压气机抽吸工程新应用模式

　　正确认识压气机抽吸建设新管理方式，有关现在压气能源管理新方式有哪些呢?本文是一篇能源工程论文。叶表抽吸方案控制了叶片吸力面的附面层发展,对压气机的压比和效率有较大的正效果。但使叶顶前缘脱体激波和间隙泄漏流强度的增加,并导致两者相互作用引起的低能堵塞团在叶顶通道内迅速增长而堵塞叶顶通道,无法吸除导致流动不稳定的堵塞流体,不能实现压气机稳定工作裕度增加。

　　摘要：近年来研究人员在对跨音速压气机内部流动失稳机制的研究中发现,导致压气机流动失稳的叶顶复杂的流动机制主要包括:叶顶分离,叶顶间隙流导致的阻塞和激波导致的阻塞,根据压气机的转速和气动力学特性,这几种失稳机制可能同时或孤立的存在。

　　关键词：压气机,工程建设,能源工程类论文

　　1.针对压气机是流动失稳机理,目前一般采用机匣处理、叶顶喷气等方法来扩大压气机稳定工作范围。附面层抽吸技术作为一种主动控制方法,可有效提高压气机的性能[4,5],其中文献[5]还以Rotor35为研究对象,深入分析了不同位置抽吸对其性能的影响机制,研究结果指出:两种抽吸形式均使压气机的压比和效率有所提高,并针对该转子流动给出了其最佳抽吸量和抽吸位置。然而压气机稳定工作裕度作为其可靠工作的关键参数之一,也必须给予关注。附面层抽吸技术在压气机负荷、效率提高的同时,是否对其稳定工作裕度有所影响?影响趋势和内部流动机理是什么?这些问题都是研究人员需要回答的问题。王如根[6]等以某压气机转子为研究对象,通过在该压气机转子叶片吸力面上不同的叶高和轴向弦长处进行抽吸,初步探讨了附面层抽吸抑制流动失稳问题,但对于抽吸控制流动失稳的机理以及抽吸位置的优化等问题未能给出详细的答案。

　　能源论文：《新能源进展》，《新能源进展》推动新能源领域科学技术的进步与发展，致力于传播为读者创造价值的新能源与可再生能源领域的学术性专业知识，力争成为国内该领域最具影响力的综合性专业科技期刊。目前已入编“中国核心期刊(遴选)数据库”、“中国学术期刊综合评价数据库来源期刊”，本刊欢迎该领域和对该领域感兴趣的专家、学者投稿，刊登综述性论文、研究论文、研究快讯、评论等，接受立意新颖、有创新性的稿件。

　　2本文采用数值模拟方法研究不同附面层抽吸形式对跨音速压气机转子的稳定裕度的影响,对附面层抽吸控制跨音速压气机稳定工作范围的机理作初步探讨。1研究对象和数值方法本文的研究对象为NASARotor35转子,叶片数36,设计转速17188rpm,其它数据详见文献[7]。数值计算采用商业软件NUMECA结合S-A模型,求解定常N-S方程组以获取该转子内部流动参数及其特性。主流区网格由AUTOGRID模块自动生成HOH型结构网格,叶片吸力面和上端壁抽吸缝网格在IGG中手动生成H型网格,并使用非匹配连接技术(FullNonMatching)将抽吸缝和主流区网格连接起来,通过大量的网格相关性检查最终选定网格总数约为70万作为计算网格。计算边界条件为:进口总压101325Pa,进口总温288K,轴向进气。通过调节出口静压,计算出该转子的性能,在判断压气机是否进入失速工况时,采用如下方式:随着出口静压升高压气机压比增加不明显、流量变化较小时,出口给定流量,当压气机压比下降时,此时计算的前一工况为近失速工况。2附面层抽吸方案设计本文通过研究不同的附面层抽吸方案来分析附面层抽吸形式对压气机稳定裕度的影响,抽吸方案参考文献[5]设计,具体为:①叶表抽吸:在叶片吸力面20%~95%叶高沿径向开设抽吸缝,缝隙宽度2mm,轴向位置分别位于30%C、50%C、70%C(C表示叶片尖部弦长)。②端壁抽吸:在上端壁沿周向开设宽2mm抽吸缝。轴向位置分别位于30%C、50%C、70%C处。定义抽吸系数(Suctioncoeffi-cient)Sc=Msuction/M,其中Msuction为抽吸流量,M为主流量。在比较抽吸前后压气机转子的总性能时,主要依据以下两项指标:?流量裕度的改进量百分数m珚。

　　3抽吸结果分析

　　3.1叶表抽吸对压气机稳定性的影响图1对比了未抽吸和叶表不同位置抽吸后压气机性能曲线,各抽吸位置的抽吸量为1.0%。从图中可以看出:在叶片表面三个不同轴向弦长处进行抽吸都有效提高了压气机的总压比和效率,其中70%C处抽吸对性能的提升幅度相对其它两个抽吸位置较高,峰值效率提高了2.04%;但叶表抽吸在提高压气机性能的同时减小了压气机的稳定工作范围,在30%C、50%C、70%C抽吸后其失速点的流量裕度改进量分别减小了1.93%、3.2%、3.86%,可见不同叶表位置抽吸对性能提高幅度越高,其流量裕度越小;叶表抽吸导致压气机提前进入失速。为分析叶表抽吸使压气机提前进入失速复杂机理,本文选取在70%C处叶表抽吸后的近失速工况对应的流量和未抽吸时流量相近的工况进行对比,此时流量为18.7kg/s。图2中给出了上述工况条件下未抽吸和在70%C处叶表抽吸时99%叶高的相对马赫数云图。从图2a)可以看出:在该工况下,未抽吸时激波位于叶顶前缘形成脱体激波,激波占据了整个叶片通道,气流被滞止在叶顶前缘,波后气流轴向动量很小。激波后存在两个低速流体团阻碍了叶顶通道中的气流流动,同时叶片吸力面近尾缘处存在一个由附面层引起的低马赫数区。从图2b)中可以看到:叶表抽吸虽然可以将附着于尾缘的低能气流团吸除,但抽吸导致该截面叶片前缘相对马赫数有所提高,激波强度增强,由于近端壁前缘脱体激波与端壁附面层相互作用,导致波后的两个低能阻塞团明显增大,阻塞团几乎占据了整个叶片通道,恶化了气流通道环境,导致压气机内部流动失稳。在压气机中,间隙泄漏流的存在对其流动稳定性的影响也不容忽视,图3对比了该工况下未抽吸和在70%C处叶表抽吸的叶片顶部流场结构,图中给出了几个截面上的相对马赫数分布,同时还给出了顶部间隙泄漏流的流线。由图3a)中看出:未抽吸时叶顶前缘附近发出的泄漏流与转子叶顶来流相作用后卷曲形成间隙泄漏涡,叶顶处激波和叶顶间隙泄漏涡相互作用,在叶片通道压力面附近形成较大的阻塞,并且部分流体流向相邻叶尖,形成横断叶片通道的流动。叶表70%C抽吸后,叶顶间隙泄漏流强度和激波强度均增强,并导致来流攻角增大,叶顶通道主流流体的轴向动量减小,叶顶区域的低能流体在相邻叶片的近压力面堆积,对叶顶通道形成较大的阻塞作用,从而引发压气机进入失速工况。

　　3.2端壁抽吸对压气机稳定性的影响图4给出了未抽吸和不同端壁位置处抽吸后压气机性能曲线,各抽吸位置的抽吸量为1.0%。从图中可以看出:在端壁表面三个不同轴向弦长处进行抽吸使压气机的总压比和效率均略有提高,其中在30%C处抽吸对总压比的提升幅度相对其它两个位置也是最高的,峰值效率提高了0.28%;需要指出的是:端壁抽吸在提高压气机性能的同时不同程度增加了压气机的稳定工作范围,在30%C、50%C、70%C抽吸后其失速点的流量裕度改进量分别增加3.15%、4.26%、2.76%。这说明端壁抽吸在不降低压气机压比和效率性能的前提下可以使得其稳定工作裕度大幅提升。为了探索端壁抽吸提高压气机稳定性的复杂机理,本文选取在30%C处端壁抽吸和未抽时的相近工况进行对比,此时流量为18.102kg/s,未抽吸时计算结果显示此时压气机已经接近失速工况。图5中给出了该工况条件下未抽吸和30%C端壁抽吸后的99%叶高相对马赫数等值线图,从图中可以发现:未抽吸时当压气机节流到该流量条件下时,叶顶前缘脱体激波已经占据了整个通道,波后形成两个较大的低能气流团,这两个低能流团和近尾缘处吸力面侧增厚的附面层几乎占据了整个叶片通道,从而堵塞了压气机顶部气流通道,使得压气机提前进入近失速工况。端壁抽吸后(图5b)所示),虽然该截面叶片吸力面侧附面层略有增厚,但由于抽吸使得位于转子上游的脱体激波向下游移动至叶片前缘形成附体斜激波,激波强度大大减小,从而使得位于叶片前缘的低能气流团尺度大大减小,增强了气流的流通能力,从而使得其稳定工作裕度有所提高。图5未抽吸和30%C端壁抽吸的99%叶高处相对马赫数云图图6对比了该工况未抽吸和30%C处端壁抽吸时几个截面上(沿周向方向截取并沿轴向均匀分布)的相对马赫数分布和顶部间隙泄漏流的流线。由图6a)中可以看出:该工况下未抽吸时压气机已经进入近失速工况,其叶顶间隙泄漏流强度较大,且相邻叶尖的流向泄漏流增多,激波和间隙泄漏流导致叶片前缘压力面区域形成大尺度的阻塞团。从图6b)所示的端壁抽吸后顶部流场结构可以知道:端壁抽吸能够将部分间隙泄漏流吸除,从而抑制间隙泄漏流的发展,间隙泄漏流的强度降低,有效抑制了间隙泄漏涡的破裂;抽吸后激波和间隙泄漏流的强度减弱,使叶顶处的大尺度阻塞团变小,稳定了叶顶的流动。图6未抽吸和30%C端壁抽吸的叶片顶部流场结构

　　4结论

　　1)叶表抽吸使压气机的压比和效率有大幅提升,但其稳定工作裕度减小。端壁抽吸可在保持压气机压比和效率略有提高的前提下实现其稳定工作裕度的增强,对提高压缩系统可靠稳定工作有较好的正效应;2)叶表抽吸使得叶顶前缘脱体激波和间隙泄漏流强度的增加,并导致两者相互作用引起的低能堵塞团在叶顶通道内迅速增长而堵塞叶顶通道,无法吸除导致流动不稳定的堵塞流体,不能实现压气机稳定工作裕度增加;3)端壁抽吸较好地改善了压气机转子顶部激波结构和强度,从而增强转子顶部通道流通能力,增加压气机稳定工作裕度,是一种可行方案;4)综合利用两种抽吸形式的优势,实现压缩系统负荷和效率提高的同时,增强其流动稳定性是提高压气机性能的潜在途经。

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