可控转速机匣转动方向对高负荷压气机级稳定性的影响.pdf
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1、2023 年 8 月第 44 卷 第 8 期Aug.2023Vol.44 No.8推进技术JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY2206042-1可控转速机匣转动方向对高负荷压气机级稳定性的影响*钟兢军,胡义,赵傲,吴宛洋(上海海事大学 商船学院,上海 201306)摘 要:可控转速机匣是一种新型的机匣处理方法,将机匣设计为可转动环段与固定环段两个部分,可转动环段会对转子叶顶区域的气流施加周向附加作用力并改变叶顶区域的周向压力梯度,进而对压气机级的稳定工作裕度产生影响。针对可转动环段在不同转动方向下的数值研究结果表明:当可控转速机匣与转子转动方向相反时,叶顶区域周向压
2、力梯度的增大,加剧了转子的叶顶泄漏程度,泄漏涡及其破碎后气流的流动轨迹向相邻叶片压力面偏移,导致静子进口冲角逐渐减小至负冲角,压气机级失速提前。而当可控转速机匣与转子转动方向相同时,叶顶区域的周向压力梯度减少,降低了叶顶泄漏流动的原始驱动力,同时转子叶顶区域的泄漏涡及破碎后气流的流动轨迹远离相邻叶片压力面,通流能力增强。但静子进口冲角的增加使得静子吸力面分离加剧,限制了其扩稳能力的进一步提高,压气机级的稳定工作裕度最大可提升45.44%。关键词:压气机;可控转速机匣;叶顶泄漏;稳定工作裕度;数值研究中图分类号:V231.1 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2023)08-2206
3、042-11DOI:10.13675/ki.tjjs.2206042Effects of Controllable Speed Casing Rotation Direction on Stability of High Load Compressor StageZHONG Jing-jun,HU Yi,ZHAO Ao,WU Wan-yang(Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)Abstract:Controllable speed casing is a new type of
4、casing treatment method,which transforms the casing into two parts:rotatable ring and stationary ring.The rotatable ring will exert circumferential additional force on the airflow in the tip area of rotor blade and change the circumferential pressure gradient of blade tip area,which will have an imp
5、act on the stable operating margin of the compressor stage.The numerical results of the rotatable ring in different rotation directions show that when the rotation direction of controllable speed casing is opposite to that of the rotor,the circumferential pressure gradient in the tip area of blade i
6、ncreases,which intensifies the tip leakage degree of rotor.Meanwhile,the flow path of the leakage vortex and its broken fluid deviates to the pressure surface of the adjacent blades,resulting the stator inlet attack angle gradually decreasing to negative,and the compressor stage stall in advance.Whe
7、n the rotation direction of controllable speed casing is the same as that*收稿日期:2022-06-17;修订日期:2022-11-02。基金项目:国家自然科学基金重点项目(52236005);航空发动机及燃气轮机基础科学中心重点项目(P2022-B-007-001);国家自然科学基金青年科学基金(51906134)。作者简介:钟兢军,博士,教授,研究领域为发动机气动热力学。通讯作者:吴宛洋,博士,讲师,研究领域为热机气动热力学。E-mail:引用格式:钟兢军,胡义,赵傲,等.可控转速机匣转动方向对高负荷压气机级稳定性的
8、影响 J.推进技术,2023,44(8):2206042.(ZHONG Jing-jun,HU Yi,ZHAO Ao,et al.Effects of Controllable Speed Casing Rotation Direction on Stability of High Load Compressor Stage J.Journal of Propulsion Technology,2023,44(8):2206042.)推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2206042-2of the rotor,the circumferential pressure gradient
9、 in the tip area of blade decreases,which reduces the original driving force of the tip leakage flow.At the same time,the flow path of the leakage vortex and the broken fluid in the rotor tip area is far away from the pressure surface of the adjacent blades,and the flow capacity is enhanced.However,
10、the increase of stator inlet attack angle intensifies the separation of stator suction surface,which limits the further improvement of its stability expansion capacity.The maximum stable operating margin of compressor stage can be increased by 45.44%.Key words:Compressor;Controllable speed casing;Ti
11、p leakage;Stable operating margin;Numerical research1 引 言高负荷压气机的研制已经成为现代压气机的发展方向,而负荷增加会导致压气机效率和稳定工作裕度降低。因此,解决高负荷与宽稳定工作裕度之间的矛盾对于压气机性能的提升有着重要意义。20世纪60年代末,机匣处理的扩稳效果被Koch1偶然发现。大量研究结果表明,机匣处理技术是一种能显著提高压气机稳定工作裕度的被动控制方法,常见的机匣处理结构形式1-3包括槽式结构、缝式结构、蜂窝式结构及多孔壁式结构。其中,较为深入的研究集中于槽式结构和缝式结构。对槽式结构的研究中,专家学者们发现凹槽的深度、数量及
12、位置可以影响其作用效果。Bailey4认为靠近叶顶前缘的周向多槽会恶化压气机的失速裕度,靠近弦长中部的周向多槽扩稳效果最好。但 Adamczyk等5和 Lu等6认为靠近叶片前缘的周向多槽扩稳效果最好。为了确定周向槽位置对于压气机稳定性的影响机制,Houghton 等7首次提出并开展了周向单槽的实验和数值研究,认为周向槽在 50%叶顶弦长处扩稳效果最佳且效率损失较小。杜娟等8-9对不同位置周向单槽影响压气机稳定裕度的研究表明,周向槽位于叶片前缘附近扩稳效果较差,位于叶顶弦长中下游区域扩稳效果好。楚武利等10-11推断存在一个最佳槽宽范围可以对压气机起到最佳的扩稳效果。阳尧12对比分析了不同阶梯状
13、子午截面周向槽机匣处理的扩稳效果,结果表明凹型周向槽的综合稳定裕度提升最大,但峰值效率略有下降。对缝式结构的研究中,Takata等13认为当轴向缝向着转子旋转方向倾斜时,叶片流道内的流体更容易进入缝隙,扩稳效果更好。卢新根等14经过数值和实验研究证明缝式机匣处理能够缓解叶顶泄漏涡引起的堵塞现象,抑制间隙泄漏流向相邻叶片的发展,提升压气机的稳定裕度。赵天鹏15研究了缝式机匣处理开度对压气机稳定裕度的影响,研究发现随着缝式机匣处理开度的增加,机匣处理的扩稳能力增强。近年来随着试验技术的不断发展,研究者们相继提出了优化后的机匣处理方法。Hathaway16设计了一种自循环机匣,在不损失压气机效率的前
14、提下提升失速裕度。楚武利等17自主设计了一种折线斜缝式的机匣处理结构,发现这种机匣处理结构可以起到提高压气机稳定工作裕度和效率的作用。孙晓峰等18-19研究了一种带气室非定常机匣处理(SPS 机匣处理),这种机匣处理通过主动调节壁面阻抗边界条件从而实现扩稳。综合来看,大多数机匣处理都是以槽和缝为基础设计理念,需要对机匣内端壁进行较为复杂的设计,并在牺牲效率的前提下才能拓宽稳定工作裕度。同时,由于槽式和缝式结构不能随工况的变化而改变,其扩稳效果通常会受到工况变化的影响。因此,设计内端壁结构更简单、对效率影响更小、工况适应性更强的机匣处理方式是十分必要的。作者所在研究团队提出了一种新型的可控转速机
15、匣处理方式20。通过可转动环段的旋转,对叶顶区域的气流施加周向附加作用力,抑制低能气流在叶顶区域的堆积,达到扩稳的目的。同时,对可控转速机匣转速和转动方向的调控可以使其更适应压气机工况的变化。研究团队针对跨声速压气机单转子开展了可控转速机匣对稳定裕度的影响研究21-22。结果表明,压气机转子在设计转速下,随着可控转速机匣可转动环段转速的增加,在压比和效率基本不变的情况下,跨声速压气机转子的稳定工作裕度呈现逐步提升的趋势,在可转动环段转速为转子转速时,扩稳效果最好。压气机级特性和单转子特性有着很大的区别,在压气机级中存在动静干涉、级间匹配及失稳机制不同等多种复杂影响,以转子为研究对象得出的结论并
16、不一定适用于压气机级,可控转速机匣对跨声速压气机转子流动稳定性的影响是否可控转速机匣转动方向对高负荷压气机级稳定性的影响第 44 卷 第 8 期2023 年2206042-3在高负荷压气机级中依然有效,扩稳效果如何,迫切地需要开展深入的研究。因此,本文在团队前期研究工作的基础上,以高负荷压气机级为研究对象,探究其在设计转速工况下,可控转速机匣的转速为 50%及 100%压气机级转子的设计转速时,可控转速机匣转动方向对压气机级流场特性的影响,获取可控转速机匣转动方向对其扩稳效果的影响机制。2 数值方法2.1 研究对象可控转速机匣分为固定环段和可转动环段两个部分,可转动环段初步拟定起始于转子叶顶前
17、缘、终止于转子叶顶尾缘,宽度与叶顶轴向弦长相等,结构示意图见图 1。研究对象为作者所在研究团队自主设计的轴流式高负荷压气机级原型。该压气机级由一列动叶和一列静叶组成,其主要几何参数及结构参数如表 1所示。2.2 数值研究方法数 值 模 拟 采 用 NUMECA 软 件,使 用 NUMECA/FINE 求解器求解三维定常粘性的 RNS(Reynolds averaged Navier-Strokes)方 程 组,湍 流 模 型 采 用 S-A(Spalart-Allmaras)一方程模型,空间离散采用中心差分格式,时间项采用 4阶显式 Runge-Kutta法,并采用多重网格法、当地时间步长和隐
18、式残差光顺等方法来加速收敛。计算网格使用 NUMECA/AutoGrid 5 模块生成结构化网格,网格拓扑结构为 O4H 型结构化网格,如图 2所示。计算边界条件设置为:计算域进口给定总压 101325Pa,总温 288.15K,轴向进气;计算域出口给定平均半径处静压,由径向平衡方程确定出口静压的径向分布;计算域两侧给定周期性边界;壁面为光滑绝热无滑移边界,转子叶片及其连接的轮毂设置为旋转部件,在计算可控转速机匣时仅对可转动环段对应位置处的机匣赋值转速,其余部分机匣仍静止;转/静子交界面给定二维无反射条件。计算通过逐渐增大背压来逼近失速点,将失速前最后一个收敛解作为数值失速边界点,近失速工况附
19、近的背压增加幅度为 10Pa。2.3 网格无关性验证为了验证网格数目对于数值模拟结果的无关性,采用 140 万、160 万、180 万、200 万、220 万、240 万和 260万七种网格数目,分别记为 Grid 17,第一层网格高度为 1.4m,满足 Y+1。图 3 是七种网格计算得到的压气机性能曲线。从图中可以发现,当网格数目大于 220 万时,即 Grid 5,6,7 计算得到的特性曲线基本保持不变。因此,综合考虑数值模拟的准确性和计算资源,本文采用网格数目为 220万的网格进行计算。2.4 数值方法校核为了验证本文所采用的数值方法的准确性和可靠性,对数值模拟结果与原型压气机级的试验结
20、果Fig.2Computational gridFig.1Controllable speed casing structureTable 1 Main geometric and aerodynamic parameters of the compressor stageParameterNumber of rotor bladesRotor hub-tip ratioRotor aspect ratioDesign tip clearance/mmDesign tip velocity/(m/s)Design rotational speed/(r/min)Number of stator
21、 vaneStator hub-tip ratioStator aspect ratioDesign mass flow rate/(kg/s)Design pressure ratioValue360.7061.190.445224566.8460.8011.26102.0推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2206042-4进行对比。图 4 为五种转速下的校核曲线,其中 Exp为试验结果,Num为数值模拟结果。各转速下,试验结果和数值模拟结果的压比特性曲线对应较好,绝热效率特性曲线在 60%,70%,90%,100%四种设计转速时整体变化趋势和试验结果一致。在压气机级的试验过程中,
22、由于气动探针测点和安装位置的影响,不能完全和准确地捕捉近壁面流场的全部流动细节。而数值计算过程中,由于湍流模型等的限制也不能获得附面层内精确和真实的流场信息。这些因素都会导致试验测量结果和数值模拟结果存在一定的偏差。在设计转速时,试验得到的堵塞流量为 10kg/s,数值模拟得到的堵塞流量为 10.1kg/s,基本相同。整体而言,研究采用的数值模拟方法是可靠的。3 数值结果与分析3.1 压气机级总的性能分析将原型静止机匣(Original Stationary Casing)和可控转速机匣(Controllable Speed Casing)分别表示为OSC 和 CSC。使用正(+)和负(-)分
23、别表示可控转速机匣和转子的转动方向相同或相反。共计算了原型静止机匣以及正负两个方向的可控转速机匣分别以50%和100%压气机级转子设计转速转动的五种方案,分别命名为OSC,CSC(+0.5),CSC(-0.5),CSC(+1.0)和 CSC(-1.0)。图 5 给出了五种方案的压比和绝热效率特性曲线。从图 5(a)中可以看出,当可控转速机匣的转动方向为正时,压比在大流量范围内相比 OSC 基本没有变化,在小流量内略低于 OSC,而可控转速机匣的转动方向为负时,压比相比 OSC 在全流量范围内都略有增加,CSC(-1.0)虽然在较大流量即发生失速,但其压比提升幅度最大。在 OSC 近失速工况同流
24、量点,CSC(+0.5),CSC(+1.0),CSC(-0.5)压比相比 OSC分别变化了-0.30%,-0.54%,+0.27%。从图 5(b)中可以发现,OSC 的绝热效率曲线在峰值效率点之后存在一段效率突降过程。当可控转速机匣的转动方向为正时,效率突变点相比 OSC 右移。CSC(+0.5)相比 OSC 峰值效率略有提升,而 CSC(+1.0)相比 OSC 峰值效率略有降低。当可控转速机匣的转动方向为负时,峰值效率降低较大。CSC(-0.5)效率突变点左移并存在较大范围的突降,CSCFig.4Comparison of stage performance between calculat
25、ion and experimentFig.3Grid independence verification可控转速机匣转动方向对高负荷压气机级稳定性的影响第 44 卷 第 8 期2023 年2206042-5(-1.0)并不存在效率突降过程。CSC(+0.5),CSC(+1.0),CSC(-0.5)和 CSC(-1.0)与 OSC 相比,峰值效率分别变化了+0.02%,-0.55%,-0.47%和-1.48%,近失速点效率分别变化了+0.22%,+0.05%和-0.77%,CSC(-1.0)与OSC对应工况点相比,效率变化了-0.44%。综合来看,当可控转速机匣的转动方向与转子的转动方向相同时
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