轴流压气机多功能型机匣处理及其流动机理研究

Casing treatment is a method to extend the stable operating range of compressor efficiently. Because the investigation of mechanism of casing treatment gets behind in the engineering application, the potential of casing treatment is not exerted adequately. A kind of casing treatment will be investigated to improve the stable margine and efficiency of compressor roundly,and the stall hanging can be avoided with the kind of casing treatment. It is significative that the flow mechanism of casing treatment is uncovered. Dynamic affecting mechanism of casing treatment and flow in the rotor and the flow rule in treatement casing are investgated with 3D unsteady numerical simulation method and experimental means at the near stall point and design point. The Mechanism of ameliorating the stable margine and efficiency of compressor is uncovered with casing treatement. The flow-field in treatment casing and the flow- field of rotor outlet are measured with dynamic method. the result gained by unsteady theory is compare with The measured result.

机匣处理是扩大压气机稳定工作范围的有效手段，常规机匣处理往往牺牲效率来换取稳定工作裕度的增加，并未考虑对失速恢复性的影响。本项目发展一种能全面改进轴流压气机稳定工作裕度、效率，并且可以改善失速恢复性能，避免失速悬挂的多功能机匣处理形式，并揭示其流动机理具有重要意义。依靠三维非定常数值模拟方法及实验研究手段，研究轴流压气机在设计工况及近失速工况下，机匣处理内部的流动规律以及机匣处理与动叶内部流动的动态影响机理，揭示对失速恢复性具有显著影响的流动机制及诱发该机制的机匣处理结构特征。用动态传感器对机匣处理槽内部及叶轮出口流场进行动态测量，为非定常理论预测提供比较的基准。

相比于传统的机匣处理，自循环处理机匣的优势在于提升压气机失速裕度的同时不降低或者提高压气机效率。为了得到即可以扩大稳定工作范围并兼顾效率的多功能自循环机匣处理的普适性规律，本项目通过对自循环机匣处理的喷嘴、桥路和抽吸口进行参数化设计及优化，得到了一种多功能自循环机匣处理的设计方法，并分别在亚声速压气机和跨声速压气机中对其适用性进行了验证。以本课题组亚声速压气机转子为研究对象，利用实验和数值模拟的方法研究了机匣处理对压气机性能、失速裕度及失速恢复性的影响机理。结果表明：合理选择机匣处理的设计参数，可在提升压气机失速裕度的同时提高压气机的总压比和效率，压气机失速裕度的最大提升量约为10%，效率的最大提升量约为2%。多功能自循环机匣处理可以有效地降低叶顶泄漏涡与轴向的夹角，从而减小了叶片通道中流动堵塞，推迟失速的发生。通过实验发现，合理的机匣处理可以有效的改善亚声速压气机的失速恢复性。选取某两级半跨声速轴流压气机为研究对象，通过数值模拟的方法验证多功能自循环机匣处理的可行性，结果表明：对于叶顶过载型失速，传统的自循环机匣处理不能起到有效的扩稳效果。本项目提出一种自循环与缝式机匣处理相结合的新型多功能机匣处理结构。通过非定常计算发现，“尖部反弯根部正弯的静子+自循环机匣处理”的流量裕度、综合裕度和流量工作范围较实壁机匣分别提升了11.1%、12%和80.2%，较单独的自循环机匣处理分别提升了4.3%、1.1%和30.9%。此时，压气机的失速由静子近轮毂位置的通道堵塞触发。该多功能机匣处理设计方法具有一定的普适性，对自循环机匣处理的结构设计与优化具有较好的指导意义，具有较高的工程应用价值。