【摘要】： 失速和喘振是離心壓縮機(jī)中常見的非定常流動(dòng)現(xiàn)象,它限制機(jī)器的穩(wěn)定工作范圍,影響運(yùn)行的可靠性,在機(jī)組的設(shè)計(jì)和調(diào)試中是實(shí)現(xiàn)各級匹配的重要障礙,并在過渡態(tài)和非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行中導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。研究和掌握其非定常流動(dòng)特性,對提高離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)效率、擴(kuò)大其穩(wěn)定運(yùn)行工作范圍、提高運(yùn)行的安全和可靠性意義重大。 實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬是研究葉輪機(jī)械內(nèi)部流場的兩種基本方法,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各類先進(jìn)的測量技術(shù)的不斷出現(xiàn),如熱線風(fēng)速儀和粒子圖像測速儀,為實(shí)驗(yàn)研究提供了新的測量工具;同時(shí)計(jì)算機(jī)性能的飛速提高和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的日趨完善,基于求解三維粘性Navier-Stokes方程的數(shù)值模擬方法為葉輪機(jī)械內(nèi)部流場的研究提供了強(qiáng)大的手段。本文正是通過實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來研究小流量下離心壓縮機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)現(xiàn)象。 本文主要研究內(nèi)容和研究成果如下: 1.根據(jù)國家通風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn),搭建了性能測試試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)加工實(shí)驗(yàn)部件,對實(shí)驗(yàn)用低速離心壓縮機(jī)進(jìn)行性能測試,得到了空氣動(dòng)力學(xué)性能曲線,確定離心壓縮機(jī)失速測量的工況點(diǎn)。 2.使用高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器成功測量了實(shí)驗(yàn)用低速離心壓縮機(jī)在小流量下詳細(xì)的內(nèi)部流動(dòng)參數(shù),對其旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象進(jìn)行了分析。研究結(jié)果認(rèn)為當(dāng)失速發(fā)生時(shí),存在一個(gè)周向擾動(dòng)的失速團(tuán),相對葉輪旋轉(zhuǎn)角速度為0.52。 3.使用PIV系統(tǒng)成功測量了實(shí)驗(yàn)用低速離心壓縮機(jī)在小流量下詳細(xì)的內(nèi)部流場。在近后蓋板側(cè)4個(gè)不同時(shí)刻下的相對速度矢量圖和徑向速度等值線圖完整地描述了葉片旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)展變化過程。鎖相平均后的試驗(yàn)結(jié)果表明,在葉片吸力面?zhèn)?所有的小流量下均出現(xiàn)了流動(dòng)分離,形成了完整的分離渦。在國內(nèi)外首次采用PIV系統(tǒng)測量得到在無葉擴(kuò)壓器子午面上的整場流動(dòng),測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)位于擴(kuò)壓器進(jìn)口后蓋板附近和擴(kuò)壓器出口前蓋板附近各出現(xiàn)了一個(gè)流動(dòng)分離區(qū),擴(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)呈現(xiàn)顯著類“S”型。 4.基于分布式網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算硬件平臺(tái),使用商業(yè)CFD計(jì)算軟件CFX結(jié)合出口氣腔模型,通過求解三維雷諾平均的Navier-Stokes方程組,對實(shí)驗(yàn)低速離心壓縮機(jī)小流量下的失速流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬。盡管實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到的靜壓波動(dòng)的幅值存在一定的差異,但是經(jīng)離散傅立葉變換得到的失速頻率非常吻合。分離渦的結(jié)構(gòu)定性的與實(shí)驗(yàn)測量瞬時(shí)流場非常接近,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性。 5.基于以上數(shù)值計(jì)算方法,對美國Honeywell公司渦輪增壓器用高速離心壓縮機(jī)小流量下的失速現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬中采用全流道(不加蝸殼)和全場(加蝸殼)兩種計(jì)算網(wǎng)格。對計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),離心壓縮機(jī)的蝸殼對壓縮機(jī)失速流動(dòng)的影響是非常顯著的,蝸殼在壓縮機(jī)失速中扮演了諧振管的作用,衰減了無葉擴(kuò)壓器產(chǎn)生的流動(dòng)不穩(wěn)定并在蝸殼中形成了駐波的結(jié)構(gòu)。在高速離心壓縮機(jī)測量的失速區(qū)域,全場數(shù)值計(jì)算得到的失速頻率遠(yuǎn)低于全流道數(shù)值計(jì)算得到的失速頻率。使用全場數(shù)值計(jì)算得到了明顯的壓力和質(zhì)量流量的振蕩,該振蕩具有大約4倍于蝸殼周向特征長度的波長,且振蕩的幅值隨壓縮機(jī)質(zhì)量流量的減小而增加。 6.在全流道和全場數(shù)值計(jì)算中都發(fā)現(xiàn),葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)分離明顯地影響了無葉空間及無葉擴(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)。全流道數(shù)值計(jì)算顯示在失速周期中隨著質(zhì)量流量的減小,無葉擴(kuò)壓器內(nèi)出現(xiàn)了明顯的低速區(qū),只在靠近無葉擴(kuò)壓器前蓋板進(jìn)口處出現(xiàn)了徑向逆流區(qū)。但是全場數(shù)值計(jì)算顯示在失速周期中隨著質(zhì)量流量的減小,不僅在擴(kuò)壓器前蓋板進(jìn)口附近流場出現(xiàn)徑向逆流區(qū),而且在擴(kuò)壓器后蓋板出口附近流場也出現(xiàn)了徑向逆流區(qū)。擴(kuò)壓器前蓋板進(jìn)口處的徑向逆流區(qū)可歸因于壓縮機(jī)葉輪流道內(nèi)部二次流的影響,而擴(kuò)壓器后蓋板出口處的徑向逆流區(qū)可歸因于蝸殼內(nèi)的影響。 7.在失速周期中,在所有的時(shí)刻下蝸殼流道的截面上,流動(dòng)均形成了一個(gè)的旋渦,旋渦中心流動(dòng)損失較大,總壓較小。在蝸殼出口直管段由于渦流速度明顯減小和旋渦自身的不穩(wěn)定,在小流量下容易發(fā)生破裂,導(dǎo)致蝸殼出口的截面中心區(qū)域通流速度均出現(xiàn)逆流,此逆流為壓縮機(jī)失速特征的表現(xiàn)。在失速條件下截面中心的渦心成對地破裂成反向旋轉(zhuǎn)的更小的旋渦。蝸殼出口部分的失速可能是維持蝸殼內(nèi)部駐波結(jié)構(gòu)的能量源。 8.當(dāng)質(zhì)量流量在0.7kg/s的頻譜分析和質(zhì)量流量為1.1kg/s時(shí)的比較,除了失速頻率外,還出現(xiàn)了葉輪旋轉(zhuǎn)頻率(736.4Hz)和蝸殼失速頻率和葉輪旋轉(zhuǎn)頻率的疊加頻率(826.2Hz)。似乎此時(shí)在決定級失速時(shí)葉輪開始扮演了重要的角色,級被迫使對該頻率做出響應(yīng)。兩個(gè)較低頻率加和頻率的出現(xiàn)也是非線性系統(tǒng)的典型行為。這兩個(gè)特征意味著遠(yuǎn)離其穩(wěn)定運(yùn)行工況點(diǎn)時(shí)必須采用非線性分析。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TH452
【圖文】：

配的主要障礙，并經(jīng)常在過渡態(tài)或非設(shè)計(jì)工況中導(dǎo)致災(zāi)難性的事，葉片所承受的長時(shí)間振動(dòng)應(yīng)力將導(dǎo)致壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片壽命的降片和機(jī)匣都經(jīng)受很大的瞬時(shí)力的作用，會(huì)導(dǎo)致更大的破壞[5]。因的安全穩(wěn)定運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)失速和喘振這兩種流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象都是應(yīng)是讓壓縮系統(tǒng)在遠(yuǎn)離失速(喘振)點(diǎn)的狀態(tài)下工作，也就是不得不的失速(喘振)裕度，如圖 1.1 所示。這使得壓縮系統(tǒng)不能在高壓作，因此他們的存在是阻礙葉輪機(jī)械提高效率和運(yùn)行穩(wěn)定的重

道則保持較大流量的方式，使壓縮機(jī)適應(yīng)過小的流量，而不是試圖把配到所有的葉片通道。Emmons[8]對失速傳播機(jī)理的解釋則是：失速個(gè)或某幾個(gè)葉片通道發(fā)生堵塞(失速先兆或失速團(tuán))，導(dǎo)致順轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)進(jìn)口攻角減小，通道通流能力提高，退出堵塞狀態(tài)；而逆轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方口攻角增大，通道通流能力下降，直至其流場也發(fā)生堵塞。依靠這種失速團(tuán)在葉片通道間以接力的方式，在周向沿著與轉(zhuǎn)子葉片運(yùn)動(dòng)方向圖 1.2 簡單示意了這一傳播機(jī)理。

機(jī)中的軸流壓縮機(jī)一旦工作失穩(wěn), 要求能立即從失速條件下恢復(fù)過來系統(tǒng)中較弱的旋轉(zhuǎn)失速有時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生很大的影響,而且節(jié)流閥門移以方便地從旋轉(zhuǎn)失速中恢復(fù)過來。如果壓縮機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài),由于氣流使機(jī)器處于極度危險(xiǎn)中,因此喘振不論對航空發(fā)動(dòng)機(jī)還是民用工業(yè),不是離心壓縮機(jī)都是嚴(yán)格禁止的。 1955 年，Emmons[8]等人就開展了失速機(jī)理的研究,提出了失速形成沿葉柵傳播的機(jī)理，提出失速團(tuán)以與轉(zhuǎn)速相反的方向繞著周向方將這種小失速團(tuán)稱為“小尺度擾動(dòng)”。失穩(wěn)的一般機(jī)理由 Moore-Greitz穩(wěn)為連同壓縮機(jī)、進(jìn)排氣管道、壓力容器容積和節(jié)流閥在內(nèi)的壓縮系976 年，Greitzer[36-39]在 Bullock 和 Wilcox 的基于壓縮機(jī)特性和節(jié)流閥基礎(chǔ)上,創(chuàng)造性地開辟了這一領(lǐng)域的研究工作,建立了一組描述壓縮振的動(dòng)態(tài)偏微分方程組,提出了臨界 B 參數(shù)是判斷系統(tǒng)是否產(chǎn)生失。Greitzer 將一個(gè)真實(shí)的軸流或離心壓縮系統(tǒng)簡化為 Helmholtz 諧振。圖中，壓縮機(jī)看作一個(gè)激盤，流體慣性用管道長度 Lc通流面積 Ac來積用 Vp表示。

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