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工程熱物理所壓氣機旋轉失速研究取得進展

  旋轉失速是限制壓氣機穩定工作范圍的關鍵因素,如何在設計階段對失速邊界進行定量預測一直是設計人員關注的重點問題。失速邊界的預測主要有兩類方法:一是數值模擬,二是分析模型。前者雖然能夠捕捉更多的流場細節,但對計算資源要求高,尤其是非定常數值模擬,對目前的工業應用來說依然耗時太長。后者能夠在設計階段快速預測失速邊界,但由于近似假設和經驗系數的引入,導致其精度和適用范圍有限。在跨音速壓氣機中,葉尖泄漏流及其與激波的相互作用對葉尖流場起主導作用,以往的研究表明,這種相互作用與壓氣機的尖峰型失速先兆有著緊密聯系。

 

  為了在設計階段評價葉頂間隙對失速邊界的影響,中國科學院工程熱物理研究所國家能源風電葉片研發(實驗)中心研究人員基于葉尖泄漏流前緣溢出準則發展了一種適用于跨音速壓氣機的失速邊界預測方法。首先通過對某跨音速壓氣機轉子的非定常數值模擬,探究葉尖流場非定常波動與失速先兆的關系。通過分析失速邊界點的葉尖流場波動,發現泄漏流與主流的交界面隨時間周期性擺動,其頻率約為0.5倍的葉片通過頻率。葉尖相對總壓分布的變化表明,靠近低相對總壓區域附近的交界面向上游偏折,交界面隨著相對總壓分布的周期性變化而振蕩;在部分時刻,交界面已經位于葉片前緣上游,也就是說泄漏流從相鄰葉片前緣溢出。泄漏流軸向速度的分布和變化趨勢與相對總壓的分布一致。總結來說,低相對總壓引起泄漏流負軸向速度增加,從而導致對應位置的交界面向上游偏折。因此,如何建立泄漏流動量與交界面位置之間的定量關系是建模的關鍵。

 

  在跨音速壓氣機中,由于激波的影響,交界面在波前與波后呈現不同的形態。在激波上游交界面近似呈直線分布,而在激波下游交界面向上游偏折,這種變化是由于泄漏流與主流的動量平衡關系發生改變而引起的。在激波上游,泄漏流與主流的作用區域呈三維螺旋渦狀結構。在垂直于交界面的方向上,泄漏流與主流來流的動量平衡。為了分析動量交換關系,研究人員將泄漏流與主流的作用簡化為如圖1所示的控制體模型,其中泄漏流環繞上游泄漏渦并與主流發生動量交換,形成交界面。假設作用區域為無粘不可壓縮流動,根據控制體的質量和動量守恒約束可以得到圖中作用區域半徑的近似計算關系式。然后將泄漏渦核軌跡的位置與作用區域半徑疊加即可得到交界面相對葉片吸力面的位置。

 

  圖2對比了研究得到的新模型與其他模型的預測效果。結果表明,新模型能夠更好地預測泄漏流與主流作用區域的大小,這是由于在新模型中考慮了上游泄漏渦的累積效果。基于新模型對交界面位置的預測能力,研究人員對失速臨界點的交界面進行了建模,如圖3所示。在失速臨界點,交界面經過激波向上游偏折,剛好經過相鄰葉片的前緣。根據圖中的幾何關系,可以得到臨界點泄漏流速度與主流速度之間的關系。當泄漏流速度分布已知時,可以根據本研究中的模型得到主流的速度,從而估計失速邊界點的流量系數。另外,如果考慮泄漏流速度分布隨時間的波動,還可以根據模型得到主流的速度波動,用以分析近失速工況的非定常流動效果。對比不同間隙大小時的失速邊界點的模型預測和數值模擬結果,發現本研究提出的模型能夠很好地評估葉間泄漏流對失速邊界的影響。由于合理地考慮了激波上游和下游交界面的形態變化,該模型可以捕捉到失速邊界點流量系數隨間隙大小的非線性變化。

 

  研究提出的模型可以用于設計階段評價葉頂間隙大小對壓氣機穩定工作范圍的影響,或者作為防失速模塊集成到發動機運行控制系統中,保障發動機的安全可靠工作。目前已經完成了建模和設計轉速工況下的模型驗證工作,正在進行部分轉速運行工況時的分析和模型驗證,從而將模型的應用拓展至發動機變工況運行中。

 

  部分相關研究成果已經在國際會議ASME Turbo Expo 2016上發表。為了全面評價葉頂間隙的影響,為轉子優化設計和葉尖流動控制提供依據,中心研究人員還在針對葉尖泄漏流對損失和壓升的影響進行研究。

 

  

  圖1 管式擴壓器

 

  

  圖2  兩種擴壓器性能對比

 

  圖3 兩種擴壓器進口Ma云圖