为了分析跨音速转子叶尖间隙高度对转子叶尖流场的影响,以某轴流压气机跨音级为研究对象,采用全三维数值模拟方法,探讨了设计点和近失速工况下叶尖泄漏涡与激波的相互作用现象及不同的间隙条件下叶尖泄漏涡的演化、发展规律。计算结果表明,与设计点相比,近失速工况下间隙泄漏涡在流场中的位置及其与叶片弦长的夹角基本不变,但其对激波的影响更大。此外,随着叶尖间隙的增大,叶尖泄漏涡的强度、尺寸和影响范围也会逐渐增加,降低叶片的扩压能力。

为研究压气机转子叶片弹性变形对气动特性和结构性能影响,采用商业软件Numeca和Ansys用流固耦合的数值计算方法,研究跨声速转子叶片在考虑气动载荷和离心载荷共同作用下的静气动弹性变形,分析不同材料属性对叶片静气动特性的影响。结果表明考虑叶片变形后的气动特性曲线往右边移动,更加贴近实验数据。由于气动载荷和离心载荷的作用形式不同,材料属性的不同会导致叶片变形量各成分比例不同,也会对叶片不同位置的应力产生不同的影响。

以某燃气轮机1.5级跨音速压气机为研究对象,利用NUMECA软件计算了该压气机在不同进口可转导叶摆放角度情况下跨音速压气机的气动性能。研究结果表明:随着进口气流角的增大,流量-效率曲线和流量-压比曲线均向流量减小的方向平移,相同流量下,进口气流角增加,效率增大,但压比减小;在设计流量工况下,随着进口气流角的增大,来流相对马赫数减小,激波强度减弱,并向尾缘迁移,激波后附面层分离流动改善,压气机损失减小。

针对一跨音速压气机转子，分别在动叶顶部相对间隙为0%，0.1%，0.5%，1%，1.5%，2%的六种情况进行了数值模拟。计算结果表明，间隙的存在使得转子性能如压比、效率有所下降，但适当间隙的存在使得转子喘振点往小流量点大幅迁移，又有效提升了转子的工作范围。此外，分析了由于叶顶间隙的存在使得转子工作范围增加的原因，并指出无论是否存在间隙，针对跨音速压气机转子，其进入喘振的根本原因都是由于堵塞作用使得弓形激波连同流道激波一起被推向流道上游造成的，而其中堵塞作用却是由端壁附面层发展与迁徙、叶顶泄漏流动、激波与附面层之间相互作用的共同结果。