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畸变条件下轴流压气机叶顶间隙流对流动失稳影响的非定常机制

张靖煊  
【摘要】: 进口畸变是诱发航空压气机内部流动失稳的关键因素,极大地限制了航空压气机的性能及稳定运行范围。长期以来,人们一直致力于从系统角度研究如何更加准确地预测畸变条件下压气机的失稳边界,而对畸变条件下流动失稳产生的机理至今仍未有明确的解释。本文研究目的即为以畸变条件下叶顶间隙流场的流态特征为切入点,采用实验、数值模拟及模型分析相结合的方法研究基于叶片通道尺寸下的畸变来流诱发流动失稳的物理机制。 为实现上述研究目的,本文工作主要包括:(1)利用静止畸变实验,认识进口畸变对压气机旋转失速基本特征(先兆类型,失速团频率)的影响,以及畸变影响区与失速起始位置的关系。(2)以静止畸变研究结果为基础,利用旋转畸变实验并附以数值模拟分析叶顶泄漏流在畸变条件下对流动失稳影响的非定常机制。(3)建立旋转畸变模型,从理论上论证静止畸变与旋转畸变动力学一致性,并探索模型预测旋转畸变条件下压气机失稳点的可行性。(4)采用叶顶微喷气方法拓宽旋转畸变条件下压气机的失稳裕度,并利用畸变诱发失稳的机理解释其扩稳原因,同时也是对机理的验证。 静止畸变的研究结果表明,进口畸变的引入并没有影响低速轴流压气机旋转失速的基本特征,且旋转失速总是始发于畸变影响区附近。旋转畸变实验及相应的数值模拟结果揭示了畸变来流诱发流动失稳的物理机制:畸变影响区内泄漏涡轨迹因叶片负载增大而较非畸变影响区前移,且当节流到一定程度时,畸变区泄漏涡溢出动叶前缘,形成类尖脉冲扰动,并以固定转速沿周向传播(约为转子转速的0.5倍)。受非畸变区影响,该扰动具有间歇性发展趋势,并最终诱导失速。此机理能很好地解释了正、反旋转畸变对压气机稳定性影响的差异以及所谓“共振”畸变转速的物理机制。 本文建立了基于M-G模型基础的旋转畸变模型,并利用该模型证明了静止畸变与旋转畸变触发旋转失速过程中动力学一致性。模型计算结果与实验结果定性相符表明其在预测旋转畸变条件下压气机失稳边界方面具有一定的应用价值。 本文还采用叶顶微喷气方法进行了旋转畸变条件下压气机扩稳实验。实验结果表明,实施叶顶微喷气后,压气机的失稳裕度有所拓宽,并利用本文提出的畸变条件下压气机失稳触发机理对扩稳原因进行了分析,从而也验证了本文提出的失稳触发机理的正确性。


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