机匣处理缝开度对压气机扩稳的机理

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1、赵天鹏【摘要】Unsteady numerical simulations were performed on Rotor 67 to investigate the stabilizing mechanisms of casing treatment with different open area ratio at design speed.The mass and momentum of the flow through the tip gap,the rotor tip flow structures and azimuth-averaged loss distributions of

2、 rotor with different casing at different mass flow were studied.Results find that:the capability of the casing treatment to extend the compressor stall margin increased with the open area ratio of the casing treatmentincreased;the tip leakage mass flow reduced 33.3 %,the blockage flow in the front

3、of the blade near the pressure side weakened most,the shock wave moved downstream,the total pressure loss made by the mixing of the tip leakage flow and main flow is reduced compared to the solid casing at near stall condition of the solid casing.%为 了探索不同开 度的缝式机匣处理对压气机稳定裕度的影响，以跨声的Rotor 67为研究对象，通过 非定

4、常数值计算方法探索了设计转速下3种不同开度的机匣处理对该转子稳定性 的作用.详细分析了各流量工况下不同机匣时通过转子叶顶间隙面的气流质量和动 量、叶预的流动结构、周向平均后的总压损失分布等.研究发现:随着缝开度的增加, 机匣处理的扩稳能力增强;实壁机匣近失速工况下缝开度为80%的机匣处理使叶顶 间隙泄漏流减小了33.3%,最大程度的削弱了转子前缘压力面侧的堵塞气流,使激波 往下游移动距离最大，减少了间隙泄漏流与主流掺混造成的总压损失.【期刊名称】西安科技大学学报【年(卷)，期】2017(037)004【总页数】8页(P582-589) 【关键词】压气机;机匣处理;开度;流场;机理 【作者】赵天

5、鹏【作者单位】西安科技大学工程训练中心，陕西西安710054 【正文语种】中文【中图分类】V235.12现代压气机设计的主要目的是通过不断的提高级载荷来提升总压比，这种设计原则 使压气机稳定工作范围减小并且在运行中很容易遭遇喘振失速。而恶劣的运行工况 又使得压气机需要在远离最高效率点的工况下工作，所以应该拓宽压气机的稳定工 作范围。机匣处理作为一种被动控制技术已经被证明可以有效的拓宽压气机的失速 边界1-5。Prince6首次基于机匣处理的扩稳机理做了一个关于机匣处理扩稳效 果的总结性报告，他们实验测试了各种周向槽、倾斜缝、叶片角向缝的扩稳效果后 认为缝类机匣处理的扩稳效果要好于槽类机匣处理。

6、正是由于缝类机匣处理结构简 单扩稳效果好，对其的研究展开的也较多。Morley7在一个跨声压气机上验证了 缝类机匣处理开度对其扩稳效果的影响，结果发现随着机匣处理缝开度的减小峰值 效率降低的幅度更小。半圆斜缝机匣处理由于其几何外形使缝腔内的总压损失最小 化8，且有效的增加扩稳裕度9，所以受到了众多学者的关注。Wilke10在一 个跨声转子上用非定常方法探索了不同轴向位置的半圆斜缝机匣处理对转子扩稳能 力、效率和对叶顶流场的影响。机匣处理相对转子处于下游时，压气机的扩稳能力 得到了有效的提高同时效率有所下降。扩稳效果主要是由机匣处理对叶顶间隙泄漏 流的影响及缝内形成的涡的作用产生的。该涡抽吸了转

7、子通道下游的堵塞气流并在 转子前后压差的作用下把它们从上游喷出汇入主流。机匣处理缝使转子对流经缝的 气流的持续加功，并使通道激波往下游移动，这些因素的共同作用降低了转子的效 率。机匣处理相对处于上游时，转子在保持相同的扩稳能力同时提高了效率，详细 的流场分析表明此时机匣处理削弱了间隙泄漏涡减弱了对通道主流造成的掺混损失。 Hembera11 针对转子叶顶堵塞型失速的Darmstadt Rotor 1设计了 4种不同几 何尺寸的半圆斜缝机匣处理，通过数值计算发现在100%设计转速下（跨声）标准尺 寸的半圆斜缝机匣处理不但能有效地扩稳提高流经转子气流的压比而且还稍微的提 高了转子的效率，而80%设

8、计转速下（亚声）标准尺寸的半圆斜缝机匣处理有效地提 高了转子的稳定工作范围同时提高流经转子气流的压比，但由于缝内回流带来的损 失不足以补偿祛除低速气流带来的收益，所以降低了转子的效率。Brignole12为 了探索跨声速轴流压气机中通道流动与机匣处理缝的关系，设计了 4种半圆斜缝 机匣处理，并通过非定常计算方法对一级带不同机匣的压气机进行了数值研究和实 验确认，结果表明它们都扩大了压气机的稳定工作范围和设计点效率，同时整个流 量范围内的总压比都有所提高。缝中的气流重新从转子前缘进入通道的上游，减弱 了转子叶顶形成的三维流动，对三维流动的强烈抑制是机匣处理扩稳的原因，同时 这也改善了压气机级的效

9、率。实验着重分析了缝对静子进口气流相关参数的影响和 缝内气流循环对压气机性能的影响并定义了相关的参数衡量缝内气流循环的效率。 但只研究了 2个缝开度对一级压气机性能的影响，对缝开度对压气机性能的影响 不够充分。然而，尽管经历了多年的研究，半圆斜缝机匣处理的研究仍然存在不足 之处，如机匣缝开度对压气机性能影响的研究较少涉及。显然，如果能够知道机匣 处理缝开度对压气机叶顶区域的流动变化情况、流动堵塞的影响及其背后的流动机 理、对压气机特性的影响，对于在压气机上合理的应用机匣处理扩大压气机的稳定 裕度、优化压气机的性能都是很有意义的。研究了 3种不同开度的半圆斜缝机匣 处理对压气机扩稳能力的影响，着

10、重于分析缝对转子叶顶间隙泄漏流相关参数的影 响，及其带来的转子性能的变化；丰富了半圆斜缝机匣处理的研究，为使用机匣处 理对压气机进行扩稳提供一些指导原则。本实验针对研究对象为NASA的Rotor 67，它是一个轴向进气的两级风扇的第一 级转子。NASA对它进行了详细的实验研究获得了关于该转子的一些基本参数和 各种详细实验数据，详见文献13。Rotor 67的计算域及其内的网格由IGG/Autogrid构建和划分，图1为计算域的 网格示意图。计算域网格拓扑结构划分为HO4HH，转子叶顶间隙采用蝶形 网格。这套网格已经通过了网格的无关性验证，下面为这套网格按照周向x径向x 流向来排列的具体网格节点

11、数，进、出口段H块网格节点数都为：57x81x17, 叶片周向2个H块的网格节点数为：17x81x93，叶片轴向前后2个H块的网格 节点数为：25x81x21,包围叶片的O型网格块节点数为153.采用NUMECA的Euranus求解器对该转子构成的计算域进行数值计算，具体计 算方法为：在相对坐标系下对三维雷诺时均Navier-Stokes方程进行求解，数值 离散格式采用Jameson有限体积法，时间离散为显式四阶龙格库塔法，采用 Spalart-Allmaras湍流模型以估计涡粘性的大小，同时加入了 2阶和4阶人工粘 性项用来消除数值计算过程中的伪数值振荡，辅以多重网格法、局部时间步长和残 差

12、光顺等措施以加速收敛。进口边界条件给定总温、总压和气流角(轴向进气)，出 口给定平均静压。壁面采用绝热无滑移边界条件，叶片和与叶片联接的轮毂设为转 动边界条件，机匣定义为静止边界条件。计算时保持转速不变，通过不断的提高出 口背压进行各个流量点的计算，当全局残差收敛到10-5并且进出口流量、总压比 及效率保持恒定时可认为计算已经收敛，把数值发散前的最后一个背压认为是近失 速点，对应最大的转子出口压力。图2(a)给出了实壁机匣转子67的效率、压比特性与实验测量值的对比，从图中可 以发现数值计算的总压比在整个流量范围内低于实验值3.2%，但计算值随流量的 变化趋势与实验值吻合较好。计算的效率值与实验

13、值趋势一致，最高效率点误差稍 大为3%.图2(b)是最高效率点工况下转子前后测量点的温比、压比沿径向的分布。 数值计算得到的温比与实验值几乎一致，而转子叶尖区域的压比与实验值有明显的 误差，但误差也在1.4%范围内。这些误差与其他学者数值计算结果的误差在同一 个量级之内，所以认为该数值计算方法是可行的。首先确认Rotor 67在实壁机匣时的失速机理。图3给出了几个不同工况下其叶顶 流场结构，图中所有切片都垂直于叶顶弦长且等间距分布，图中红色流线代表99% 叶高粒子示踪，每个切片上给出了相对马赫数分布或绝对涡量分布(绝对涡量的定 义如下：切=,3为转子角速度)，低速区表明该位置发生了气流堵塞。峰

14、值效率(PE) 工况时，发源于叶顶前缘的间隙泄漏流与主流掺混卷起形成间隙泄漏涡，此时叶顶 间隙泄漏涡能够顺利的通过通道激波，通过激波后间隙泄漏涡的方向和强度变化不 大，叶顶通道几乎没有出现低速阻塞气流，来流可以顺畅的流出叶片通道。近失速 (NS)流量时，间隙泄漏涡产生了膨胀，转子前缘到30%叶顶轴向弦长靠近压力面 的通道处充满了大量的低速气流，这些低速气流主要是由间隙泄漏涡通过激波后产 生膨胀和激波与附面层的干涉作用所导致的，而叶顶来流所具有的轴向动量并不足 够大，不能把该区域的低速气流携带出转子叶顶通道，所以该低速气流团一直存在 于转子进口处，它使99%叶高处叶顶通道的有效流通面积减小了一半

15、，阻塞叶顶 来流。该工况下叶顶来流攻角已经较大，同时由于激波的存在，来流通过激波后还 产生了逆叶片旋转方向的偏转，这进一步加剧了转子压力面附近的气流堵塞，从图 2中可以看到整个叶片压力面附近都堆积了大量的低速气流团。1毫秒(MS)过后低 速阻塞气流团沿径向往叶根方向发展、轴向往转子进口气流方向扩张、周向往相邻 叶片的吸力面扩散，低速阻塞气流区占据的范围逐渐扩大，越来越多的间隙泄漏流 穿过一个叶片通道后进入下一个叶片通道。从绝对涡量分布图中可以发现高绝对涡 量集中在间隙泄漏涡的涡核处，沿着泄漏涡核的运动轨迹高绝对涡量在激波下游出 现了明显的消失，但该区域并没有出现涡核尺度的急剧膨胀与核心滞止区，

16、且图中 的红色流线也表明气流也没有出现局部的回流现象。结合旋涡破碎的判别准则15， 这说明在近失速点间隙泄漏涡并没有发生破碎，这与文献16 中转子的失速机理有 所差异。随着时间的推移，转子出口背压迅速增大，通道中出现越来越多的横向流 动，间隙泄漏涡急剧膨胀，低速阻塞区率先朝相邻叶片压力面发展，随着其尺度的 不断增加，整个叶顶通道的进口来流逐渐被完全堵塞，并且阻塞区会将叶片通道激 波推出叶顶前缘，从而导致该跨声转子叶顶流动失稳。上述分析表明Rotor 67发 生了叶尖堵塞型失速，且该堵塞团并不是由间隙泄漏涡破碎造成的。因此，使用机 匣处理能有效地扩大Rotor 67的稳定裕度。针对Rotor 6

17、7的失速特点，文中设计了 3种不同缝开度的半圆缝式机匣处理。该 类型机匣处理出色的扩稳能力得到了证实。图4为该类型机匣处理的示意图，具 体参数如下：轴向长度为100%叶顶轴向弦长，覆盖长度A2为50%转子叶顶 轴向弦长，缝的径向高度H1为11 mm,缝与转子叶片的子午面的夹角入为45, 个通道有12个缝。缝开度定义为缝开度为50% , 66.7% , 80%的CT_11 , CT_21 , CT_41机匣处理对应的缝周向长度M和缝片周向长度N分别为3,3;4, 2;4.8, 1.2 mm.为了量化机匣处理的扩稳效果现弓1入同时考虑了流量和压比影响的机匣处理的综合 失速裕度(SMI),该衡量参数

18、首先由Cumpsty提出，它的定义如下 %.net, met为机匣处理后近失速点的压比与流量；nsw, msw为实壁机匣近失速点 的压比与流量。按照该定义CT的SMI见表1.结合图5和表1可以看出对所研究 的3种不同缝开度的机匣处理，随着缝开度的增加机匣处理的扩稳能力逐渐增强， 其中CT_41机匣处理的扩稳能力最强，带来了 48.0%的综合失速裕度的提高。下 面将具体从不同机匣对叶顶间隙泄漏流、叶顶通道激波、叶顶流场等的影响来分析 造成缝式机匣处理扩稳能力随开度增加而增强的原因。叶顶间隙泄漏流在压气机中起着重要的作用，它主要是受吸压力面的压差所驱动。 为了量化缝式机匣处理对叶顶间隙泄漏流强度的

19、影响，有必要对比实壁机匣近失速 工况下不同机匣时叶顶间隙径向中间位置处的静压和通过叶顶间隙面(如图6中黑 色所示)的气流质量沿轴向的累积量、轴向动量、切向动量、径向动量、总体动量 在叶顶轴向位置上的分布规律及其对机匣处理扩稳作用的影响。从图7(a)中可以看出，对于近失速工况下的实壁机匣来说，从转子叶顶前缘到54% 叶顶轴向弦长处吸压力面存在着较大的持续的压差(平均约30 000 Pa)，所以在这 个轴向位置上气流不断地通过叶顶间隙从压力面进入吸力面。在50%叶顶轴向弦 长处，由于激波的存在，吸力面的气流通过激波后减速增压，使吸压力面的压差急 剧减小，也就是说间隙泄漏流的强度减小。这可以从图7(

20、b)中通过叶顶间隙面的 泄漏流质量沿叶顶轴向位置的累积分布中体现出来，图中灰色线的斜率逐渐减小， 表明了间隙泄漏流强度的逐渐减小。单位时间内通过整个实壁机匣的叶顶间隙泄漏 流面的气流质量为0.01kg/s，与实壁机匣相比机匣处理后通过转子叶顶间隙面的 间隙泄漏流质量出现了明显地下降，并且随缝开度的增加吸压力面压差减小。其中 CT_11，CT_21机匣处理时通过转子叶顶间隙面的气流质量都降低了 20%，而 CT_41机匣处理时通过转子叶顶间隙面的气流质量降低了 40%，这主要是由于机 匣处理后转子吸压力面的压差降低了，也就是说间隙泄漏流的驱动力降低了。 50% 叶顶轴向弦长之前吸压力面存在较大的

21、压差，间隙泄漏流一直维持着较大的增长率， 图7(b)中表现为较大的斜率；在整个轴向范围内，对于实壁机匣、CT_11和 CT_21来说5%-10%叶顶轴向弦长附近吸压力面的压差最大，所以相对于它们自 身来说该轴向位置处叶顶间隙泄漏流的质量增量最大；在该位置处3种机匣中以 实壁机匣的压差最大，所以图7(b)中它的斜率最大。50%叶顶轴向弦长之后，由 于吸力面的气流通过通道激波后压力显著增加，使得吸压力面的压差减小，所以间 隙泄漏流的增长率降低。3种机匣处理（CT_11，CT_21，CT_41 ）相对于实壁机匣 的通过叶顶间隙泄漏流总质量的降低分别为15.2%、16.6%、33.3%。这说明在实 壁

22、机匣近失速流量下机匣处理缝的开度越大，机匣处理对转子叶顶泄漏流的削弱作 用越大。缝式机匣处理对叶顶间隙泄漏流的影响主要依赖于转子叶顶静压的分布。根据相关 文献可知，间隙泄漏流的强度与通过叶顶间隙面气流的动量相关（尤其是切向动量）， 下面将着重分析通过叶顶间隙面的气流所携带的动量沿轴向的分布。图7（cdef）为通过叶顶间隙面的气流的轴向、切向、径向和整体的动量沿轴向的分 布。从图中可以明显地看出，实壁机匣时转子叶顶前缘到尾缘大部分区域内气流所 具有的轴向动量都是负的，也就是说气流在该范围内产生了堵塞。机匣处理后虽然 气流的轴向动量依然为负，但其绝对值减小，特别是0%55%叶顶轴向弦长范围 内，即

23、机匣处理削弱了转子叶顶前缘的堵塞气流，这进一步证实了前面所指出的该 转子主要是由于转子叶顶前缘的气流堵塞所导致的失速。相对于实壁机匣，CT_11, CT_21, CT_41在55%叶顶轴向弦长范围内平均轴向动量的绝对值分别减小了 26.6% , 18.5% , 46.8%，其中CT_21, CT_41在7%叶顶轴向弦长处减小量最大 分别达到了 36.5%和97%.切向动量起着至关重要的作用，下面将着重分析它，对于实壁机匣来说，切向动量 沿轴向先增大然后减小，在31.3%叶顶轴向弦长处达到最大值0.228 kg-m/s，该 区域附近的气流是超声速的，由于吸压力面压差的减小，随后切向动量持续减小，

24、 同时间隙泄漏流的速度变为亚声速；而机匣处理时通过转子叶顶间隙面的气流的切 向动量显著减小，切向动量最大值至少减小了 50%并且与实壁机匣相比最大值所 在的轴向位置也向下游移动到了 65.5%叶顶轴向弦长处，这说明机匣处理后叶顶 间隙泄漏流的强度减小了，间隙泄漏流强度最大的轴向位置后移，也就是说间隙泄 漏涡造成低速堵塞气流会相应的向下游移动，减轻了转子叶顶前缘的堵塞；同时改 变了叶顶气流的流动方向，使得叶顶气流更加顺着叶片通道规定的方向流动。图 2(e )表明叶顶气流的径向动量主要为正值，最大值位于转子叶顶50%轴向弦长处， 前面的分析也表明叶顶堵塞气流主要集中于该区域，这说明在转子前后压差的

25、作用 下，低速气流从该区域抽吸进入机匣处然后从机匣处的前段喷射出来进入叶顶流道， 随机匣处理缝开度的增加气流的径向动量增大，说明缝抽吸的低速气流更多。下面重点关注28.071 kg/s(CT_11机匣近失速工况)时，不同机匣时转子叶顶流场 发生的变化。由图8可知，使用机匣处理后转子叶片吸力面的尾缘都出现了低速 气流团，这是由于流量减小到一定程度后，正攻角过大，引起了叶背失速。不同的 是：CT_11机匣时，转子叶顶压力面进口处还存在较大的低速气流团，虽然与实 壁机匣相比CT_11使转子叶顶的间隙泄漏流减小了 20%，但从转子叶顶的流线图 中可以看出在整个轴向弦长范围内都不断地有间隙泄漏流越过转子

26、叶顶与主流掺混 形成间隙泄漏涡，转子叶顶前缘的压力面还是存在大片的低速阻塞区阻挡了主流进 入叶顶通道。叶顶压力面前缘的低速区和叶背失速造成的堵塞气流一前一后阻塞了 转子叶顶通道，随着流量的进一步减小CT_11机匣时转子叶顶马上进入流动失稳。 CT_21机匣与CT_11机匣时叶顶流场差别不大，主要是转子叶顶压力面前缘的低 速阻塞区在轴向、周向和径向所覆盖的范围有所减小。由于转子叶顶间隙泄漏流得 到了有效的削弱，尤其是尾部50%轴向弦长范围内，所以低速阻塞区在轴向占据 的范围明显要小。CT_41机匣时，相对于实壁机匣转子叶顶间隙泄漏流减少了 40%，这必然带来转子叶顶流场的较大变化，由于间隙泄漏流

27、的减少，转子叶顶 压力面前缘处并没有出现由泄漏流与主流掺混卷曲而形成的低速阻塞区，低速气流 区只存在于转子叶片的吸力面尾缘，该低速区对转子叶顶通道的阻塞作用并不明显， 来流还能顺畅的流过转子叶顶通道。机匣处理缝内的回流必然会引起转子叶顶损失的增加，为了衡量这种损失，现引入总压损失，总压损失定义为CP*1=Ptinlet为进口绝对总压；Pt当地绝对总压。图9为28.071 kg/s工况下3种机匣处理周向平均后转子子午面的总压损失分布 云图，高损失区对应着较强的气流掺混，从图中可以看到，CT_41机匣处理带来 的总压损失主要由主流与叶顶间隙泄漏流掺混和机匣处理缝内的回流构成的，此时 来流/顶部间隙

28、流交接面处于叶顶通道转子的下游，间隙泄漏流位置靠后处于转子 尾缘的50%叶顶轴向弦长处，带来的总压损失也相对较小；同时缝利用转子前后 的压差抽吸转子尾缘的低速气流并从转子前缘喷出，缝内形成的回流带来了较大的 总压损失。高总压损失区域从转子叶顶50%轴向弦长延伸到转子出口，出口处径 向占据了 17%叶片高度。随着缝开度的减小，通过转子叶顶的间隙泄漏流量更大， 同时主流与间隙泄漏流交接面的轴向位置前移，间隙泄漏流对通道主流的径向影响 范围更大，造成了更大的总压损失。CT_11机匣处理时，高总压损失区域覆盖的 范围在轴向和径向都增大了，从转子叶顶前缘延伸到转子出口，出口处径向占据了 29%叶片高度，

29、较大的总压损失使得转子的效率较低。1) 在跨声转子Rotor 67上对所研究的3种开度的缝类机匣处理来说，开度越大机 匣处理的扩稳效果越好。开度为80%的CT_41机匣处理带来了 48%的综合失速裕 度的提高；2) 31.957 kg/s流量下，相对于实壁机匣来说，各种机匣处理都减弱了通过转子叶 顶间隙面的泄漏流量，其中缝开度为80%的CT_41机匣处理使间隙泄漏流减小了 33.3%，最大程度的减少了间隙泄漏流造成的转子前缘压力面侧的低速气流堵塞， 同时也减少了间隙泄漏流与主流掺混造成的总压损失。28.071 kg/s时，CT_41机 匣对转子叶顶间隙泄漏流的减少程度也是最大的；3) Roto

30、r 67应用机匣处理后，转子通道内的激波相对于实壁机匣都往通道下游移动了，其中缝开度为80%的CT_41机匣处理使激波向下游移动了最大的距离，间 隙泄漏涡通过激波后会产生膨胀，这也就减少了转子叶顶前缘的低速阻塞气流团， 同时使激波与壁面边界层互相干扰产生的低速气流区位置延后。【相关文献】1 Koch C C.Experimental evaluation of outer case blowing or bleeding of single-stage axial-flow compressorR.Cincinnati:NASA(National Aeronautics and Space A

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