多通道非定常计算或许是一个较优的选择。本文的工作主要分为以下几个方面:1)采用单通道计算验证数值模拟设置和数据分析方法;2)对多通道模型进行了非定常计算,包括对背压调节工况下流动机理的分析,捕捉到了流道中部的周期性结构,阐述了小流量工况下流动失稳的机理;3)利用多通道模型,对带机匣处理的离心叶轮的内部流动进行分析,关注其在变工况环境中的扩稳机理,分析了不同流量工况下抽吸口工作状态的改变。基于以上工作,本文主要得出以下几方面结论:1)同时采用单通道模型和四通道模型进行了定常和非定常计算,经过对比发现,多通道非定常计算可获得更多的流场细节,有助于发现周向上的流动规律,但在获取特性曲线的能力上区别不大,仅在稳定工况范围上有一定的差异。从节约计算资源的角度考虑,可采用单通道的定常计算来获取离心叶轮的工作特性曲线。2)采用了相对涡强度这一参量对流场进行观察,在流道中部观察到了周期性发展变化的涡结构。其周期可通过分析该位置处压力波动的频谱得到。3)通过对比压力面与吸力面不同叶高位置的叶片表面压力发现,叶片两侧的压力分布呈现不同的特征。在压力面,在叶顶附近叶轮中部位置,压力波动的幅值较大,可超过平均压力值的3%;而在吸力面一侧,波动幅值大的区域为叶轮出口叶根位置处,最大幅值可达6%。通过对比叶片表面压力在周向上的差异以及随时间变化的情况可见,从总体上看,压力分布与空间平均值的差异比与时均值的差异要更大,说明流动情况在周向上的变化比其自身随时间的变化要更加显著。因此,为了更好地捕捉离心叶轮内的流动细节,应采用多通道甚至全通道模型进行数值计算。4)在小流量工况下,叶顶间隙泄漏流与主流的掺混加强,流道有效通流面积减小。泄漏流可能越过相邻通道在周向上进行流动,流动方向与叶轮旋转方向相反,与旋转失速的传播方向相同,这一流动现象促进了非稳定流动现象沿周向的传播。综合以上几点,流道中部涡结构的周期性变化发展及其沿周向的传播,可能是离心压缩机小流量工况下失稳的原因。5)对无机匣处理方法的离心叶轮进行了背压调节的数值计算,观察到在背压升高的过程中加压曲线的斜率发生了改变。借助实验数据分析中常用的联合时频分析方法对数值模拟结果进行分析,观察到在加压曲线斜率发生改变时,低频段的频率峰值带宽增加;而在接近极限压比时,可观察到新的频率峰值的产生。叶轮入口与出口位置压力波动的频谱存在较大差异,但在小流量下进入失稳的过程中,时频图的变化趋势相似,具有一定的共性。6)研究了带机匣处理的离心叶轮由95%设计流量线性下降至85%设计流量的过程,观察到回流通道工作状态的改变。在95%设计流量工况,机匣装置向流道中部注入0.19%的主流流量;在85%设计流量工况,抽吸流量为主流流量的1%。在周向上,抽吸孔的工作状态存在差异,具有与叶片周期相同的周期性。在流量减小的过程中,回流通道内的流动情况发生了显著改变,但在叶轮通道内,流动状态比较稳定,没有发生明显变化。

关键词：半开式叶轮非定常机匣处理稳定性

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离心压气机进气回流机匣处理扩稳分析

离心压气机进气回流机匣处理扩稳分析

作者：李彤北京理工大学

学位级别：硕士

压气机是航空发动机与燃气轮机的重要配件之一,随着“十三五”期间我国加速突破“两机”关键技术,深入研究压气机并提升其性能也成为了研究人员的攻关课题。离心压气机经常需要偏离设计点工作,因此研制在宽广工作范围内具有较高效率与... 详细信息

压气机是航空发动机与燃气轮机的重要配件之一,随着“十三五”期间我国加速突破“两机”关键技术,深入研究压气机并提升其性能也成为了研究人员的攻关课题。离心压气机经常需要偏离设计点工作,因此研制在宽广工作范围内具有较高效率与稳定性的离心压气机成为研制高性能发动机的关键。采用实验与仿真相结合的方法,对离心压气机进气回流机匣处理的扩稳机理进行研究。实验研究验证了对原型机的仿真模拟的可靠性。进一步设计了两种安装在进气回流机匣中的导流叶片:正预旋导叶与负预旋导叶,进行定常计算并与原型机对比分析。得出的结论如下:堵塞可以发生在导流叶片、分流叶片与扩压器处,进气回流机匣处理由于上游槽口的分流作用与放气槽口的向心气流抑制泄漏流动,削弱了导流叶片处的激波,改善了此处的流动情况,而对于分流叶片处与扩压器段,则无甚影响,因此,压气机堵塞流量并未拓宽。压气机近喘振工况时,叶尖泄漏流动严重,低能流体堆积扩展至大部分流道范围,极大的影响了压气机的工作性能,机匣处理结构抽吸走低能流体,减小了叶片前缘攻角,并且增大了叶片后半部分的负载,改善了流动特性,提高了压比,延缓了喘振的发生,拓宽了稳定工作范围约12%。添加回流槽之后,改变了压气机中的流动情况,主要变化是靠近叶轮叶顶部位轴向速度增加,相对气流角增大,使叶轮上游的逆流状况得以明显的减弱,也同时减弱了上游的涡旋流动,消除了叶轮叶顶上游的低能流体,气体在流道中的流动速度增加,对于叶轮下游的涡旋流动没有得到改善,反而有一定的加重,但是速度场没有明显的变化,两者差异不大,说明虽然采用回流槽能够使下游的流动恶化,但是对上游的改进作用更加明显,所以在压气机的流量范围内,回流槽对压气机的流动情况起到了明显的改善作用。负预旋回流叶片对于离心压气机的性能,在大流量工况下几乎没有影响,但压气机最高压比上升,做功能力加强,喘振边界拓稳明显。正预旋回流叶片同样并没有改变大流量工况性能,且其对压比的提高也不如负预旋明显,喘振边界的拓宽只在高转速下体现。负预旋导流叶片的引入增加了叶片前半部分的加工量,提高了压气机最高压比;能够有效提高S流面的相对马赫数,大范围消除叶轮顶部的低能流体。

关键词：离心压气机进气回流机匣处理导流叶片

机匣处理对压气机性能和气流结构影响的试验研究

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航空学报 1986年第4期 363-370页

作者：庄平陆亚钧北京航空学院

本文对实壁机匣和三种不同型式的轴向斜槽处理机匣进行了较为详细的试验研究。发现这类机匣处理结构不仅对压气机总性能有很大影响,而且对旋转失速的类型,失速团的空间传播和发展以及转子出口的流场均有很大影响。文中的试验结果对建立... 详细信息

本文对实壁机匣和三种不同型式的轴向斜槽处理机匣进行了较为详细的试验研究。发现这类机匣处理结构不仅对压气机总性能有很大影响,而且对旋转失速的类型,失速团的空间传播和发展以及转子出口的流场均有很大影响。文中的试验结果对建立失速团的三维传播及发展模型,开发机匣处理的其它功能以及机匣处理结构实际应用都有工程价值。

关键词：机匣处理压气机压缩机转子出口处理机匣气流角