（动力机械及工程专业论文）跨音速离心压气机三维流场数值分析.pdf

k c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ao is s e r t a ti o n f o r t h ed e g r e eo fm e n g t r a n s o n i cc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r t h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l dn u m e r i c a l a n a l y s i s c a n d i d a t e ：h ex i a o li a n g s u p e r v i s o r ：p r o f f e n gy o n g m i n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m is s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：璎煦。扎 日期：沙o 年3 月k 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工 程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本 人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库 进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学 位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔 滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等、 作者( 签字) ：褪睃乱 导师( 签字) 灰 日期：沙细年多月日川一年3 月压日 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 于两斐 压气机的失速与喘振是两种既有密切联系又互相区别的非稳定流动现 象。喘振会导致压气机叶片发生剧烈的震荡，严重时会损害压气机本身，而 旋转失速是喘振发生前的先兆，深入分析旋转失速是控制压气机喘振的重要 前提和基础。 本文采用三维数值模拟的方法，利用c f d 技术仿真某离心式压气机。利 用n a s a 文献提供的压气机和扩压器叶片数据建立计算模型，并用解析几何 的方法处理压气机叶片前缘的圆弧，建立压气机和扩压器的几何模型，并建 立高、中、低三种不同网格密度的计算域模型，分别在8 0 和1 0 0 工况下 对三种网格密度的计算模型，进行稳态数值计算。通过对比三种网格密度在 高低工况下的流场分布特性、压力分布特性、压气机整机性能和数值仿真结 果误差，发现三种网格密度模型的计算结果相差不大，压气机特性也相同， 由此证明低密度网格能够满足压气机特性仿真计算的要求。 利用低密度网格建立压气机和扩压器的全周计算模型，进行压气机近喘 振点三维非定常计算。本文主要研究压气机在近喘振点附近的旋转失速现象。 通过计算发现，压气机在发生旋转失速前，扩压器流道内部已经出现了流场 分布不对称的现象，而且这些不均匀的流场分布在计算的不同时刻，也发生 变化。在失速发生之前扩压器叶片的压力面和吸力面都出现气体分离，发生 气体分离的位置从叶根处随时间变化向叶顶方向发展。 通过计算，压气机在高工况下运行时，旋转失速发生的速度较快，失速 频率为2 6 5 h z ，并且失速发生对应压气机特性图上的范围非常窄，失速发生 后紧接着压气机进入喘振状态，在计算到第1 3 圈时，压气机进入深度喘振， 这与实际压气机特性符合。本文的研究为进一步采取主动流动控制技术，如 扩压器机匣或轮毂射流主动控制离心压气机喘振，奠定了基础。 关键词：离心压气机；旋转失速；喘振；非定常；数值计算 t 哈尔滨t 稃人。硕十学何论文 a b s t r a c t c o m p r e s s o rs t a l la n ds u r g ew h i c ht i eu pa n dd i s c r i m i n a t i v ew i t he a c ho t h e r a r et w od i f f e r e n c e n o n - s t e a d yf l o wp h e n o m e n a c o m p r e s s o rs u r g ec a nl e a d d r a m a t i cf l u c t u a t i o n si ni m p e l l e r , e v e nd e s t r o yt h ec o m p r e s s o r r o t a t i n gs t a l li sa p r e c u r s o rt o t h ep r e - s u r g e ，d e p t ha n a l y s i so ft h er o t a t i n gs t a l li sa ni m p o r t a n t p r e r e q u i s i t ea n df o u n d a t i o nt oc o n t r o lc o m p r e s s o rs u r g e i nt h i sp a p e r , a d o p tt h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，u s i n g c f dt e c h n o l o g yt os i m u l a t i o ns o m ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r o n el i t e r a t u r eo f n a s a p r o v i d e dt h ec o m p r e s s o ra n dd i f f u s e rb l a d ec o m p u t i n gm o d e ld a t as e ta n d u s ea n a l y t i cg e o m e t r ya p p r o a c ht op r o c e s st h ea r co fc o m p r e s s o rb l a d el e a d i n g e d g e t h e ne s t a b l i s ht h ec o m p r e s s o ra n dt h ed i f f u s e rg e o m e t r ym o d e l ，a n db u i l d t h r e ed i f f e r e n tm e s hd e n s i t yo fh i g h ，m e d i u ma n dl o wo ft h e c o m p u t a t i o n a l d o m a i nm o d e l ，r e s p e c t i v e l y , c a l c u l a t e8 0 a n d10 0 w o r k i n gc o n d i t i o no ft h e t h r e ek i n d so fm e s hd e n s i t ym o d e lf o rs t e a d y - s t a t en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n b y c o m p a r i n gt h r e ek i n d so fm e s hd e n s i t yi nt h eh i g ha n dl o wo p e r a t i n gc o n d i t i o n so f t h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o np r o p e r t i e s ，c o m p r e s s o r p e r f o r m a n c e ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fm a c h i n ee l t o r s ，f o u n dt h a tt h r e e k i n d so fm e s hd e n s i t ym o d e lr e s u l t sm o r eo rl e s s ，c o m p r e s s o rc h a r a c t e r i s t i c sa l s o t h es a m e ，t h u sp r o v i n gt h a tl o w - d e n s i t yg a dt of u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so ft h e c o m p r e s s o rc h a r a c t e r i s t i cs i m u l a t i o n u s el o w - d e n s i t yg a dt oe s t a b l i s ht h ec o m p r e s s o ra n dd i f f u s e rc a l c u l a t i o n m o d e lf o rt h ee n t i r em a c h i n et oc a r r yo u tt h r e e - d i m e n s i o n a lu n s t e a d yc a l c u l a t i o n s n e a r l yt h ec o m p r e s s o rs u r g ep o i n t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec o m p r e s s o rs t a l l p h e n o m e n o nn e a rt h es u r g ep o i n t f r o mc a l c u l a t i o nf o u n dt h a tt h ee v e n to f c o m p r e s s o rr o t a t i n gs t a l lh a se m e r g e da s y m m e t r ya tt h ed i f f u s e rf l o wc h a n n e l b e f o r ei th a p p e n s ，a n dt h i sn o n - u n i f o r mf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h ec a l c u l a t i o n 哈尔滨丁稃人学硕十学位论文 o fd i f f e r e n tm o m e n t sa l s oc h a n g e b e f o r et h es t a l lo c c u r si nt h ed i f f u s e rb l a d e 产p r e s s u r e s u r f a c ea n ds u c t i o ns u r f a c eh a v ee m e r g e do u to fg a ss e p a r a t i o n ，a n dt h e t l o c a t i o no fg a ss e p a r a t i o nc h a n g eo v e rt i m ee x p a n df r o mt h er o o tt ot h et i po ft h e b l a d e b yc a l c u l a t i n g ，w h e nt h ec o m p r e s s o ri sr u n n i n ga th i g ho p e r a t i n gc o n d i t i o n s ， t h er o t a t i n gs t a l lo c c u r sf a s t e r , t h es t a l lf r e q u e n c yi s2 6 5 h z ，a n dt h er a n g eo f c o m p r e s s o rs t a l lo c c u r si nt h ec o m p r e s s o rc h a r a c t e r i s t i c sm a pc o r r e s p o n d st oa v e r yn a r r o wr a n g e ，t h ec o m p r e s s o rs u r g ei m m e d i a t e l yo c c u r sa f t e rt h er o t a t es t a l l ， i nt h ec a l c u l a t i o no f13 t hr o u n d ，t h ec o m p r e s s o rg e ti n t ot h ed e e ps u r g e ，t h i s c o i n c i d ew i t ht h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p r e s s o r t h i ss t u d yl a i dt h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dp r er e q u i s i t ef o rf u r t h e ru s i n ga c t i v ef l o wc o n t r o l t e c h n o l o g i e s ，s u c ha sd i f f u s e rh u bo rs h r o u dj e ta c t i v ec o n t r o lt h ec e n t r i f u g a l c o m p r e s s o rs u r g e k e y w o r d ：c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ；r o t a t es t a l l ；s u r g e ；u n s t e a d y ；n u m e r i c a l c o m p u t e 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 目录 第l 章绪论l 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 压气机旋转失速机理一3 1 2 2 压气机喘振机理一3 1 2 3 旋转失速的理论研究4 1 2 4 压缩机旋转失速实验研究的现状6 1 2 5 旋转失速的c f d 研究。1 0 1 2 6 旋转失速主动控制l1 1 3 研究方法1 3 1 4 本文主要研究工作1 4 第2 章数学模型“15 2 1 前言1 5 2 2 数学模型”1 5 2 2 1n s 方程1 5 2 2 2 控制方程1 6 2 2 3 计算方法17 2 3 湍流模型1 8 2 4 边界条件处理2 3 2 5 前处理与后处理2 4 2 6 本章小结2 5 第3 章压气机模型的建立过程2 6 3 1 离心压气机几何模型2 6 3 1 1 压气机模型2 6 3 1 2 压气机几何数据的处理2 7 哈尔滨tf ￥人学硕十学位论文 i i 3 1 3 扩压器几何数据的处理3 l 3 2 建立计算模型3 2 3 2 1 压气机模型的建立3 2 3 2 2 扩压器模型的建立3 4 3 3 生成网格3 5 3 4 边界条件及后处理3 7 3 5 本章小结3 8 第4 章离心压气机定常计算及结果分析3 9 4 1 计算模型3 9 4 1 1 建立计算模型3 9 4 1 2 计算域进出口处理4 l 4 1 3 计算方案4 2 4 2 边界条件及参数设置4 2 4 2 1 边界条件4 2 4 2 2 参数设置4 3 4 2 3 收敛条件4 3 4 3 计算结果4 3 4 3 1 计算结果与实验值的比较4 3 4 3 3 三种网格密度流场对比分析4 9 4 4 本章小结”5 6 第5 章离心压气机全周瞬态计算5 7 5 1 前言“5 7 5 2 压气机全周瞬态计算边界条件5 7 5 2 1 定常计算边界条件- - 5 7 5 2 2 非定常计算边界条件5 8 5 3 瞬态计算结果5 8 5 3 1 旋转失速速度流场5 8 哈尔滨i ：稗人硕十学何论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i il i ii i i i i i i i i 5 3 2 旋转失速压力分布6 6 5 3 3 计算旋转失速频率6 9 5 4 压气机喘振7 0 5 4 1 压气机喘振速度场变化7 1 5 4 2 压气机喘振压力变化7 3 5 5 本章小结7 5 结论7 6 参考文献。7 8 致 射8 7 哈尔滨：稃人学硕十何论文 第1 章绪论 1 i 研究背景及意义 压气机作为一种通用的增压器械，广泛应用各种领域。各种军用品和民 用品都利用涡轮增压器达到增压的目的，如航空发动机，利用大型柴油机的 军船、商船和民船，工程机械等。这是因为涡轮增压器能增加发动机进口气 体的压力，迸气密度和含氧量，这就能在发动机中喷入更多的燃料。涡轮增 压器不像机械式增压会消耗发动机产生的机械功率，它通过一根轴与压气机 相连，利用发动机的排气能量做功。其优点在于，对于相同尺寸的发动机， 涡轮增压器能够增j j n 5 0 的输出功率。由此可见，增加进口气体的压力可以大 幅提高发动机的功率，而且涡轮增压器使得发动机的每个循环的燃油都能充 分燃烧，内部摩擦损失也减小了。 压气机分为轴流式和离心式，离心压气机与轴流压气机相比具有很多优 点，如结构简单、造价低、维护方便、单级增压比高( 国外实验性的机组单 级增压比能达n i o 以上) ，近年来在小型航空发动机、船用及地面用燃气轮 机、化工、制冷等方面得到越来越广泛的应用。但是压气机是逆压工作的元 件，且离心式压气机内部流动的气体动力学问题比轴流式叶轮机械更为复杂， 至今有许多问题还有待解决。例如离心压气机的堵塞与喘振现象是如何发生 的，哪些结构参数对堵塞、喘振起主要的影响，叶轮与叶片扩压器的相互配 合如何影响压气机的旋转失速和总体性能等。 压气机旋转失速或喘振，限制压气机的稳定工作范围，影响运行的可靠 性，是实现各级匹配的主要障碍，并经常在过渡态或非设计工况中导致灾难 性的事故，一旦旋转失速出现，叶片所承受的长时间振动应力将导致压缩机 转子叶片寿命的降低。而发生喘振时，叶片和机匣都经受很大的瞬时力的作 用，会导致更大的破坏。因此，为了保证叶轮机械的安全稳定运行，旋转失 速和喘振这两种流动失稳现象都是应该尽力避免的。通常都是让压气机在远 离失速( 喘振) 点的状态下工作，也就是不得不在设计阶段就考虑一定的失速 哈尔滨t 种人学硕十学何论文 ( 喘振) 裕度。这使得压缩系统不能在高压比和高效率的工况下工作，因此他 们的存在是阻碍压气机提高效率和运行稳定的重要根源。 目前，国内外研究学者对压气机已经做了广泛深入的研究，且越来越多 的进行压气机的非稳态特性研究，对压气机的非稳态特性研究又迫于实验的 不安全性而不能进行较多的研究。随着计算机技术的快速发展，数值仿真模 拟研究能够很好的仿真压气机的非稳态特性。另外，由于轴流式压气机和离 心式压气机在结构上的不同，导致人们在研究轴流式和离心式压气机时，各 有所侧重。在轴流式压气机非稳念流动研究上，一般比较侧重失速的研究， 而对离心式压气机则比较侧重喘振的研究。这是由于人们普遍认为，轴流式 压气机一旦发生失速则很难再恢复，轴流式压气机由于压比不高而往往多级 串联，当某一级发生旋转失速时，往往会引起其他级的流动状况恶化，导致 整个压缩系统进入严重的非稳定工作状态；而离心式压气机一般是单级的， 失速对整个系统影响不大，同时由于内部结构的不同，决定了离心压气机的 做功形式不同于轴流式压气机。最近人们越来越多的注重离心压气机的旋转 失速机理研究，如m i t 、e t l 实验室等。 控制压气机喘振的前提是控制旋转失速，而旋转失速是周向不对称的， 即发生旋转失速时，失速团仅在部分流道出现。如何确定失速团发生时的位 置和产生的机理，就成为主动控制压气机喘振的关键技术。而利用实验技术 研究，耗费成本过高，技术难度大，但是随着c f d 技术和电子计算机技术的 发展，使得利用三维仿真技术研究压气机的旋转失速成为一种可行的手段。 因此，c f d 仿真压缩机旋转失速的研究，对于指导实际主动控制有重要的意 义。 1 2 国内外研究现状 压缩机的旋转失速和喘振是一个长期困扰叶轮机械研究、设计与应用的 重要问题之一。从压缩机的节流特性线可以看出，流量减小时，压缩机的正 常响应是压比升高，系统的压缩能力增加；而当流量减少到某个临界点后， 压比接近或达到压缩机的最大增压能力，如果进一步减小流量，则压缩机的 2 哈尔滨t 秤人学硕十学何论文 流动状态会发生突然的改变，即流动失稳，进入旋转失速或喘振。 喘振和旋转失速是有区别和联系的，区别是：l 、气流脉动方向不同。喘 振时，气流沿压缩机轴向脉动；旋转失速时，气流脉动沿压缩机周向传播。2 、 流量和转速随时间变化关系不同。喘振时，流过压缩机每个横断面的气体流 量随时间变化，功率和转速是脉动的；旋转失速时，流过压缩机各横断面上 气体流量不变化，压缩机转速稳定。3 、决定脉动频率和振幅的因素不同。喘 振时，气体微团脉动频率和振幅主要取决于流路容积特性；旋转失速时，取 决于压缩机转速，叶栅几何参数和气动参数。4 、脉动频率不同。喘振时，脉 动频率较低，振幅较大；旋转失速时，脉动频率较高，振幅较低。联系是： 旋转失速是喘振现象的前奏与内因，但喘振现象是旋转失速在流量进一步减 少后的结果b j 。 1 2 1 压气机旋转失速机理 旋转失速是压缩机中气流的一种非轴对称脉动，在旋转失速发展的早期 即失速先兆阶段，周向非均匀流动开始出现并沿压缩机周向传播；当完全失 速时，失速团充分发展并连续地沿周向旋转。完全失速后虽然流场轴向非对 称，但是从周向平均的特性来看，流量和压比随时间基本不变，在特性线上 是一个稳定的点。c u m p s t y 3 】是这样描述旋转失速机制的：通过让整圈的一部 分叶片通道的流量减小，其余叶片通道则保持较大流量的方式，使压缩机适 应过小的流量，而不是试图把流量的减小平均分配到所有的叶片通道。 e m m o n s 4 】对失速传播机理的解释则是：失速发生后，转子的某个或某几个叶 片通道发生堵塞( 失速先兆或失速团) ，导致顺转子运动方向的相邻叶片的进 口攻角减小，通道通流能力提高，退出堵塞状态；而逆转子运动方向的相邻 叶片的进口攻角增大，通道通流能力下降，直至其流场也发生堵塞。 1 2 2 压气机喘振机理 和压气机旋转失速不同，压缩系统的喘振表现为流量与压力的大幅度波 动，不可能达到一个新的平衡点。喘振产生的原因是：由于压气机在某一小 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 流量下工作时，在导风轮入口或叶片扩压器入口气流撞击叶片，在叶片通道 内产生并加剧了气流的分离而引起的。 喘振的过程一般是：气流出现震动波、倒流、降压和重新建立正常气流， 整个过程比较短。喘振始于压气机叶栅中严重的气流分离，分离造成通道堵 塞，同时形成震动波。这个很强的震动波逆气流方向移动，很快达到压气机 入口。起初倒流仅在一部分环面中出现，很快( 约1 0 m s ) 充满整个环面，形 成大体上轴对称的气体倒流。在喘振周期的某个时刻，压缩机某些级的流通 能力恶化，严重时甚至会出现倒流。流动堵塞的压缩机级使得前面级的出口 背压大大提高，造成前面级的流动崩溃、出现堵塞，这又使得后面堵塞的压 缩机级负荷降低，流通能力得到恢复。这个过程不断重复，单个压缩机级的 工作点不再是稳定的，不同时刻的工作点在特性线上构成一个喘振极限环。 这时，整台压缩机不能稳定工作，伴随着低频的怒吼声响，还会使机组产生 强烈振动【5 】。 1 2 3 旋转失速的理论研究 由于压气机存在旋转失速( 喘振) 和阻塞现象，这使得小流量压气机的 稳定运行工况线显得非常窄小，更糟糕的情况是喘振会严重损害压气机和其 周围的其他设施。为了避免这种情况的发生，对于每一系列的压气机，对其 喘振区域内的喘振现象和其自身结构的关系，都需要做深入的研究。在一些 公开的研究文献中，很多学者已经对轴流和离心式压气机的旋转失速和喘振 现象做了很多研究。 早在1 9 5 5 年，e t n m o n s 【4 】等人就开展了失速机理的研究，提出了失速形成 的可能原因及失速沿叶栅传播的机理，提出失速团以与转速相反的方向绕着 周向方向旋转。d a y t 6 m 将这种小失速团称为“小尺度扰动”。失稳的一般机 理由m o o r e g r e i t z e r 理论阐述，即失稳为连同压缩机、进排气管道、压力容 器容积和节流阀在内的压缩系统的动态失稳。1 9 7 6 年，g r e i t z e r t 8 】【1 1 】在b u l l o c k 和w i l c o x 的基于压缩机特性和节流阀特性的系统稳定性基础上，创造性地开 辟了这一领域的研究工作，建立了一组描述压缩系统进入旋转失速或喘振的 4 哈尔滨t 柞人学硕十学何论文 动态偏微分方程组，提出了临界b 参数是判断系统是否产生失稳现象标志的 观点。后来，g r e i t z e r 等人，把这一理论扩展到高速压缩系统领域，并证明其 对离心压气机同等适用。 m o o r e 坦l 采用小扰动理论，有限扰动理论和极限环理论分别对不同边界 条件下的旋转失速特性进行了细致的理论研究，在此基础上与g r e i t z e r 1 3 】合作， 提出了分析压缩机失稳现象的统一模型，简称m g 模型，他们指出失速是由 典型扰动诱发的。所谓典型扰动是指在失速前气流沿周向出现低阶j 下弦波动。 这些波动以稳定速度绕周向旋转。因此，这种典型扰动又称为“旋转波”。旋 转波在平稳地发展成失速团的过程中，振幅和频率都不会突变，当旋转波发展 到失速状态时，振幅迅速增大，使失速看起来好像是突然发生的。这一模型在 系统稳定性分析、失速与喘振的数值模拟和压缩机动态特性模型构造等方面 已得到较好应用。 m c c a u g h a n 1 4 】依据m g 模型，运用分叉理论分析了压缩系统非稳定性的 特性，定性地提出了经典喘振与深度喘振的区别。经典喘振即为没有回流的小 振动，振动频率接近赫姆霍兹共振频率。深度喘振即为包含完全混乱甚至倒流 的振动，振动频率低于共振频率。并提出了压缩机的动态响应规律与旋转失速 的特性有关。2 0 0 5 年，瑞士联邦理工学院的m a t t h i a ss c h l e e r 和r e z as a b h a r i 【l 5 j 在对小流量下高速离心压缩机的研究中发现纯粹的旋转失速只能够在较低的 转速下捕捉到，在较高的转速下压缩机在小流量运行时呈现经典喘振的流动 状态，其特征频率介于旋转失速和喘振之间，而在高转速下，压缩机将直接 进入喘振。对于低转速的压缩机，在小流量下只能捕捉到旋转失速而没有喘 振发生。与以上研究者不同，e l d e r 和g i l l 1 6 】把离心压缩机喘振的特征与具体 压缩机部件对非稳定产生的效应联系起来，大致把影响喘振特性的因素归纳 为：特性线的压力梯度、进口导叶的冲角、扩压器通道形式和集流器类型等。 华中理工大学的魏兵海和吴克启【1 7 】对轴流式压缩机的失速二重特性进 行研究。失速的二重特性如下图1 1 所示，图中显示了一条典型的压升较大 的压力一流量特性曲线。压缩机从设计工况点d 减小流量到失速点附近，随 哈尔滨t 种人学硕十学位论文 只 出 实际工况范围 图1 1 旋转失速二二重特性示意图【1 7 j 着局部失速涡的出现和失速域的扩大，压力一流量特性曲线的曲率随之变平 缓，工况达到b 点后突跃到b 点，再减小流量到全闭点a 。然后再从全闭点 增加流量到b 点，工况并不是突跃到b 点，而是前行至c 。点，再突跃到c 点，此即所谓的失速机理的二重特性。其原因是b 点右边的大流量侧出现失 速涡使叶片顶部附近产生的部分半径失速，特性曲线ab - c 。段上出现的失速 涡是产生于叶片全高的全半径失速。 西安交通大学王志标等【1 8 】，分析比较了压缩机旋转失速现象和喘振现象 的区别与联系，重点分析了失速和喘振的产生机理，并从各相关学者的研究 成果中发现主动控制与被动控制在防止压气机喘振时的不同。被动控制是阻 止运行点到达喘振边界，而主动控制是左移压缩机的喘振边界，被动控制结 构简单，易实现，而主动控制在结构上比较复杂，但是能拓宽压气机的工作 范围。 1 2 4 压缩机旋转失速实验研究的现状 在科学技术不发达的时代，测试技术也并不是很成熟，但是这些依然阻 挡不了研究学者对压气机内部流场的实验研究。1 9 6 0 年k r i e b e l 和c h n u i n d 【1 9 1 6 哈尔滨i ：程大学硕- t - ：位论文 对平面叶栅的旋转失速现象进行了详细的实验研究，证实了失速分离区移动 的机理，并测得了失速分离区的形状。1 9 7 0 年e l e n n 锄锄【2 0 1 采用氢气泡流 动显示法研究了小流量工况下叶轮流道内失速团形成的原因。1 9 7 7 年d a y 【2 i 】 及其合作者对一系列不同的压缩机的小流量下旋转失速现象进行了实验研 究，并总结了一些稳定性规则。研究发现，随着压缩机级数目或者压缩机设 计轴向速度的增加，压缩机趋向于发生全叶高失速。1 9 7 8 年r o d g e r s i 2 2 】对带 无叶扩压器的离心压缩机的失速现象进行了实验研究，研究发现改善扩压因 子能够提高失速裕度。 1 9 7 9 年s e l l o o 【2 3 】和其合作者们对一不带扩压器的超音速离心叶轮进行了 详细的实验研究，重点测量了进气管道失速和喘振工况下的流场。实验发现 当进口相对速度是超音速时，一个明显的激波能够在叶轮流道中检测到，尽 管这样的工况仅存在于由喘振线和阻塞线所决定的较窄的运行范围内，但是 压缩机依然能够以较高效率的运行。1 9 8 2 年h i d e a k ik o s u g e 2 4 】对不带扩压器 的两个不同翼型的离心叶轮小流量下的失速和喘振现象进行了实验研究，重 点研究了不同结构对失速性能的影响，还研究了失速发生发展的过程及失速 后流场及其响应特性。1 9 8 6 年k a m m e r 和r a u t e n b e r g 2 5 】对一带无叶扩压器的 离心压缩机不同转速下失速工况的流场进行了详细的测量。他们研究发现， 离心压缩机中存在三种不同类型的失速流动现象。一类是在叶轮进口由于流 体回流引起的失速，呈现非周期性的特征；第二类是在扩压器中产生的失速， 呈现周期性的特征，旋转失速的频率较低；第三类是由叶轮流道中产生的失 速，呈现周期性的变化并具有较高的失速频率，意味着从叶轮到流体的能量 传递呈现周期性的中断、崩溃。 要想得到比较详细的压气机内部气体流场的分布情况，就需要速度更快、 精度更高的测试技术。随着现代科学技术的发展，实验测试技术的方法越来 越多，测试技术的精度也越来越高，能够满足压气机内部气体流场分布的测 试要求。对于流体现象的深入认识就需要对其内部流动状况开展更为细致和 精确的实验研究，同时实验数据可以用来判断数值模拟的准确性。在叶轮机 7 哈尔滨丁程人学硕十学何论文 械通流部分的实验研究中，由于叶轮机械内部流场相当复杂，呈现不稳定性 和三维流动特性，为了成功测量流场，通常要求测量仪器具有高的频率响应， 体积微型化和高速数据采集与处理系统。因此各种测量手段应运而生，其中 应用较多，而且精度比较高的方法有：气动探针、热线风速仪、激光多普勒 测速仪( l d v ) 和粒子成像速度仪( p i v ) 等。其中p 技术是比较先进，测量精 度较高的一种气体流场非接触式的测试方法。 1 9 8 6 年w e r n e t 和s k o c h 2 6 】将激光粒子图像测速仪技术和动态压力传感器 结合起来，详细测量了高速离心压缩机喘振时的流场，揭示了喘振发生时，不 稳定流动的发展过程。通过对叶轮内部流动的大量研究表明，叶轮内的主流速 度直接或者间接地受到流道形状、哥式力、粘性力和二次流的影响，在叶轮流 道的后半部分，壁面上的边界层增厚速度很快，尤其是吸力面侧易产生边界层 分离，是导致叶轮出口处尾流以致失速形成的主要原因。1 9 9 5 年中科院工程 热物理研究所的戴冀【27 】在某小型低压离心压缩机喘振实验台上，对不同转 速、不同储气槽容积系统的喘振点进行了测量，并与以传统的小扰动理论为 基础的集中参数模型所得计算结果进行了比较。1 9 9 7 年南京航空航天大学的 葛宁【2 8 j 对轴流风扇旋转失速时的流场进行了测量和分析，研究表明失速团主 要活动区域在转子前缘，而转子叶片通道中的流场主要表现为叶尖间隙流的 横向堵塞流动。2 0 0 1 年汕头大学能源研究所的曹人靖【2 9 】通过对轴流压缩机旋 转失速的声学特性的描述，从非定常角度出发对旋转失速发作的原因及其声 学特性进行了分析。同时，对轴流压缩机非定常现象具有的时间尺度进行了 对比研究，建立了考虑旋转失速声学特性的开环系统控制的物理模型。 实际上，由于叶轮出口流场的不均匀性决定了无叶扩压器内的流动也是 复杂的三维流动。19 6 4 年，j a n s e l l 【3 0 】对一径向无叶扩压器内的不稳定流动进 行了详细的实验研究和理论分析，特别是大尺度的自激振荡的出现，实验测 量得到的失速团的转速和速度分布与理论预测的结果吻合得非常好。j a n s e n 认为无叶扩压器内的不稳定流动是壁面三维边界层与主流相互作用的结果。 1 9 7 5 年，s e n o o 和i s h i d a s 1 对无叶扩压器内严重不对称的流动现象进行了详细 哈尔滨i ：群人学硕十学何论文 的实验研究，实验结果显示扩压器内的一些流动现象不能够用掺混过程的概 念来解释。由于周向压力的变化，这些流动现象可以定量的认为在相对流线 之间等熵的能量交换。 在1 9 7 7 年，s e n o o 和k i n o s h i t a 【3 2 】对进口流动和无叶扩压器的几何尺寸对 逆流发生时的临界流动角的影响进行了详细的研究，包括进口流动角、无叶扩 压器的进出口半径比、进口马赫数、扩压器出口参数。1 9 8 5 年，他们对低转 速的离心鼓风机内失速现象进行了研究。他们认为鼓风机的失速主要是由无 叶扩压器引起的，到流量系数非常小时，才出现失速。 1 9 8 8 年m v o t u g e n 和b c h w a n g t 3 3 1 使用热线风速仪和l d v 测量了无 叶扩压器内的速度场，同时还测量了壁面的压力波动，详细研究了无叶扩压器 内的不稳定流动和旋转失速。并且在实验中改变扩压器的宽度，研究发现随着 扩压器宽度的减小，失速的开始将会被延迟，但是失速团相对于叶轮的旋转 速度与扩压器宽度无关，只是随着失速团的数目增加而少许下降。并且他们 在实验中发现，引起失速的流动分离区起源于扩压器后盖板而不是前盖板。 1 9 9 5 年l a w l e s s 和f l e e t e r 3 4 】采用敏感的麦克风阵列布置在压缩机进口和 无叶扩压器部分，并对采集的信号进行了傅立叶分析，研究低速离心压缩机内 的失速流动。1 9 9 8 年s h i n ，k i n 和s o n ”】实验研究了无叶扩压器内逆流区的 发展变化。研究发现，无叶扩压器内逆流区的发展有两种不同的机理，一是扩 压器出口流体回流并延伸，另一是无叶扩压器前后壁面当地流动分离区的发 展。并且发现当失速发生时，径向速度在一个周期内先缓慢增加到最大值然 后迅速地降到最小值，中间有个峰值，但是在更小的流量下，中间峰值没有 出现。 2 0 0 5 年m a t t h i a ss c h l e e r 和r e z as a b h a r i 3 6 】实验研究了几何缩放对压缩 机稳定性和运行范围的影响。研究者使用三维激光多普勒测速仪获得了扩压 器内的时均流场，结果显示扩压器内的流场结构受到叶顶泄露流动的影响， 形成了强烈的“射流尾流”的流动特征，导致了扩压器内的非均匀流动和剪 切的速度三角形。 9 哈尔滨一1 1 ：旱人7 ：硕十学1 = 寺：论文 m a r k p w e m e t 3 7 】于1 9 9 9 年，用数字式粒子成像测速法( d p i v ) 准确测得 r o l l sr o y c e - a l l i s o n 设计的d d a4 0 4 i i i 型离心压气机流场的分布情况，并观 察到压气机在旋转失速初期的气体分离现象。该文章中实验的压气机模型与 本文研究的压气机为同一离心式压气机，文章中主要介绍了粒子成像的原理 和c c d 相机的作用机理以及使用方法，验证了d p 能够准确的反应压气机内 部流场的分布特性。在2 0 0 1 年，m a r k p w e n l e t 跚在相同的机型上，用d p i v 测试了压气机旋转失速初期叶片内部气体流动的变化。压力监测点选择在压 气机叶轮出口、扩压器进口和扩压器叶片喉口处，通过实验得到压气机旋转 失速时各个监测点压力的波动值和流场分布特性，为进一步进行主动控制提 供了理论依据。然而，由于d p i v 捕获范围等原因，对于主动控制压气机喘振 时喷射孔的位置和数量并没有明确。在这种情况下，用实验方法确定喷孔位 黄和数量显得力不从心。 1 9 9 0 年西北工业大学的楚武利和姜桐 4 0 l 实验研究了离心压缩机无叶扩 压器内的旋转失速流动。研究发现无叶扩压器中旋转失速的特征是渐变型， 失速随流量的减小逐步建立起来，失速团绕叶轮转动方向运动，旋转速度较低， 失速频率随流量的减小逐步增加。1 9 9 6 年西安交通大学的宫武旗、黄淑娟等 利用热线风速仪，采用直丝与斜丝联合多位旋转采样技术，测