大转角涡轮叶栅复合弯曲定性分析与应用验证

通过定性推导分析了复合弯曲对叶栅吸力面静压分布与端部周向迁移流体折转过程的影响,明确了复合弯曲对大转角高负荷平面涡轮叶栅流场的影响机制,并结合已有仿真结果进行了初步验证。复合弯曲是在反弯叶片吸力面端部进行局部正弯,令叶片压力面反弯、吸力面端部正弯结合叶身反弯的造型方式。研究表明,复合弯曲设计通过改变吸力面低能流体的展向迁移趋势与周向迁移流体的折转趋势抑制了叶栅二次流的发展。一方面,复合弯曲设计调节了叶展中部与叶栅端部附近吸力面逆压梯度与展向静压梯度分布,抑制了吸力面低能流体向脱落涡与壁角涡高损失区的迁移与堆积;另一方面,复合弯曲设计影响了周向迁移流体折转过程,抑制了周向迁移流体向叶栅端部的折转及其折转过程中与吸力面附近流体的掺混。因此,复合弯曲设计能够在常规反弯基础上进一步改善叶栅流场。      

端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅流场影响机理的对比研究

附面层吸/吹气是抑制流动分离、提高压气机叶片负荷的有效技术途径。针对超声速压气机叶栅内激波诱导的角区分离,分别采用多种不同的端壁吸/吹气方案对其进行流动控制,旨在探索端壁吸/吹气对激波干涉下角区分离的控制机理,并对比分析端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅角区分离的控制效果。结果表明:在激波/端壁附面层干涉下,该超声速压气机叶栅内存在大范围的激波诱导角区分离,角区分离使得该超声速叶栅存在强三维效应,二维叶栅中的单正激波变为"斜激波+正激波"结构,叶中吸力面尾缘开式分离变为闭式分离;端壁吸气可有效抑制该超声速叶栅的角区分离,吸气后近端壁区损失系数大幅降低,最优端壁吸气缝方案的起始点与亚声速压气机叶栅相同,但端壁吸气后叶中的双激波结构变为单正激波结构,叶中流动分离增大;端壁吹气也可有效抑制角区分离,其控制效果略优于端壁吸气,其原因是吹气缝处的静压高于吸气缝,对激波的增强作用弱于端壁吸气;与端壁吸气方案不同的是,最优端壁吹气缝方案的起始点位于叶片前缘。     

Experimental investigation on a high subsonic compressor cascade flow

With the aim of deepening the understanding of high-speed compressor cascade flow,this paper reports an experimental study on NACA-65 K48 compressor cascade with high subsonic inlet flow.With the increase of passage pressurizing ability, endwall boundary layer behavior is deteriorated, and the transition zone is extended from suction surface to the endwall as the adverse pressure gradient increases.Cross flow from endwall to midspan, mixing of corner boundary layer and the main stream, and reversal flow on the suction surface are caused by corner separation vortex structures.Passage vortex is the main corner separation vortex.During its movement downstream, the size grows bigger while the rotating direction changes, forming a limiting circle.With higher incidence, corner separation is further deteriorated, leading to higher flow loss.Meanwhile, corner separation structure, flow mixing characteristics and flow loss distribution vary a lot with the change of incidence.Compared with low aspect-ratio model, corner separation of high aspect-ratio model moves away from the endwall and is more sufficiently developed downstream the cascade.Results obtained present details of high-speed compressor cascade flow,which is rare in the relating research fields and is beneficial to mechanism analysis, aerodynamic optimization and flow control design.     

冲角变化对弯掠压气机叶栅壁面静压分布的影响

实验研究了冲角变化对不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅壁面静压分布的影响。结果表明,变冲角时弯掠叶栅端部横向、径向及流向压力梯度分布改善,正冲角时端壁与吸力面附面层相互作用减弱,避免了低能流体在吸力面角区的积聚及分离,同时也使得中径附近损失有所增加,但其总损失没有明显增大;负冲角时弯掠叶栅中径附近的损失增加在总损失中占主导地位,气动性能下降。在较大正冲角时弯掠叶栅仍能保持角区流动的稳定,若增大中径处的设计冲角能够获得更好的气动性能。     

进口边界层对采用弯叶片的平面扩压静叶栅流场性能的影响

给定不同型式的进口边界层,在两种不同亚音速条件下对一平面扩压静叶栅的弯叶片流场进行了数值模拟。结果表明弯叶片对扩压叶栅的改善的能力受进口边界层的特征影响。这种影响分为两个方面:(1)边界层厚度的影响和(2)边界层动量损失厚度的影响。边界层越厚或动量损失厚度越大,在低马赫数条件下弯叶片对吸力面角区密流增加越明显,从而更大程度地提高了端区的流动性能,降低了叶栅损失。在高马赫数条件下,若边界层越厚或动量损失厚度越大,角区密流虽变化不大,但因端区损失较大,其性能的提高会给叶栅总性能的改善带来较大的收益。      

组合抽吸对大转角扩压叶栅性能的影响

实验研究了低速条件下在端壁和吸力面同时进行附面层吸除对某大转角扩压叶栅性能的影响.在叶片表面及端壁进行了墨迹流动显示,并对叶栅出口截面进行了测量.基于实验的抽吸槽布置方式:端壁吸气主要影响区域是吸力面角区;吸力面抽吸可以减小角区范围,延迟叶片吸力面附面层转捩,改善中径处流场;组合抽吸则优化了叶栅整体流场,使流动更加均一高效,由于削弱了端壁和吸力面附面层间的相互作用,组合抽吸在大吸气量下优于前两种吸气方式.      

低负荷和高负荷压气机叶栅气动性能的实验和数值模拟

为了明确采用高负荷设计及一般设计（低负荷）方法的压气机气动性能和流动转捩的差异,进行了不同攻角下的叶栅吸力面流谱绘制和参数测量实验。并基于实验边界条件,采用γ-θ转捩模型开展数值研究。结果表明:与低负荷叶栅相比,随着攻角的增大,高负荷叶栅主流附面层由附着流变为分离流,尾迹的宽度和损失强度增加,并与角区分离融合为一个“带状”损失区。而低负荷叶栅的角区分离仍为紧贴壁面的开式分离,主流附面层仍然附着在壁面上。结果表明:高负荷设计增强了叶栅内逆压力梯度,这使得流动更容易分离,表现为表面形状因子呈现大范围的“峰谷”型分布,转捩模式也由局部旁路转捩变为全叶高范围的分离泡转捩。      

压气机通道端壁附面层区叶片载荷分布研究

为了探索叶片载荷分布对端壁附面层区流动的影响,设计出3套平面叶栅,叶片载荷分别趋前、居中和靠后。对于低速流动,采用实验和三维Navier-Stkoes方程方法对叶片表面、叶栅出口流场进行了研究。研究表明:叶片载荷靠后叶片(No.3)性能较叶片载荷趋前(No.1)和居中(No.2)叶片差;No.2叶片与No.1叶片比较,出口损失小,但落后角较大,扩压能力较小;在进口端壁附面层一定时,叶片前缘附近的端壁附面层区叶片力亏损变化与叶片力变化呈正相关;端壁面与叶片吸力面之间构成的角区内角涡,没有造成靠近后缘端壁附面层区吸力面静压明显下降。      

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。      

三维造型对高负荷跨声风扇静子的影响分析

以负荷系数高达0.42的跨声风扇进口级为背景,利用三维数值模拟手段,研究了叶片三维气动造型技术对高负荷跨声风扇静子气动性能的影响,并深入地分析了其影响机理.结果表明:由于激波在静子叶根有垂直于轮毂端壁的趋势,因此前掠造型对于激波/端壁附面层所主导的静子角区分离的控制效果并不明显;相比之下,正弯静子通过加入叶片力使得角区中的低速流体向叶中发生径向迁移,显著地改善了静子的性能;而复合弯掠进一步提高了静子的性能,说明单纯使用前掠造型收效不佳,需要配合正弯造型才能达到最佳效果.      

Effects of Boundary Layer Suction on Aerodynamic Performance in a High-load Compressor Cascade

This article is aimed to experimentally validate the beneficial effects of boundary layer suction on improving the aerodynamic performance of a compressor cascade with a large camber angle. The flow field of the cascade is measured and the ink-trace flow visualization is also presented. The experimental results show that the boundary layer suction reduces losses near the area of midspan in the cascade most effectively for all suction cases under test. Losses of the endwall could remarkably decrease only when the suction is at the position where the boundary layer has separated but still not departed far away from the blade surface. It is evidenced that the higher suction flow rate and the suction position closer to the trailing edge result in greater reduction in losses and the maximum reduction in the total pressure loss accounts to 16.5% for all cases. The suction position plays a greater role in affecting the total pressure loss than the suction flow rate does.     

槽道进气角和转折角对叶栅流场特性影响的研究

数值模拟了槽道进气角和转折角对开槽叶栅流场特性的影响.结果表明,槽道出口射流可以吹除叶片吸力面尾缘附面层分离气流,改善叶栅性能;存在使叶栅性能提高最大的最佳槽道进气角,随槽道进气角增大,槽内气流将因槽道几何转折角增大而增加流动损失,从而减小气流出口速度,降低其作用效果;当槽道进气角较小时,由于槽道进出口两端静压差减小,槽道对气流的加速作用下降,射流的作用效果也将降低.      

弯曲及局部修型对大折转角扩压叶栅性能的影响

通过数值模拟对具有51°叶型折转角的环形扩压叶栅进行了研究.将外流飞行器上控制附面层流动的基本思想和修型措施应用于弯叶片的局部修型, 结合近壁面附面层流动和总压损失对比分析了大折转角扩压叶栅采用直叶片、弯叶片和局部修型弯叶片的气动性能.结果表明:在大折转角、高亚声速气流进口条件下, 局部修型弯叶片能更有效的控制大逆压梯度下叶栅内附面层的发展, 提高叶栅气动性能.      

涡轮直、弯叶栅冷气掺混流场结构的分析

为了解气冷涡轮叶栅内不同叶片弯角对叶栅流场的影响，对低速条件下不同射流条件及弯角的叶栅流场进行了数值模拟，分析了二次流在叶栅流道中的演变过程，用物理量swirl分析流场中的涡系及二次流分布。发现二次流集中在叶片表面、端壁、叶片尾缘和冷气孔附近；前缘逆主流射流在内弧产生反向径向二次流，随弯角增加现象更加明显；多排孔喷气的弯叶栅，其叶背的极限流线呈明显的波动式流动，随弯角的增加，其波动幅度加大。     

进口附面层对大转角弯曲扩压叶栅气动性能的影响

在低速条件下,对不同进口附面层厚度的大折转角环形弯曲扩压叶栅进行了实验和数值研究,分析了在不同厚度的进口附面层条件下叶片弯曲对扩压叶栅气动性能的影响.结果表明,相比实验进口附面层条件,当进口附面层较薄时,在多数冲角情况下采用正弯叶片对叶栅气动性能的改善程度都有所增大,而较大正冲角时,在较大折转角叶栅中采用较大弯角的正弯曲叶片仍然引起损失激增.      

端壁抽吸位置对压气机叶栅角区分离控制的影响

以某高负荷压气机叶栅为研究对象,应用数值模拟方法探索了叶栅端壁不同抽吸位置对角区流动结构、通道漩涡发展过程以及叶栅性能的影响规律,寻求控制角区分离的可行方法。研究结果表明:在叶栅前缘上游5%C(弦长)位置实施抽吸,延缓了通道涡的形成,但导致叶栅来流攻角发生改变,在角区形成角区分离涡,并且该漩涡与通道涡相互促进,进一步恶化叶栅流场,导致叶栅落后角增大,损失增加;在叶栅通道激波后25%C端壁抽吸,吸除了上游端壁积累的高熵低能气流,制约了通道涡的迅速发展,改善了叶栅通道的流场结构,降低了流动损失,但并未对上游流场产生较大影响,是一种可行的方案。然而25%C处抽吸后,未能完全消除分离,在端部与叶栅通道主流之间存在较高损失区域。     

扩压叶栅端壁区旋涡流动显示研究

通过氢气泡流动显示,获取不同攻角、不同径向间隙下扩压叶栅端壁区内各种旋涡的发生、发展、涡-涡、涡-附面层干涉的流动图画。      

叶片弯曲对大折转压气机叶栅内分离结构的影响

通过数值模拟,分析了叶片周向弯曲对大折转角压气机叶栅内分离结构的影响。弯角分别为±10°,±20°,±30°。应用壁面流谱的拓扑法则,详细讨论了不同弯角下的分离形态。结果表明,正弯可以有效遏止角区分离,改变吸力面的分离形态,但不能完全消除吸力面的分离。因此一定范围内的叶片正弯可以改善流动,但当弯角大于20°时,流动重新恶化。反弯则使得叶栅内分离趋势增加,气动性能明显降低。     

吸附式跨声速压气机叶栅流场数值模拟

使用MISES程序数值模拟了跨声速吸附式压气机叶栅流场, 重点研究了吸气量和吸气位置对跨声速压气机叶栅气动性能的影响.结果表明, 叶栅来流马赫数和方向一定时, 吸气位置和吸气量是相互关联的关键参数, 不同的吸气位置对应着不同的最佳吸气量, 且随着吸气位置向后缘远离激波, 最佳吸气量呈逐渐增大之势.从吸气对叶片吸力面边界层的影响效果分析, 理想的吸气位置应该是在靠近激波后附面层发展到一局部极大值即将进入过渡段的位置附近.      

附面层吸除对大转角压气机叶栅气动性能影响的数值研究

数值模拟了低速条件下附面层吸除对某大转角压气机叶栅气动性能的影响。结果表明,叶栅进口马赫数一定时,小吸气量下存在使叶栅总压损失降低最大的最佳吸气位置,大吸气量时吸气位置对损失影响减弱;随吸气量增加,吸力面角区低能流体积聚明显减小,气流折转能力加强,叶栅负荷增加,总压损失降低最高达28.2%;吸气导致的栅内扩压能力恢复和通道涡三维分离效应是确定最佳吸气位置及吸气量的判定原则。