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安装角异常和变弯度叶片对压气机性能影响机理的研究

张国臣  
【摘要】:可调进口导流叶片和静子叶片是压气机性能调节和防止喘振的方法之一,在安装角调节过程中,由于某个叶片安装角调节机构卡死或者由于振动等原因引起安装角调节误差,引起某个或者某些叶片安装角异常,会造成通道内气流堵塞,对该叶栅通道及相邻叶栅通道流场都有很大的影响,并破坏流场的周期性,甚至造成较大的附面层分离和漩涡运动,由此引起的非定常气动力脉动可能导致叶片发生强烈的振动,引起颤振和高周期疲劳破坏,因此,深入研究叶栅安装角异常及级环境下进口导叶安装角异常对压气机流场结构的影响,对压气机故障诊断和减小振动有着重要的意义。另一方面若可调进口导叶和静子叶片安装角正常调节,没有出现调节机构卡死等工况,进口导叶或者静子叶片安装角调节角度过大,也能导致可调进口导叶在较大的正攻角或者负攻角下工作,导致损失系数增加,流场恶化,并引起压气机整机性能的下降。本文采用变弯度叶片进行导叶出口气流的调节,不改变轴向进气的前提下,通过改变出口气流角,获得较好的流场性能。首先,对叶栅安装角异常进行数值模拟并与试验数值进行对比分析;然后,在级环境下对进口导叶安装角异常进行数值模拟;最后,对变弯度叶栅不同弯度位置和不同弯度时进行数值模拟,并对带有变弯度导叶的一级半压气机不同弯度进口导叶进行深入的研究分析,以期能够为压气机故障分析和高性能轴流压气机设计提供参考依据和技术储备。首先,通过对叶栅安装角异常进行试验和数值模拟发现,攻角0°叶栅安装角异常角度大于零时,随着异常角度的增大在吸力面出现附面层分离,分离涡脱落频率随着安装角异常角度的增大而增大,尾缘涡脱落频率随着安装角异常角度的增大而减小;气动力脉动量随着安装角异常角度的增大先增大而后减小。安装角异常角度小于零时气动力相对脉动量随着安装角异常角度的增大而迅速增大然后迅速减小。异常的叶栅安装角角度对应较大正攻角时附面层分离严重,分离涡脱落频率较低,叶片气动力相对脉动量很大;对应较大负攻角时附面层分离较小,叶片气动力脉动量较小。安装角异常时,受不同叶片分离涡和尾缘脱落涡的影响,导致叶片气动力周期性均不明显。然后,针对一级半压气机进口导叶某个安装角异常进行研究,进口导叶安装角异常角度较小时,对压气机的流场性能影响较小;进口导叶安装角异常角度较大时,效率和增压比均明显下降。通过对进口导叶安装角异常不同角度近失速点进行分析,研究发现,进口导叶安装角异常对对应的下游转子叶根和静子叶根的流场影响较大,转子和静子尾部附面层均明显增厚,带来较大的能量损失。其次,针对变弯度叶栅不同弯度和不同弯度位置时进行数值模拟分析,研究发现,与固定弯度叶栅相比,变弯度叶栅能够降低叶栅损失,特别是较大气流转折角时,能够保证满足气流转折角的同时大幅度降低叶栅损失。随着弯度位置从前缘向后缘移动,气流转折角逐渐变小,即弯度调节位置越接近前缘,对出口气流的调节能力越强;流场参数在弯度调节位置出现一定的突跃,但对损失系数影响较小;综合考虑该叶栅性能和强度,把弯度调节位置选择在约距前缘25%弦长位置处是较好的选择。最后,对变弯度一级半压气机在起动过程中非设计转速进行数值分析,当进口导叶正弯时总增压比较低,稳定裕度较小;进口导叶负弯时,随着负弯度的增大,总增压比增大,曲线右移,导叶负弯度时稳定工作裕度较大。特别是近失速点,导叶负弯度时转子叶尖流场得到明显改善,一级静子通道涡明显变小。通过调节导叶弯度能够达到改善压气机流场性能的目的。


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