低速轴流压气机平面叶栅叶顶泄漏流动的研究

论文摘要

叶顶泄漏流对压气机的性能和稳定性都有着重要影响,近十多年来,人们又发现叶顶泄漏流与压气机的旋转失速现象有着密切的关系,并在近失速的工况下会表现出明显的非定常波动特性。由此促使人们去探究这种泄漏流的非定常特性的流动特征、形成机理进而发掘其与失速之间潜在的联系,以期找到有效的扩稳方法。叶顶泄漏为压力驱动,同时也受到诸多因素的影响,包括叶顶间隙的大小、叶片的负荷、叶片的几何造型、进口气流角、环壁附面层等。但由于在模拟真实流动环境的转子内部测量泄漏流非常困难,而且对于各种影响因素的变化也不方便考察,为了克服这些难题,采用叶栅试验台来研究泄漏流动成为重要的手段。本文以叶栅实验为主要手段,辅以数值模拟,针对两套不同折转角的叶栅的叶顶泄漏流动进行研究,考察叶顶泄漏流的定常流动特征,验证其非定常性的存在及发生条件并分析其非定常波动产生的机理。本文第一部分首先介绍了对本文实验所进行的实验环境的搭建及相关测量手段的完善,包括采用隔板对风洞进口边界层进行处理；设计加工了叶栅间隙可调装置；考核了风洞的品质；选取、调试并确定本文所用到流动显示方法——墨迹法,设计和加工了三孔探针和七孔探针,并建设了一标准校准风洞对二者进行了校准,标定了稳态和动态传感器,采用Labiew编写了数据采集程序等。本文第二部分考察了叶顶泄漏流的定常特性。通过墨迹法、七孔探针等实验手段和数值模拟方法研究了间隙大小、攻角、来流速度和折转角等因素对叶顶泄漏流动的影响,结果表明：(1)间隙增大使泄漏流的起始点明显向下游移动,泄漏流的轨迹逐渐向相邻叶片的压力面移动,同时泄漏涡在展向上的尺度增大。当间隙大到一定程度时,泄漏流会到达相邻叶片的压力面。(2)攻角与来流速度的影响都可归结为流量对泄漏流的影响。随着流量的减小(攻角增大或者来流速度降低),叶顶泄漏流的起始点逐渐向前缘移动,泄漏流轨迹也逐渐向相邻叶片的压力面移动。(3)当叶栅折转角增大时,叶顶泄漏流的轨迹相对于间隙大小、攻角以及来流速度等的变化都会变得不敏感。本文第三部分研究了叶顶泄漏流的非定常特性。通过Kulite动态传感器对叶顶泄漏流的端壁压力进行了测量,并对相应工况进行了非定常的数值模拟,发现(1)叶顶泄漏流在某些工况下存在非定常性。速度及攻角的变化都会影响该非定常性的频率特征,但相对来流速度影响较大。(2)叶顶泄漏流非定常性的发生需要泄漏流轨迹到达相邻叶片的压力面。(3)大折转角有助于抑制泄漏流非定常性的发生。在大折转角叶栅中,即使间隙和攻角较大,泄漏流轨迹依然被限制在叶片通道内,从而阻碍了非定常性的发生。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究历史和现状
• 1.2.1 叶顶泄漏流的模型研究
• 1.2.2 叶顶泄漏流的定常研究
• 1.2.3 叶顶泄漏流的非定常研究
• 1.3 本文研究目的和内容
• 第2章 实验环境和测量方法的探索
• 2.1 引言
• 2.2 叶栅风洞改进及试验段介绍
• 2.2.1 气源系统及风洞结构
• 2.2.2 风洞实验段
• 2.3 风洞品质及进口边界层的考核与处理
• 2.3.1 风洞来流条件测量
• 2.3.2 风洞品质考核
• 2.3.3 进口边界层处理
• 2.4 可调间隙叶栅的设计和加工
• 2.4.1 叶栅参数介绍
• 2.4.2 可调间隙大小的叶栅设计
• 2.5 测量系统及测量方法
• 2.5.1 测量及数据采集系统
• 2.5.2 测量设备
• 2.6 数据处理方法
• 2.6.1 稳态数据处理
• 2.6.2 动态数据处理——功率谱（PSD）分析
• 2.6.3 实验误差分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 数值模拟方法及计算平台的介绍和选取
• 3.1 引言
• 3.2 FLUENT商用软件简介
• 3.2.1 前处理模块GAMBIT介绍
• 3.2.2 FLUENT求解器介绍
• 3.2.3 后处理功能介绍
• 3.3 数值计算平台介绍
• 3.4 数值模拟方法的选取与评估
• 3.4.1 前人数值模拟方法可靠性分析回顾
• 3.4.2 本文数值方法的选取及简单评估
• 3.5 本章小结
• 第4章 稳态测量及定常计算结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 研究方案
• 4.2.1 实验工况及测量截面
• 4.2.2 数值模拟方案
• 4.3 稳态测量结果分析
• 4.3.1 间隙大小对叶顶泄漏流的影响
• 4.3.2 攻角对叶顶泄漏流的影响
• 4.3.3 来流速度对叶顶泄漏流的影响
• 4.3.4 叶片折转角对叶顶泄漏流的影响
• 4.4 定常计算结果分析
• 4.4.1 叶栅A的定常计算结果
• 4.4.2 叶栅B的定常计算结果
• 4.5 实验和数值模拟结果的比较和讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 非稳态测量及非定常计算结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 研究方案
• 5.2.1 实验工况和测点布置
• 5.2.2 数值模拟方案
• 5.3 非稳态测量结果分析
• 5.3.1 叶顶泄漏流非定常性的存在及特征
• 5.3.2 叶顶泄漏流非定常性频率无量纲化
• 5.3.3 叶顶泄漏流存在非定常性的工况特征
• 5.4 非定常计算结果分析
• 5.4.1 叶顶泄漏流非定常波动的频率特性
• 5.4.2 叶顶泄漏流的瞬态流场特征
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.1.1 叶顶泄漏流定常特性
• 6.1.2 叶顶泄漏流非定常特性
• 6.1.3 本文创新之处
• 6.2 展望
• 符号表
• 参考文献
• 附录A 三孔探针校准
• A.1 参数定义
• A.1.1 角度定义
• A.1.2 参数说明
• A.2 校准结果
• 附录B 七孔探针校准
• B.1 七孔探针在不可压缩流中的工作和校准原理
• B.1.1 流动分区
• B.1.2 流动角坐标系
• B.1.3 压力系数
• B.1.4 校准拟合多项式
• B.2 七孔探针的校准
• B.3 探针校准步骤和过程
• B.4 探针校准结果及分析
• B.4.1 各区分界点
• B.4.2 校准结果
• B.4.3 校准误差分析
• 发表文章目录
• 致谢