高负荷压气机定常/非定常流动机理及流动控制研究

As the urgent demands of the military and civil field to the power device in advance proplusion system and the environmental requirement of energy conservation and emission reduction in the petrochemical and metallurgical industry, the turbo-compressors have continously reached a new stage as high pressure ratio, high rotational speed and high loading, and the internal flow displays a feature as highly three dimensional and unsteady. The further improvements in the performance of the turo-compressors will be achieved only through a thorough understanding of the complex airflows in the compressors and new method of controlling internal flow losses. The present project mainly discusses three flow phenomenons that have important influence to the turbo compressor performance: 1）Tip clearance flow in high loading axial compressors and unshrouded centrifugal compressors， 2）Seal leakage flow in the shrouded impeller of multi-stage centrifugal compressor，3）Clocking-effect between stationary component in multi-stage centrifugal compressor.. With systematic and thorough research, we will finally develop new theroy and new method for controling flow losses based on the thorough understanding of the compressor internal flow mechanisms. A new theoretical approach will finally be developed by referencing and compromising the design philosophy of axial compressor and centrifugal compressor which will supply theoretical support for the development of high pressure-ratio, high loading and high performance axial/centrifugal compressor.

随着军用与民用领域对先进推进系统动力装置的迫切需求以及石油、化工、冶金等过程工业节能减排的环保要求，透平压气机不断向高压比、高转速以及高负荷的方向发展，其内部流动表现出强三维性以及非定常等特征。要进一步提高压气机的性能，必须对其内部流动机理以及控制流动损失的新手段开展深入研究。本项目主要选择对透平压气机性能产生重要影响的三类流动:1）高负荷轴流及半开式离心式压气机叶顶间隙流动2）多级离心式压气机闭式叶轮盖盘外侧间隙流动、密封流动3）多级离心压气机静止部件间的时序效应， 开展系统深入的研究。在深入认识压气机内部流动机理的基础上探索对其流动损失控制的新理论、新方法；探讨轴流式与离心式两类压气机设计思想融合与相互借鉴的理论方法，为发展高压比，大负荷的高性能轴流及离心压气机的设计提供理论支撑。

随着流体机械、航空发动机、工业燃气轮机等动力装置不断提升节能水平的要求，透平式压气机的单级压比及气动负荷参数越来越高。本项目围绕高负荷压气机的关键科学问题，开展了如下几个方面的研究：（1）压气机静止部件间的时序效应； （2）压气机内部叶顶间隙流动、叶轮盖盘外侧间隙流动及与流道主流相互作用的非定常机理；（3）流动控制机理及技术，包括压气机自适应流通处理机匣，压气机静止部件机匣处理，非轴对称端壁造型流动控制，旋转圆盘微槽减阻等方面的研究。. 项目研究所获得的学术成果主要包括：（1）在机理揭示层面，揭示了离心压气机静叶叶列间的时序效应，阐明了压气机动叶叶顶间隙泄漏流动的定常/非定常特性及其作用机理，建立了适用于离心叶轮叶顶间隙泄漏涡核轨迹的预测模型；（2）在研究方法和技术层面，建立了离心压气机叶轮叶片表面压力测量的旋转遥测系统和扩压器瞬态压力测试系统，实现了压气机动叶、静叶内高频动态压力的测量，发展了MPS、高精度拟谱元方法等基础流动算法和基于改进的时间倾斜算子的叶轮机械非定常流动数值分析方法及RANS/LES混合计算方法，提出了叶片扩压器机匣、自适应流通处理机匣、叶顶喷气和组合机匣及非轴对称端壁等扩稳流动控制方法。. 截至目前，共发表SCI国际期刊论文54篇，EI收录论文95篇，申请发明专利14项(其中6项已经授权)，授权软件著作权1项，出版中文专著2部、参与编写英文专著1部、参与编写中文教材1部，培养博士研究生10名、硕士研究生32名，本项目的研究成果在工程中得到转化应用，获得省部级科技进步奖一等奖、二等奖各1项。