稳定性调控状态下的轴流压气机转子叶顶尾迹实验研究

论文摘要

动叶端区流动尤其是叶顶泄漏流与压气机稳定性有着十分紧密的联系,对动叶端区流动的干预和调控也成为轴流压气机稳定性调控技术的主要发展方向之一。围绕动叶端区流动结构的流动失稳机理及扩稳机理研究是近年来气动热力学领域的研究热点。转子尾迹流场集中体现动叶吸力面附面层、叶顶泄漏流、尾缘角区涡等多种复杂流动结构的相互作用结果,在多级压气机性能和稳定性研究中扮演重要角色。由于转子尾迹的三维性和强非定常性特征,对转子尾迹流场的动态测量面临很大的技术难度。本文以转子尾迹为切入点,从高时空分辨率动态测量技术的开发入手,实验研究了稳定性调控状态下的轴流压气机转子叶顶尾迹特征,具体研究内容包括：1.针对转子尾迹动态测量的高时空分辨率动态总压探针研制。轴流压气机转子尾迹的三维动态测量对测量系统的时间分辨率和空间分辨率要求都十分苛刻。本文设计了一种基尔探头半无限引压管动态总压探针,创新性地采用了幅频和相频传递函数的动态标定和数据处理技术,在保证探针时间分辨率的同时大大提高了空间分辨率。对基尔探头结构进行了三维数值模拟,澄清了其在大偏角来流条件下的总压测量原理。对半无限引压管的幅频响应特性以及引压管形状对幅频传递函数的影响规律进行了实验研究,为探针结构优化设计提供了理论依据。以压气机转子叶顶的压力脉冲作为输入信号,对探针进行了动态传递函数标定,并采用正反傅立叶变换技术实现了对探针输入时域信号的修正,保证了动态总压的测量精度和时空分辨率。2.光壁机匣条件下的轴流压气机转子叶顶尾迹特征实验研究。对压气机节流过程中尤其是近失速工况下的转子尾迹特征研究,是稳定性调控机理研究的前提。本文采用自行研制的动态总压探针,对一台跨音轴流压气机和一台低速轴流压气机在光壁机匣条件下的转子尾迹流场进行了三维动态测量。绝对坐标系下的转子出口总压轴向衰减规律表明,主流与尾迹的周向掺混对总压的衰减起决定性作用。转子时均总压展向分布结构表明,在压气机节流过程中,叶片顶部的加载幅度最大。当流量减小到一定程度,大约80%叶高以上的转子尾迹总压和部分弦向范围的叶顶静压同时出现0.5倍叶片通过频率的特征频带,此特征频带的功率随着流量减小而不断增大,与此同时,1倍叶片通过频率的功率降低。3.周向槽机匣处理对低速轴流压气机的扩稳效果及相应转子流场实验研究。机匣处理是应用最为广泛的轴流压气机扩稳技术,其中周向槽是结构上最易实现的机匣处理方式。本文对一台低速轴流压气机转子的周向槽机匣处理实验研究表明,周向槽覆盖约50%弦长位置的处理机匣能够使压气机获得较好的扩稳效果。对转子尾迹和叶顶流场的时均结果分析表明,扩稳的周向槽机匣对应着约95%叶高以上的负载向约80%-95%叶高范围的迁移现象,而此负载迁移现象对应着叶顶间隙流动结构的优化。转子尾迹总压功率谱密度分布表明,当周向槽的存在能够使大约80%叶高以上的转子尾迹总压在近失速工况下出现的0.5倍叶片通过频带的功率降低,同时使1倍叶片通过频带的功率升高时,压气机转子的失速裕度增大。4.转子叶顶喷气对低速轴流压气机的扩稳效果及相应转子流场实验研究。转子叶顶喷气的研究主要分为喷气系统优化和扩稳机理分析两个方面,本文对一台低速轴流压气机开展了叶顶喷气状态下的转子尾迹实验研究。转子总压展向分布规律表明,与压气机转子扩稳效果直接相关的是约95%叶高以上的负载向下的迁移程度。从气流波动强度的角度看,有效抑制转子尾迹区与泄漏流波动强度的叶顶喷气能够获得较好的扩稳效果。从转子尾迹总压和叶顶静压的功率谱密度分布来看,压气机稳定性提高对应着0.5倍叶片通过频带功率的降低和1倍叶片通过频带功率的恢复。以上转子尾迹的时均和非定常特征与周向槽机匣处理的研究结论一致,这表明不同的叶顶干预扩稳技术背后应该具有相同的扩稳机理。总之,从转子尾迹的角度来看,压气机在临近失速工况时,叶顶区域的加载幅度较大,且伴随着转子尾迹和叶顶流场波动强度的增强,并出现非叶片通过频带的压力信号功率增大和叶片通过频带的压力信号功率降低现象。而对动叶端区流场进行干预的周向槽机匣处理技术和叶顶喷气技术,在定常层面降低叶尖的负载水平,在非定常层面削弱叶顶流场的非定常波动强度,减弱非叶片通过频带的信号功率,并使叶片通过频带的信号功率增强,从而达到提高压气机稳定性的效果。第七章的讨论一节针对两种特征频率与失速的关联展开了分析与讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 1 绪论
• 1.1 本文选题背景
• 1.2 本文立题依据
• 1.3 轴流压气机失稳机理研究综述
• 1.3.1 旋转失速与喘振
• 1.3.2 旋转失速先兆研究
• 1.3.3 旋转失速机理研究
• 1.4 轴流压气机扩稳技术研究综述
• 1.4.1 主控控制与被动控制
• 1.4.2 机匣处理扩稳技术
• 1.4.3 叶顶喷气扩稳技术
• 1.5 轴流压气机尾迹研究综述
• 1.6 叶轮机械动态测量技术现状
• 1.6.1 动态测量技术发展
• 1.6.2 动态气动探针技术分析
• 1.6.3 动态测量技术小结
• 1.7 本文研究思路和科学问题
• 1.8 本文主要内容和结构安排
• 2 轴流压气机试验平台
• 2.1 引言
• 2.2 低速轴流压气机试验平台
• 2.2.1 低速轴流压气机试验台
• 2.2.2 实验测量与数据采集系统
• 2.3 跨音轴流压气机试验平台
• 2.3.1 跨音轴流压气机试验台
• 2.3.2 实验测量与数据采集系统
• 2.4 本章小结
• 3 高频响高空间分辨率动态总压探针研制
• 3.1 引言
• 3.2 动态总压探针核心结构特性研究
• 3.2.1 基尔探头总压测量原理
• 3.2.2 半无限引压管幅频响应特性
• 3.2.3 刚性管结构对半无限引压管幅频特性的影响
• 3.2.3.1 刚性管内径变化对半无限引压管幅频特性的影响
• 3.2.3.2 刚性管弯曲对半无限引压管幅频特性的影响
• 3.3 动态总压探针设计与标定
• 3.3.1 动态总压探针结构优化设计
• 3.3.2 动态总压探针标定
• 3.3.2.1 动态总压探针来流偏角灵敏度标定
• 3.3.2.2 动态总压探针动态传递函数标定
• 3.4 本章小结
• 4 轴流压气机转子尾迹特征实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 压气机转子尾迹测量方案
• 4.2.1 IET-LAC转子尾迹测量方案
• 4.2.2 ND-TAC转子尾迹测量方案
• 4.3 低速轴流压气机转子尾迹特征实验研究
• 4.3.1 不同流量工况下的转子尾迹特征
• 4.3.2 转子尾迹轴向发展与总压衰减规律
• 4.3.3 转子尾迹频谱特性分析
• 4.4 跨音轴流压气机转子尾迹特征实验研究
• 4.4.1 不同流量工况下的转子尾迹特征
• 4.4.2 不同转速下的转子尾迹特征
• 4.4.3 不同叶顶间隙下的转子尾迹特征
• 4.4.4 转子尾迹总压轴向衰减规律
• 4.5 本章小结
• 5 低速轴流压气机周向槽机匣扩稳机理实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验方案
• 5.2.1 周向槽机匣设计方案
• 5.2.2 实验测量方案
• 5.3 周向槽机匣扩稳机理的定常分析
• 5.3.1 扩稳效果与槽位的关系
• 5.3.2 转子尾迹的定常特征
• 5.3.3 叶顶流场的定常特性
• 5.4 周向槽机匣扩稳机理的非定常分析
• 5.4.1 转子尾迹的非定常特征
• 5.4.2 叶顶流场的非定常特征
• 5.5 组合周向槽机匣对扩稳机理的验证
• 5.5.1 扩稳效果与槽位的关系
• 5.5.2 转子尾迹的定常特征
• 5.5.3 转子尾迹的非定常特征
• 5.6 本章小结
• 6 低速轴流压气机转子叶顶喷气扩稳机理实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验方案
• 6.2.1 喷气机匣设计方案
• 6.2.2 实验测量方案
• 6.3 转子叶顶喷气扩稳机理的定常分析
• 6.3.1 不同喷气量扩稳机理的定常分析
• 6.3.1.1 扩稳效果
• 6.3.1.2 转子尾迹的定常特征
• 6.3.1.3 叶顶流场的定常特征
• 6.3.2 不同喷气角度扩稳机理的定常分析
• 6.3.2.1 扩稳效果
• 6.3.2.2 转子尾迹的定常特征
• 6.3.2.3 叶顶流场的定常特征
• 6.4 转子叶顶喷气扩稳机理的非定常分析
• 6.4.1 不同喷气量扩稳机理的非定常分析
• 6.4.1.1 转子尾迹的非定常特征
• 6.4.1.2 叶顶流场的非定常特征
• 6.4.2 不同喷气角度扩稳机理的非定常分析
• 6.4.2.1 转子尾迹的非定常特征
• 6.4.2.2 叶顶流场的非定常特征
• 6.5 本章小结
• 7 总结、讨论与展望
• 7.1 全文内容总结
• 7.2 创新之处
• 7.3 讨论
• 7.4 工作展望
• 主要符号说明
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的学术论文、专利申请与获奖情况
• 致谢