总温畸变下跨声压气机失速过程非定常模拟

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28319

航空发动机非定常流固热声耦合专栏

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总温畸变下跨声压气机失速过程非定常模拟

赵红亮¹, 张文强², 邱佳慧³^,⁴^,⁵^,⁶, 张敏³^,⁴^,⁵^,⁶, 杜娟³^,⁴^,⁵^,⁶(), 聂超群³^,⁴^,⁵^,⁶

^1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京　102206
^2.北京理工大学机电学院，北京　100081
^3.中国科学院工程热物理研究所数字孪生研究中心，北京　100190
^4.中国科学院先进能源动力重点实验室，北京　100190
^5.中国科学院轻型动力创新研究院，北京　100190
^6.中国科学院大学工程科学学院，北京　100049

收稿日期:2022-11-28 修回日期:2022-12-20 接受日期:2023-02-06 出版日期:2023-07-25 发布日期:2023-02-13
通讯作者: 杜娟 E-mail:dujuan@iet.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51922098);国家重大科技专项(2017-II-0004-0017)

Unsteady simulation of stall process in transonic compressor with total temperature distortion

Hongliang ZHAO¹, Wenqiang ZHANG², Jiahui QIU³^,⁴^,⁵^,⁶, Min ZHANG³^,⁴^,⁵^,⁶, Juan DU³^,⁴^,⁵^,⁶(), Chaoqun NIE³^,⁴^,⁵^,⁶

^1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 　102206，China
^2.School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 　100081，China
^3.Research Center of Digital Twin，Institute of Engineering Thermo-Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^4.Key Laboratory of Advanced Energy and Power，Chinese Academy of Sciences，Beijing 　100190，China
^5.Innovation Academy for Light-Duty Gas Turbine，Chinese Academy of Sciences，Beijing 　100190，China
^6.School of Engineering Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 　100049，China

Received:2022-11-28 Revised:2022-12-20 Accepted:2023-02-06 Online:2023-07-25 Published:2023-02-13
Contact: Juan DU E-mail:dujuan@iet.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51922098);National Science and Technology Major Project(2017-II-0004-0017)

摘要/Abstract

摘要：

为研究进气总温畸变条件下跨声压气机失速机理，对德国Darmstadt跨声单级压气机开展进口周向范围180°、高温区500 K总温畸变条件下全环非定常数值模拟研究。结果表明进气总温畸变条件下压气机流量显著减小，总压比大幅下降。压气机转子出口面不同周向位置的总压径向分布不同。对于顺转子叶片旋转方向，在高温区总压逐渐减小，低总温区域的转子出口总压高于高总温区域。随压气机逐渐接近失速点，总压径向分布不均匀性增大。当流量进一步减小后，总温畸变下诱发旋转失速的先兆波为突尖型，最先出现失速先兆的周向位置是转子叶片离开低温区、转入高温畸变区时。失速先兆的周向传播速度约为88.9%转子转速，失速初期失速团的周向传播速度约为66.0%转子转速。整个失速过程伴随转子出口流量的大幅度波动，由失速团沿周向的运动和合并引起。

关键词: 总温畸变, 跨声压气机, 非定常流动, 旋转失速, 突尖型

Abstract:

To investigate the stall mechanism of a transonic compressor with inlet total temperature distortion， full annular unsteady numerical simulations with a 500 K， 180° circumferential total temperature distortion are conducted on the German Darmstadt transonic compressor. The results indicate that the mass flow rate and the total pressure ratio decrease dramatically under the inlet total temperature distortion. The total pressure radial distribution varies at different circumferential positions on the compressor rotor exit. Along the rotor rotating direction， the total pressure gradually decreases in the high temperature region， and gradually increases in the low temperature region. The closer to the stall point， the greater non-uniform of the total pressure radial distribution. As the mass flow is further reduced， the type of the inception induced stall is spike， appearing first when the rotor blades turn into the high total temperature region. The circumferential propagation speed of the stall inception and that of the stall cells at the beginning of the stall are about 88.9% and 66.0% of the rotor speed， respectively. The entire stall process is accompanied by a significant fluctuation of the mass flow， caused by the movement and merging of the stall cells along the circumferential direction.

Key words: total temperature distortion, transonic compressor, unsteady flow, rotating stall, spike

中图分类号:

V231.3

赵红亮, 张文强, 邱佳慧, 张敏, 杜娟, 聂超群. 总温畸变下跨声压气机失速过程非定常模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 628319-628319.

Hongliang ZHAO, Wenqiang ZHANG, Jiahui QIU, Min ZHANG, Juan DU, Chaoqun NIE. Unsteady simulation of stall process in transonic compressor with total temperature distortion[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(14): 628319-628319.

图/表 21

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

关键参数	数值
最大功率/kW	800
最大扭矩/（N∙m）	350
最大转速/（r·min^-1）	20 500
最大转子直径/m	0.38
轮毂比	~0.5
叶尖相对马赫数	~1.4
转子/静子叶片数	16/29

分类	网格数量/万
分类	粗糙	中等	精细
转子流向	71	121	151
转子周向	61	93	123
转子径向	81	121	161
静子流线	68	108	138
静子周向	42	69	101
静子径向	75	113	153
总网格量	102	247	540

参数	数值
参数	高温区	低温区
总温/K	500	295
总压/kPa	99	99
密度/（kg·m^-3）	0.656 8	1.109 4
轴向速度/（m·s^-1）	141	109
密流/（kg·m^-2·s^-1）	93	121

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总温畸变下跨声压气机失速过程非定常模拟

Unsteady simulation of stall process in transonic compressor with total temperature distortion

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