总压和旋涡叠加畸变与蜗舌耦合作用的离心/组合压气机流动特性的计算与实验验证

As the core component of small gas turbine and turbocharger, centrifugal/combined compressor often operates under the circumstance of inlet distortion. Former researches have paid little attention to the effect on compressor performance and unsteady flow characteristic caused by inlet total pressure and swirl superposition distortion. This study aims to clarify the flow characteristic variation mechanism which under the inlet superposition distortion of different total pressure and swirl patterns, reveal the "clocking effect" on compressor internal flow structure and characteristic under the coupling of inlet swirl distortion and volute tongue. For these purpose, the author will build the inlet swirl generator which could produce different vortex structure and intensity. By using numerical simulation and flow field measurement, this study will investigate the variation of compressor performance and internal flow structure which is influenced by coupling effect of different volute tongue shape and inlet swirl flow, provide the physical description of the inlet swirl distortion's transportation and dissipation in downstream rows, reveal the "clocking effect" of relative circumferential position between inlet swirl flow field and volute tongue which results in variation of compressor performance and flow structure. This project can provide guidance significance for inlet passage design and matching improvement between inlet passage and compressor.

离心/组合压气机是小型燃气轮机及涡轮增压器的核心部件，经常工作在进口畸变环境下。已有研究很少关注进口总压和旋涡叠加畸变流场结构对压气机性能及非定常流动特性产生的影响。本课题的目的是阐明离心/组合压气机进口存在不同结构形式总压和旋涡叠加畸变情况下，压气机流动特性发生的变化。揭示进口旋涡畸变与蜗舌耦合作用下的压气机内部流场结构和特性所体现出的"时序效应"机制。为此，研究工作首先设计出可以产生不同旋涡结构和强度的进口旋流发生器，然后使用数值计算和实验手段，研究不同蜗壳舌部形状与进口旋涡流场耦合作用下压气机性能及内部流场结构发生的变化，给出进口旋涡流场结构在下游叶片排内的输运及耗散过程的物理描述，揭示进气旋涡流场结构与蜗舌之间相对周向位置所导致压气机特性和流场结构发生变化的"时序效应"机制。研究结果对复杂形状进气道的设计以及改善进气道与压气机之间的匹配关系具有指导意义。

离心/组合压气机应用广泛。在压气机进口，经常存在各种结构形式的总压和旋涡叠加畸变形式，这种畸变形式势必比一般总压畸变形式更加复杂。由于这种旋涡进气畸变影响着压气机的稳定性、气动噪声、叶片的疲劳寿命和压气机的性能，而现有的压气机进口畸变流场的研究多从进口存在周向和径向的总压和总温畸变展开，很少关注进口存在不同数目和不同旋涡强度的畸变形式对压气机性能以及流场产生的影响。弄清各种结构的进口旋涡畸变对压气机流动特性产生的影响，有助于消除旋涡畸变对叶片疲劳寿命所带来的危害，并为进气管道形状的优化设计及布局选择提供理论依据。.本课题通过实验和数值计算的方法研究了离心压气机内部非轴对称流动特点及其对内部流场的影响。同时分析了不同弯扭管道产生气流畸变的形式，量化了总压和旋涡畸变的程度。研究了进气畸变与蜗壳周向静压畸变的耦合情况，探讨了进气畸变条件下压气机叶轮流场的变化特性等。确定了非设计工况下离心压气机蜗壳的周向静压非轴对称分布形式及其对上游流场的影响。通过叶片槽道内部静压周向变化时空图，确定了蜗壳内部高静区所产生的压力波在叶轮流场中的逆向传播途径。对离心压气机全工况范围内周向上的静压分布形式进行了实验研究。通过对叶轮各槽道在非定常情况下的流量变化进行对比，发现叶轮内部的非轴对称流动特性影响着叶片各个槽道的流量分配。叶轮内部静压周向分布测量结果显示，小流量工况下，一些站点的静压在周向上的分布曲线除了因为蜗壳的影响存在静压峰值以外，还存在静压凸起现象。静压凸起现象并非只发生在小流量工况，在临近设计流量下也会出现。以常见的180°弯管为基础，采用改变管道相对扭转角的方式设计出一系列弯扭管道，分析并明确了弯扭管道出口截面二次流场结构随扭转角度的演化过程。弯扭管道形成的畸变进口流场对压气机非对称流动产生影响，其中孪生旋涡畸变对压气机非对称流动的影响更为突出，轮缘静压的周向波动幅值也更大。不同管道进气时，叶轮出口高静压区的周向位置没有变化，逆向压力波的传播途径也基本一致。.项目研究结果对于离心/组合压气机的性能、可靠性和使用寿命以及优化压缩系统整体布局具有指导意义。