正確認(rèn)識(shí)壓氣機(jī)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(duì)壓氣機(jī)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(qiáng)度的增加,并導(dǎo)致兩者相互作用引起的低能堵塞團(tuán)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(dòng)不穩(wěn)定的堵塞流體,不能實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度增加。

　　摘要：近年來研究人員在對(duì)跨音速壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致壓氣機(jī)流動(dòng)失穩(wěn)的葉頂復(fù)雜的流動(dòng)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速和氣動(dòng)力學(xué)特性,這幾種失穩(wěn)機(jī)制可能同時(shí)或孤立的存在。

　　關(guān)鍵詞：壓氣機(jī),工程建設(shè),能源工程類論文

　　1.針對(duì)壓氣機(jī)是流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理,目前一般采用機(jī)匣處理、葉頂噴氣等方法來擴(kuò)大壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍。附面層抽吸技術(shù)作為一種主動(dòng)控制方法,可有效提高壓氣機(jī)的性能[4,5],其中文獻(xiàn)[5]還以Rotor35為研究對(duì)象,深入分析了不同位置抽吸對(duì)其性能的影響機(jī)制,研究結(jié)果指出:兩種抽吸形式均使壓氣機(jī)的壓比和效率有所提高,并針對(duì)該轉(zhuǎn)子流動(dòng)給出了其最佳抽吸量和抽吸位置。然而壓氣機(jī)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(jī)負(fù)荷、效率提高的同時(shí),是否對(duì)其穩(wěn)定工作裕度有所影響?影響趨勢(shì)和內(nèi)部流動(dòng)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象,通過在該壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片吸力面上不同的葉高和軸向弦長處進(jìn)行抽吸,初步探討了附面層抽吸抑制流動(dòng)失穩(wěn)問題,但對(duì)于抽吸控制流動(dòng)失穩(wěn)的機(jī)理以及抽吸位置的優(yōu)化等問題未能給出詳細(xì)的答案。

　　能源論文：《新能源進(jìn)展》，《新能源進(jìn)展》推動(dòng)新能源領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，致力于傳播為讀者創(chuàng)造價(jià)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(shí)，力爭(zhēng)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(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫來源期刊”，本刊歡迎該領(lǐng)域和對(duì)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(píng)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(duì)跨音速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定裕度的影響,對(duì)附面層抽吸控制跨音速壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的機(jī)理作初步探討。1研究對(duì)象和數(shù)值方法本文的研究對(duì)象為NASARotor35轉(zhuǎn)子,葉片數(shù)36,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速17188rpm,其它數(shù)據(jù)詳見文獻(xiàn)[7]。數(shù)值計(jì)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(dòng)參數(shù)及其特性。主流區(qū)網(wǎng)格由AUTOGRID模塊自動(dòng)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(dòng)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(jì)算網(wǎng)格。計(jì)算邊界條件為:進(jìn)口總壓101325Pa,進(jìn)口總溫288K,軸向進(jìn)氣。通過調(diào)節(jié)出口靜壓,計(jì)算出該轉(zhuǎn)子的性能,在判斷壓氣機(jī)是否進(jìn)入失速工況時(shí),采用如下方式:隨著出口靜壓升高壓氣機(jī)壓比增加不明顯、流量變化較小時(shí),出口給定流量,當(dāng)壓氣機(jī)壓比下降時(shí),此時(shí)計(jì)算的前一工況為近失速工況。2附面層抽吸方案設(shè)計(jì)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(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度的影響,抽吸方案參考文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì),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(jī)轉(zhuǎn)子的總性能時(shí),主要依據(jù)以下兩項(xiàng)指標(biāo):?流量裕度的改進(jìn)量百分?jǐn)?shù)m珚。

　　3抽吸結(jié)果分析

　　3.1葉表抽吸對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定性的影響圖1對(duì)比了未抽吸和葉表不同位置抽吸后壓氣機(jī)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(gè)不同軸向弦長處進(jìn)行抽吸都有效提高了壓氣機(jī)的總壓比和效率,其中70%C處抽吸對(duì)性能的提升幅度相對(duì)其它兩個(gè)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(jī)性能的同時(shí)減小了壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍,在30%C、50%C、70%C抽吸后其失速點(diǎn)的流量裕度改進(jìn)量分別減小了1.93%、3.2%、3.86%,可見不同葉表位置抽吸對(duì)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(jī)提前進(jìn)入失速。為分析葉表抽吸使壓氣機(jī)提前進(jìn)入失速復(fù)雜機(jī)理,本文選取在70%C處葉表抽吸后的近失速工況對(duì)應(yīng)的流量和未抽吸時(shí)流量相近的工況進(jìn)行對(duì)比,此時(shí)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(shí)99%葉高的相對(duì)馬赫數(shù)云圖。從圖2a)可以看出:在該工況下,未抽吸時(shí)激波位于葉頂前緣形成脫體激波,激波占據(jù)了整個(gè)葉片通道,氣流被滯止在葉頂前緣,波后氣流軸向動(dòng)量很小。激波后存在兩個(gè)低速流體團(tuán)阻礙了葉頂通道中的氣流流動(dòng),同時(shí)葉片吸力面近尾緣處存在一個(gè)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(tuán)吸除,但抽吸導(dǎo)致該截面葉片前緣相對(duì)馬赫數(shù)有所提高,激波強(qiáng)度增強(qiáng),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(gè)低能阻塞團(tuán)明顯增大,阻塞團(tuán)幾乎占據(jù)了整個(gè)葉片通道,惡化了氣流通道環(huán)境,導(dǎo)致壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)失穩(wěn)。在壓氣機(jī)中,間隙泄漏流的存在對(duì)其流動(dòng)穩(wěn)定性的影響也不容忽視,圖3對(duì)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(chǎng)結(jié)構(gòu),圖中給出了幾個(gè)截面上的相對(duì)馬赫數(shù)分布,同時(shí)還給出了頂部間隙泄漏流的流線。由圖3a)中看出:未抽吸時(shí)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(dòng)。葉表70%C抽吸后,葉頂間隙泄漏流強(qiáng)度和激波強(qiáng)度均增強(qiáng),并導(dǎo)致來流攻角增大,葉頂通道主流流體的軸向動(dòng)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(duì)葉頂通道形成較大的阻塞作用,從而引發(fā)壓氣機(jī)進(jìn)入失速工況。

　　3.2端壁抽吸對(duì)壓氣機(jī)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(jī)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(gè)不同軸向弦長處進(jìn)行抽吸使壓氣機(jī)的總壓比和效率均略有提高,其中在30%C處抽吸對(duì)總壓比的提升幅度相對(duì)其它兩個(gè)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(jī)性能的同時(shí)不同程度增加了壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍,在30%C、50%C、70%C抽吸后其失速點(diǎn)的流量裕度改進(jìn)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(jī)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(jī)穩(wěn)定性的復(fù)雜機(jī)理,本文選取在30%C處端壁抽吸和未抽時(shí)的相近工況進(jìn)行對(duì)比,此時(shí)流量為18.102kg/s,未抽吸時(shí)計(jì)算結(jié)果顯示此時(shí)壓氣機(jī)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(duì)馬赫數(shù)等值線圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn):未抽吸時(shí)當(dāng)壓氣機(jī)節(jié)流到該流量條件下時(shí),葉頂前緣脫體激波已經(jīng)占據(jù)了整個(gè)通道,波后形成兩個(gè)較大的低能氣流團(tuán),這兩個(gè)低能流團(tuán)和近尾緣處吸力面?zhèn)仍龊竦母矫鎸訋缀跽紦?jù)了整個(gè)葉片通道,從而堵塞了壓氣機(jī)頂部氣流通道,使得壓氣機(jī)提前進(jìn)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(dòng)至葉片前緣形成附體斜激波,激波強(qiáng)度大大減小,從而使得位于葉片前緣的低能氣流團(tuán)尺度大大減小,增強(qiáng)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(duì)馬赫數(shù)云圖圖6對(duì)比了該工況未抽吸和30%C處端壁抽吸時(shí)幾個(gè)截面上(沿周向方向截取并沿軸向均勻分布)的相對(duì)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(shí)壓氣機(jī)已經(jīng)進(jìn)入近失速工況,其葉頂間隙泄漏流強(qiáng)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(tuán)。從圖6b)所示的端壁抽吸后頂部流場(chǎng)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(qiáng)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(qiáng)度減弱,使葉頂處的大尺度阻塞團(tuán)變小,穩(wěn)定了葉頂?shù)牧鲃?dòng)。圖6未抽吸和30%C端壁抽吸的葉片頂部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

　　4結(jié)論

　　1)葉表抽吸使壓氣機(jī)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(jī)壓比和效率略有提高的前提下實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定工作裕度的增強(qiáng),對(duì)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(qiáng)度的增加,并導(dǎo)致兩者相互作用引起的低能堵塞團(tuán)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(dòng)不穩(wěn)定的堵塞流體,不能實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度增加;3)端壁抽吸較好地改善了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子頂部激波結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度,從而增強(qiáng)轉(zhuǎn)子頂部通道流通能力,增加壓氣機(jī)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(shì),實(shí)現(xiàn)壓縮系統(tǒng)負(fù)荷和效率提高的同時(shí),增強(qiáng)其流動(dòng)穩(wěn)定性是提高壓氣機(jī)性能的潛在途經(jīng)。