典型引气条件下轴流压气机非均匀流动特性及其扩稳机制研究

In advanced gas turbines, the bleed extraction has an important influence in compressor aerodynamic performance and design system. The geometry and arrangement of bleed equipment will lead to a typical circumferentially non-uniform of aerodynamic parameters and complication of 3D flow fields in the flow passage, which will result in a performance degradation or even flow instability. Experimental and numerical methods will be used. The non-uniform flow characteristics and the mechanism of stall margin improvement will be investigated systematically in an axial compressor with a typical bleeding. Based on the premise of ensuring bleeding performance, the appropriate flow control methods will be developed for improving flow structure and aerodynamic performance. The non-uniform flow characteristics and its impossible formation mechanism in the partial/full-annulus domain will be studied. The complicated flow characteristics coupled the radial, circumferential and rotating inlet distortions and its effects on the performance of downstream compressor will be investigated. Moreover, the multiple-scale flow unsteadiness and partial-annulus non-uniform flow fields will be analyzed for exploring the correlations of the flow fields and compressor stability and figuring out the dynamic stall model and effective factors. Consequently, the realizable approaches united of the bleed extraction and boundary-layer-suction active flow control will be explored to suppress flow separations and decrease secondary flow losses. The project will provide solid theory for the development of the advanced compressor with bleed extraction.

引气对先进燃气轮机中压气机部件的性能及其设计体系具有重要影响，引气结构的几何及布置特征将导致其内部气动参数的不均匀性、及三维流动结构的复杂化，从而使得压气机稳定性下降甚至失稳。本项目拟通过实验和数值模拟的方法，系统研究典型引气条件下压气机内部非均匀流动特性及扩稳机制，并在保证其引气性能的前提条件下，发展相应的流动控制方法以改善其流场结构和气动性能。研究将对典型引气引起的轴流压气机在多通道/全通道范围内产生的非均匀流动特性及生成机理进行研究，探究具有耦合径向、周向以及旋转进气畸变的复杂流场特征及其对下游压气机性能的影响机制；分析流道内多尺度非定常性和多通道流场不均匀性与压气机稳定性的关联，明确此状况下的动态失速模式及影响因素，探索将引气与附面层抽吸主动流动控制技术联合起来抑制流动分离并减小二次流损失的可行途径。本课题将为我国先进燃气轮机压气机部件的设计开发提供坚实的理论基础和支撑。

通过本项目的研究，验证了引气对先进燃气轮机中压气机部件的性能及其设计体系具有重要影响，引气结构的几何及布置特征会导致其内部气动参数的不均匀性、及三维流动结构复杂化，从而使得压气机稳定性下降甚至失稳。项目通过实验和数值模拟的方法，系统研究了典型引气条件下压气机内部非均匀流动特性及扩稳机制，并在保证其引气性能的前提条件下，发展了相应的流动控制方法以改善其流场结构和气动性能。研究中针对不同的研究需求建立了多通道压气机叶栅数值计算模型，并对多通道叶栅的计算方法进行了校验与评估。研究确认了典型引气引起的轴流压气机在多通道范围内产生的非均匀流动特性及生成机理，同时也通过大涡模拟计算，掌握了引气诱发的流场非均匀性对叶栅内二次流结构及损失机理的影响规律。研究获得了具有耦合径向、周向以及旋转进气畸变的复杂流场特征及其对上、下游压气机性能的影响机制，发现了流道内多尺度非定常性和多通道流场不均匀性与压气机稳定性的关联，明确了在此状况下的动态失速模式及影响因素。此外，研究将引气与附面层抽吸、脉冲吹气等主动流动控制技术联合起来抑制流动分离并减小二次流损失。通过风洞试验，验证了孔式脉动抽吸这一新型非定常流动控制方法对轴流压气机叶栅三维角区分离流动控制的有效性，并证实了在相同的时均抽吸率下，脉动抽吸比定常抽吸在三维流场改善和气动性能提升方面具有更大的优势。掌握了激励频率、激励位置、抽吸率和激励角度等关键参数对叶栅角区流动分离的控制效果，明晰了叶栅内尾缘脱落涡的频率特性和影响机制，揭示了其对非定常三维流场的影响规律以及二次流损失机理。将孔式脉动抽吸技术与反弯三维叶片造型技术有效结合，初步掌握了关键激励参数和叶片几何参数的优化设计规律，并实现了对压气机叶栅性能的进一步提升。研究成果可为我国先进燃气轮机压气机部件的设计开发提供坚实的理论基础和支撑。