轴流压气机叶顶区域非定常流动及旋转不稳定性研究

摘要

压气机内部的流动不稳定性问题一直是学术界和工业界关注的焦点，因为它对压气机的性能、噪音产生和安全运行都有重要影响。最被广为熟知的压气机内部气动不稳定性现象是旋转失速。近二十年，一种新的气动不稳定性问题被学者们越来越多的关注—旋转不稳定性现象，它可以被看成是一个脉动的流体扰动结构在转子中周向传播，通常出现在大叶顶间隙和高负载的情况下。旋转不稳定性会导致叶顶间隙噪音的增强，一定情况下会触发高幅值的叶片振动。　　本文以低速轴流压气机为对象，对压气机转子的旋转不稳定性与叶顶区域非定常流动的关联性进行系统的研究。通过气动特性测试、动态压力测试、TR-PIV速度场测量以及全通道非定常数值模拟，在掌握旋转不稳定性的频率特性、周向传播特性和模态特性的基础上，详细分析转子叶顶区域复杂涡流场的非定常特征，区分了流场中不同的涡流结构及其非定常振荡导致的频率。建立了叶顶泄漏流振荡的周向传播模型，并发现了其与旋转不稳定性现象的联系。本文主要研究内容包括：　　1.搭建了适用于研究气动不稳定性的轴流压气机实验台，对压气机转子进行了气动特性实验，并利用五孔探针测量了不同流量下转子下游的气动参数分布。在此实验台上对叶顶区域流动进行了详细的动态压力测试和TR-PIV速度测试。同时，建立了适合研究叶顶区域不稳定流动的数值模拟方法，采用全通道非定常计算，并以多种不同的方式分别在相对和绝对坐标系下布置压力监测点，以捕捉叶顶区域的压力脉动特征。　　2.利用在转子机匣上周向布置的高频响动态压力传感器，测量叶顶区域的压力脉动信号。通过压力信号进行频谱分析及互相关处理，确定了旋转不稳定性产生的工况范围，并分析了其频率特性及周向传播特性。在对全通道非定常数值模拟结果进行验证的基础上，以与实验测量等效的方式对数值模拟结果进行压力信号采集及数据处理。在数值模拟结果中捕捉到了与实验测量一致的旋转不稳定性现象，并应用模态分解技术得到了组成旋转不稳定性扰动的各阶模态波成分。　　3.利用TR-PIV测速技术，在不同工况下测量了转子叶顶区域不同弦向切面的速度场；并利用沿弦向布置的动态压力传感器，结合锁相平均数据处理方法，获得了不同流量下叶顶区域blade-to-blade面的压力分布及脉动特征。速度场和压力场测试的结果都显示，随着流量减小叶顶区域流场脉动逐渐增强，且脉动特征与叶顶泄漏流的发展具有高度相关性。　　4.利用数值模拟结果对转子叶顶区涡流场的非定常振荡特性进行细致的分析，发现了两种流动不稳定机制的存在:一种是叶顶泄漏涡的振荡，一种是前缘诱导涡的周向迁移。叶顶泄漏涡的振荡是由叶顶泄漏涡与相邻叶片发生干涉导致的，其振荡频率与旋转不稳定性频率吻合；前缘诱导涡在转子的近失速工况下出现，它是在叶顶泄漏流、主流和动叶前缘三者的相互作用下产生，它的周向迁移导致了一个低阶模态扰动在转子中传播，这个扰动的脉动幅值远低于旋转不稳定性的脉动幅值。　　5.叶顶泄漏流的振荡在转子叶排的不同流道中具有相位延迟现象，这可以看成是一个沿转子周向传播的流体扰动。基于对相位延迟振荡特征的详细分析，利用理论分析方法，建立了叶顶泄漏流振荡的周向传播模型。发现叶顶泄漏流导致的周向传播扰动具有不同的模态成分，并得到了每一阶模态的特性参数的计算方法。而且通过对比发现，叶顶泄漏流振荡导致的周向传播模态特征与旋转不稳定性模态特征一致，可以说明叶顶泄漏流振荡的周向传播即是旋转不稳定性的流动机制。

目录

声明

主要符号说明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2压气机内部不稳定流动研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章 轴流压气机转子实验研究方法

2.1低速轴流压气机实验台

2.2气动特性实验

2.3转子机匣壁面动态压力测量

2.4 PIV测量系统

2.5 本章小结

第三章 轴流压气机转子的数值模拟方法

3.1数值模拟方法

3.2压气机流场的计算过程及求解方法

3.3计算结果验证

3.4 本章小结

第四章 压气机转子旋转不稳定性研究

4.1 旋转不稳定性的实验研究

4.2 旋转不稳定性的数值模拟研究

4.3 旋转不稳定性的模态分析

4.4 本章小结

第五章 压气机转子叶顶流场非定常振荡特性

5.1 转子叶顶流场的实验测量

5.2 叶顶流场的数值模拟研究

5.3 叶顶泄漏涡对流场振荡的影响

5.4 前缘诱导涡对流场振荡的影响

5.5本章小结

第六章 叶顶泄漏流振荡的周向传播机制

6.1 转子中叶顶泄漏流振荡的相位延迟现象

6.2 叶顶泄漏流振荡周向传播模型

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1研究工作总结

7.2本文主要创新

参考文献

致谢

攻读学位期间主要研究成果