正確認識壓氣機抽吸建設(shè)新管理方式，有關(guān)現(xiàn)在壓氣能源管理新方式有哪些呢?本文是一篇能源工程論文。葉表抽吸方案控制了葉片吸力面的附面層發(fā)展,對壓氣機的壓比和效率有較大的正效果。但使葉頂前緣脫體激波和間隙泄漏流強度的增加,并導(dǎo)致兩者相互作用引起的低能堵塞團在葉頂通道內(nèi)迅速增長而堵塞葉頂通道,無法吸除導(dǎo)致流動不穩(wěn)定的堵塞流體,不能實現(xiàn)壓氣機穩(wěn)定工作裕度增加。

　　摘要：近年來研究人員在對跨音速壓氣機內(nèi)部流動失穩(wěn)機制的研究中發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致壓氣機流動失穩(wěn)的葉頂復(fù)雜的流動機制主要包括:葉頂分離,葉頂間隙流導(dǎo)致的阻塞和激波導(dǎo)致的阻塞,根據(jù)壓氣機的轉(zhuǎn)速和氣動力學(xué)特性,這幾種失穩(wěn)機制可能同時或孤立的存在。

　　關(guān)鍵詞：壓氣機,工程建設(shè),能源工程類論文

　　1.針對壓氣機是流動失穩(wěn)機理,目前一般采用機匣處理、葉頂噴氣等方法來擴大壓氣機穩(wěn)定工作范圍。附面層抽吸技術(shù)作為一種主動控制方法,可有效提高壓氣機的性能[4,5],其中文獻[5]還以Rotor35為研究對象,深入分析了不同位置抽吸對其性能的影響機制,研究結(jié)果指出:兩種抽吸形式均使壓氣機的壓比和效率有所提高,并針對該轉(zhuǎn)子流動給出了其最佳抽吸量和抽吸位置。然而壓氣機穩(wěn)定工作裕度作為其可靠工作的關(guān)鍵參數(shù)之一,也必須給予關(guān)注。附面層抽吸技術(shù)在壓氣機負荷、效率提高的同時,是否對其穩(wěn)定工作裕度有所影響?影響趨勢和內(nèi)部流動機理是什么?這些問題都是研究人員需要回答的問題。王如根[6]等以某壓氣機轉(zhuǎn)子為研究對象,通過在該壓氣機轉(zhuǎn)子葉片吸力面上不同的葉高和軸向弦長處進行抽吸,初步探討了附面層抽吸抑制流動失穩(wěn)問題,但對于抽吸控制流動失穩(wěn)的機理以及抽吸位置的優(yōu)化等問題未能給出詳細的答案。

　　能源論文：《新能源進展》，《新能源進展》推動新能源領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展，致力于傳播為讀者創(chuàng)造價值的新能源與可再生能源領(lǐng)域的學(xué)術(shù)性專業(yè)知識，力爭成為國內(nèi)該領(lǐng)域最具影響力的綜合性專業(yè)科技期刊。目前已入編“中國核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫”、“中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫來源期刊”，本刊歡迎該領(lǐng)域和對該領(lǐng)域感興趣的專家、學(xué)者投稿，刊登綜述性論文、研究論文、研究快訊、評論等，接受立意新穎、有創(chuàng)新性的稿件。

　　2本文采用數(shù)值模擬方法研究不同附面層抽吸形式對跨音速壓氣機轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定裕度的影響,對附面層抽吸控制跨音速壓氣機穩(wěn)定工作范圍的機理作初步探討。1研究對象和數(shù)值方法本文的研究對象為NASARotor35轉(zhuǎn)子,葉片數(shù)36,設(shè)計轉(zhuǎn)速17188rpm,其它數(shù)據(jù)詳見文獻[7]。數(shù)值計算采用商業(yè)軟件NUMECA結(jié)合S-A模型,求解定常N-S方程組以獲取該轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動參數(shù)及其特性。主流區(qū)網(wǎng)格由AUTOGRID模塊自動生成HOH型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,葉片吸力面和上端壁抽吸縫網(wǎng)格在IGG中手動生成H型網(wǎng)格,并使用非匹配連接技術(shù)(FullNonMatching)將抽吸縫和主流區(qū)網(wǎng)格連接起來,通過大量的網(wǎng)格相關(guān)性檢查最終選定網(wǎng)格總數(shù)約為70萬作為計算網(wǎng)格。計算邊界條件為:進口總壓101325Pa,進口總溫288K,軸向進氣。通過調(diào)節(jié)出口靜壓,計算出該轉(zhuǎn)子的性能,在判斷壓氣機是否進入失速工況時,采用如下方式:隨著出口靜壓升高壓氣機壓比增加不明顯、流量變化較小時,出口給定流量,當(dāng)壓氣機壓比下降時,此時計算的前一工況為近失速工況。2附面層抽吸方案設(shè)計本文通過研究不同的附面層抽吸方案來分析附面層抽吸形式對壓氣機穩(wěn)定裕度的影響,抽吸方案參考文獻[5]設(shè)計,具體為:①葉表抽吸:在葉片吸力面20%~95%葉高沿徑向開設(shè)抽吸縫,縫隙寬度2mm,軸向位置分別位于30%C、50%C、70%C(C表示葉片尖部弦長)。②端壁抽吸:在上端壁沿周向開設(shè)寬2mm抽吸縫。軸向位置分別位于30%C、50%C、70%C處。定義抽吸系數(shù)(Suctioncoeffi-cient)Sc=Msuction/M,其中Msuction為抽吸流量,M為主流量。在比較抽吸前后壓氣機轉(zhuǎn)子的總性能時,主要依據(jù)以下兩項指標(biāo):?流量裕度的改進量百分?jǐn)?shù)m珚。

　　3抽吸結(jié)果分析

　　3.1葉表抽吸對壓氣機穩(wěn)定性的影響圖1對比了未抽吸和葉表不同位置抽吸后壓氣機性能曲線,各抽吸位置的抽吸量為1.0%。從圖中可以看出:在葉片表面三個不同軸向弦長處進行抽吸都有效提高了壓氣機的總壓比和效率,其中70%C處抽吸對性能的提升幅度相對其它兩個抽吸位置較高,峰值效率提高了2.04%;但葉表抽吸在提高壓氣機性能的同時減小了壓氣機的穩(wěn)定工作范圍,在30%C、50%C、70%C抽吸后其失速點的流量裕度改進量分別減小了1.93%、3.2%、3.86%,可見不同葉表位置抽吸對性能提高幅度越高,其流量裕度越小;葉表抽吸導(dǎo)致壓氣機提前進入失速。為分析葉表抽吸使壓氣機提前進入失速復(fù)雜機理,本文選取在70%C處葉表抽吸后的近失速工況對應(yīng)的流量和未抽吸時流量相近的工況進行對比,此時流量為18.7kg/s。圖2中給出了上述工況條件下未抽吸和在70%C處葉表抽吸時99%葉高的相對馬赫數(shù)云圖。從圖2a)可以看出:在該工況下,未抽吸時激波位于葉頂前緣形成脫體激波,激波占據(jù)了整個葉片通道,氣流被滯止在葉頂前緣,波后氣流軸向動量很小。激波后存在兩個低速流體團阻礙了葉頂通道中的氣流流動,同時葉片吸力面近尾緣處存在一個由附面層引起的低馬赫數(shù)區(qū)。從圖2b)中可以看到:葉表抽吸雖然可以將附著于尾緣的低能氣流團吸除,但抽吸導(dǎo)致該截面葉片前緣相對馬赫數(shù)有所提高,激波強度增強,由于近端壁前緣脫體激波與端壁附面層相互作用,導(dǎo)致波后的兩個低能阻塞團明顯增大,阻塞團幾乎占據(jù)了整個葉片通道,惡化了氣流通道環(huán)境,導(dǎo)致壓氣機內(nèi)部流動失穩(wěn)。在壓氣機中,間隙泄漏流的存在對其流動穩(wěn)定性的影響也不容忽視,圖3對比了該工況下未抽吸和在70%C處葉表抽吸的葉片頂部流場結(jié)構(gòu),圖中給出了幾個截面上的相對馬赫數(shù)分布,同時還給出了頂部間隙泄漏流的流線。由圖3a)中看出:未抽吸時葉頂前緣附近發(fā)出的泄漏流與轉(zhuǎn)子葉頂來流相作用后卷曲形成間隙泄漏渦,葉頂處激波和葉頂間隙泄漏渦相互作用,在葉片通道壓力面附近形成較大的阻塞,并且部分流體流向相鄰葉尖,形成橫斷葉片通道的流動。葉表70%C抽吸后,葉頂間隙泄漏流強度和激波強度均增強,并導(dǎo)致來流攻角增大,葉頂通道主流流體的軸向動量減小,葉頂區(qū)域的低能流體在相鄰葉片的近壓力面堆積,對葉頂通道形成較大的阻塞作用,從而引發(fā)壓氣機進入失速工況。

　　3.2端壁抽吸對壓氣機穩(wěn)定性的影響圖4給出了未抽吸和不同端壁位置處抽吸后壓氣機性能曲線,各抽吸位置的抽吸量為1.0%。從圖中可以看出:在端壁表面三個不同軸向弦長處進行抽吸使壓氣機的總壓比和效率均略有提高,其中在30%C處抽吸對總壓比的提升幅度相對其它兩個位置也是最高的,峰值效率提高了0.28%;需要指出的是:端壁抽吸在提高壓氣機性能的同時不同程度增加了壓氣機的穩(wěn)定工作范圍,在30%C、50%C、70%C抽吸后其失速點的流量裕度改進量分別增加3.15%、4.26%、2.76%。這說明端壁抽吸在不降低壓氣機壓比和效率性能的前提下可以使得其穩(wěn)定工作裕度大幅提升。為了探索端壁抽吸提高壓氣機穩(wěn)定性的復(fù)雜機理,本文選取在30%C處端壁抽吸和未抽時的相近工況進行對比,此時流量為18.102kg/s,未抽吸時計算結(jié)果顯示此時壓氣機已經(jīng)接近失速工況。圖5中給出了該工況條件下未抽吸和30%C端壁抽吸后的99%葉高相對馬赫數(shù)等值線圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn):未抽吸時當(dāng)壓氣機節(jié)流到該流量條件下時,葉頂前緣脫體激波已經(jīng)占據(jù)了整個通道,波后形成兩個較大的低能氣流團,這兩個低能流團和近尾緣處吸力面?zhèn)仍龊竦母矫鎸訋缀跽紦?jù)了整個葉片通道,從而堵塞了壓氣機頂部氣流通道,使得壓氣機提前進入近失速工況。端壁抽吸后(圖5b)所示),雖然該截面葉片吸力面?zhèn)雀矫鎸勇杂性龊?但由于抽吸使得位于轉(zhuǎn)子上游的脫體激波向下游移動至葉片前緣形成附體斜激波,激波強度大大減小,從而使得位于葉片前緣的低能氣流團尺度大大減小,增強了氣流的流通能力,從而使得其穩(wěn)定工作裕度有所提高。圖5未抽吸和30%C端壁抽吸的99%葉高處相對馬赫數(shù)云圖圖6對比了該工況未抽吸和30%C處端壁抽吸時幾個截面上(沿周向方向截取并沿軸向均勻分布)的相對馬赫數(shù)分布和頂部間隙泄漏流的流線。由圖6a)中可以看出:該工況下未抽吸時壓氣機已經(jīng)進入近失速工況,其葉頂間隙泄漏流強度較大,且相鄰葉尖的流向泄漏流增多,激波和間隙泄漏流導(dǎo)致葉片前緣壓力面區(qū)域形成大尺度的阻塞團。從圖6b)所示的端壁抽吸后頂部流場結(jié)構(gòu)可以知道:端壁抽吸能夠?qū)⒉糠珠g隙泄漏流吸除,從而抑制間隙泄漏流的發(fā)展,間隙泄漏流的強度降低,有效抑制了間隙泄漏渦的破裂;抽吸后激波和間隙泄漏流的強度減弱,使葉頂處的大尺度阻塞團變小,穩(wěn)定了葉頂?shù)牧鲃印D6未抽吸和30%C端壁抽吸的葉片頂部流場結(jié)構(gòu)

　　4結(jié)論

　　1)葉表抽吸使壓氣機的壓比和效率有大幅提升,但其穩(wěn)定工作裕度減小。端壁抽吸可在保持壓氣機壓比和效率略有提高的前提下實現(xiàn)其穩(wěn)定工作裕度的增強,對提高壓縮系統(tǒng)可靠穩(wěn)定工作有較好的正效應(yīng);2)葉表抽吸使得葉頂前緣脫體激波和間隙泄漏流強度的增加,并導(dǎo)致兩者相互作用引起的低能堵塞團在葉頂通道內(nèi)迅速增長而堵塞葉頂通道,無法吸除導(dǎo)致流動不穩(wěn)定的堵塞流體,不能實現(xiàn)壓氣機穩(wěn)定工作裕度增加;3)端壁抽吸較好地改善了壓氣機轉(zhuǎn)子頂部激波結(jié)構(gòu)和強度,從而增強轉(zhuǎn)子頂部通道流通能力,增加壓氣機穩(wěn)定工作裕度,是一種可行方案;4)綜合利用兩種抽吸形式的優(yōu)勢,實現(xiàn)壓縮系統(tǒng)負荷和效率提高的同時,增強其流動穩(wěn)定性是提高壓氣機性能的潛在途經(jīng)。