冲角变化对涡轮叶栅内间隙流动的影响

航空发动机涡轮工作效率的损失很大程度在于涡轮叶尖间隙损失,而叶尖区域泄漏流动的形成机理强烈地依赖于叶栅的运行工况,因此有必要研究来流冲角的变化对涡轮叶栅内间隙流动的影响.为此在低速风洞中对三套不同叶片积迭线形状的矩形叶栅进行了实验,测量了间隙内以及沿流动方向8个横截面的气动参数.通过对实验结果的分析和讨论,认为随着冲角的增加叶顶压差与端壁流道横向压力梯度增大,同时叶栅的总流动损失也随之增加.     

不同冲角下有叶顶间隙的涡轮叶栅拓扑与旋涡结构

对具有叶顶间隙的直叶栅和正、反弯三套涡轮叶栅进行了实验测量,研究在较大间隙(0.036)下,气流冲角和叶片弯曲对叶顶泄漏流动的影响.根据壁面流动的墨迹显示,应用拓扑学原理,分析了叶片表面和上、下端壁的拓扑结构,指出当气流冲角由0°增至20°时,与零冲角下的同类叶栅相比较,鞍点的位置均移向上游,分离区的范围在沿流向和垂直流向的方向上扩大,上、下通道涡分离线向叶展中部爬升.在冲角为零以及20°的情况下,叶片正弯均消除了上通道涡,这一方面减少了壁面流场中奇点和分离线的数量,较大地降低了上通道涡与泄漏涡的相互作用损失,另一方面强化了端壁横流对泄漏流动的封堵作用,有利于降低相对漏气量.     

端壁抽吸槽道布置对边界层抽吸压气机平面叶栅性能的影响

在压气机静叶叶栅端壁适当位置进行边界层抽吸,可以控制平面叶栅内的流动分离,提高平面叶栅的气动负荷。为考察抽吸槽道不同布置方案对平面叶栅气动性能的影响,在哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心的跨声速风洞上,对不同抽吸槽道布置方案的压气机平面叶栅进行了吹风实验与数值模拟。结果表明:端壁边界层抽吸可以有效降低平面叶栅的总压损失,其效果与抽吸槽道布置的数量有关。     

涡流发生器对高负荷压气机叶栅角区分离影响的实验研究

涡流发生器能有效控制叶栅通道内的流动分离。为探明涡流发生器对高负荷压气机叶栅角区分离的控制效果，设计了不同周向位置的涡流发生器并进行实验。实验结果表明:涡流发生器通过其产生的尾涡改变通道内的旋涡结构，加强端壁区的低能流体与主流的掺混，抑制角区分离的形成进而达到了改善流动的效果。相对于原型叶栅，在-3°~3°迎角下加入涡流发生器后损失系数降低了5%~14%，气流转折角提高2.49°~3.15°。相对于方案A，涡流发生器远离吸力面0.15倍栅距时，角涡强度增强，气动性能下降；反之，接近吸力面0.15倍栅距时会增加角区额外损失，其流动控制效果较差。     

高负荷吸附式压气机叶栅开槽方案实验研究

在低速条件下对三种吸气槽方案的高负荷吸附式压气机叶栅进行了详细的实验研究.通过墨迹流场显示法对叶栅壁面流场进行了测量,利用五孔气动探针对叶栅出口截面进行了扫掠,并对不同叶高的型面静压进行了采集,详细分析了全叶高吸气方式和两种局部吸气方式对叶栅流场结构和负荷能力的影响.结果表明,采用吸力面两端吸气对抑制角区分离流动、减弱通道涡强度和尺度、提高叶栅内流动性能的效果要优于其它两种方式,积聚在角区的低能流体由于较大的吸气量而被大量吸除是性能改善的关键.     

冲角变化对涡轮静叶栅流场的影响

为了研究亚临界600MW汽轮机高压第九级静叶原型和改型叶栅的变冲角气动特性,对两套环形叶栅在0°和±10°冲角下在哈尔滨工业大学能源科学与工程学院的低速环形风洞中进行了对比实验研究.实验结果表明,冲角变化仅影响改型和原型叶栅流道前半部分的横向压力梯度,对流道后半部分的流动影响不大;与原型叶栅相比较,改型叶栅不仅降低了流动损失,而且比原型叶栅具有更好的变冲角特性.     

环形叶栅分离旋涡频谱特性研究

施加非定常气流脉动激励将大幅度减少叶栅分离损失。而激励的效果与本身的气流脉动频率以及强度等因素有关。为了考察非定常气流脉动激励对叶栅气流分离的作用,以及激励作用效果最佳时激励脉动频率与叶栅分离旋涡脱落频率之间的关系,进行了叶栅分离旋涡脱落频率的测量。实验在环形叶栅实验台上进行,利用IFA300热线风速仪等测试仪器进行实验,分析了不同实验条件下环形扩压叶栅后流动脉动的分布情况。结果表明,在不同迎角以及不同测量位置处(叶中和端壁压),所测环形扩压叶栅后的流动分离均存在某一特征频率。此外对导流叶栅后和环形扩压叶栅后的流动情况的对比说明了在叶轮机械非定常流中流动分离频率的锁定(lockon)现象[1]。     

大焓降后部加载弯叶栅压力场与壁面流场特性的实验研究

在环形叶栅低速风洞中,对亚临界600MW汽轮机中间级大焓降静叶栅进行了吹风实验.应用五孔球头测针,详细测量了在3个冲角下叶片沿叶高和节距的气流参数分布;借助沿叶型的静压测孔测量了在9个相对叶高位置沿叶型的静压系数;并应用墨迹显示技术,显示了沿上、下端壁及叶片表面的极限流线.实验结果表明,大焓降静叶栅具有良好的气动性能.     

子午收缩导向叶栅气动性能的实验研究

在环形叶栅低速风洞中,对调节级导向叶栅进行了吹风实验.采用五孔球头测针测量了由栅前至栅后7个横截面内气流参数沿叶高和节距的分布;籍助沿叶型的静压测孔测量了在7个相对叶高位置沿叶型的静压系数;并应用墨迹显示技术,显示了沿上下端壁及叶片表面的极限流线谱.试验结果表明,具有后部加载和较大前缘半径的调节级导向叶栅通过子午收缩获得了良好的气动性能.     

汽轮机静叶栅变冲角性能的实验研究

为了研究亚临界600MW汽轮机高压第九级静叶叶栅的变冲角气动特性,为高压静叶叶片设计提供依据,对原型和改型两套环形叶栅在低速风洞中进行了不同冲角工况下的吹风实验研究.实验结果表明:改型叶栅降低了叶栅的流动损失,具有更好的变冲角特性.     

共轴刚性旋翼桨毂阻力特性及流动机理

共轴刚性旋翼直升机在高速飞行时,桨毂流动复杂、分离强、阻力大。为明晰其阻力特性和流动机理,采用CFD方法针对已完成风洞试验的共轴桨毂组合模型进行数值模拟研究,获得了桨毂组合模型各单独部件的阻力、表面流动和空间流场特征,阐明了产生阻力最大的部件和影响阻力的主要因素,揭示了中间轴整流罩和塔座设计参数的减阻机制。分析结果表明:上、下旋翼桨毂是产生阻力的主要部件;中间轴和塔座的分离尾流对桨毂表面流动产生较大的干扰作用,使桨毂整流罩表面受干扰区域产生气流分离;具有较缓和逆压梯度的中间轴整流罩和塔座能有效减小分离尾流对桨毂整流罩的干扰,从而降低整个共轴桨毂系统的阻力。     

径向导叶内流动分离特性的试验研究和控制

采用接触式探针和粒子图象测速技术(PIV)对导叶式离心泵径向导叶内流场的流动特性进行了研究。基于圆柱形微型三孔探针测试结果对5种流量下导叶的压力恢复能力进行了评估,测孔位置覆盖了导叶进出口截面和主线截面。压力恢复系数的理论值和试验值表明当流量大于导叶设计流量时导叶内产生了较大的静压损失。2C/2D PIV 可视化试验的研究结果表明大流量下导叶叶片压力面发生了流动分离。设计了不同参数组合的涡流发生器来对流动分离现象进行控制,试验研究了6种方案对模型泵大流量工况下性能的影响,获得一组最佳方案,并分析了采用该方案后导叶内的流动特性。     

高负荷扩压叶栅吹风试验流场二维性控制技术研究

平面叶栅风洞侧壁附面层引起流道收缩,破坏叶栅流场二维性,扩压叶栅逆压梯度会加剧收缩,且随负荷增加越发显著。针对某高负荷扩压叶栅,研究了影响叶栅吹风试验二维性的因素及不同轴向位置端壁抽吸的改善效果并探索了分布式抽吸。结果表明:常规试验叶栅端壁附面层发展会挤压主流,使其加速,扩压性下降,造成流场失真,总压损失偏差最小达23%。前部、中部抽吸可整体控制叶栅二维性,但展向二维区较窄;尾部抽吸出口展向二维区较宽,但仅局部改善近尾缘处二维性。前部抽吸在全攻角下控制良好,中部抽吸的负攻角特性较好,尾部抽吸流量则随攻角呈线性变化。分布式抽吸能整体控制二维性同时拓宽展向二维区,值得探索与应用。     

共轴刚性旋翼直升机桨毂阻力特性试验

共轴刚性旋翼直升机在突破常规直升机前飞速度极限的同时会产生巨大的桨毂阻力。为研究共轴刚性旋翼直升机桨毂的阻力特性,采用天平测力的方式在1.4m×1.4m直流风洞中对不同的共轴双桨毂组合模型进行了风洞试验。试验状态变量包括桨毂转速、模型各部件间缝隙和不同整流模型组合。试验结果表明:共轴双桨毂试验模型的阻力受对称光滑桨毂旋转运动的影响基本可忽略;各整流部件间缝隙对模型所受阻力影响较大,大缝隙会使试验模型阻力增大;各整流部件分离尾流存在较大的气动干扰,使模型所受阻力明显增加。     

基于探针管路动态修正的压气机动态总压测试

为方便安全地获取压气机内部多点动态总压信号，采用气动探针将测点压力引出，并通过动态修正还原测点处的压力信号。利用爆破气球装置产生的向下阶跃输入信号和探针响应输出信号，辨识得到探针管路的离散传递函数模型，以此来修正测量信号，获得测点真实压力。所用标定方法能够实现1000Hz以内信号的动态修正，探针信号经过修正后能够消除相位延迟，且管路谐振效应对信号的放大作用显著减小。压气机动态总压测试结果表明:随着进气流量的减小，转子进口叶片通过频率信号幅值逐渐增大，静子出口宽频扰动增强，在近失速点宽频扰动最大；压气机突尖型旋转失速先兆首先出现在转子叶片前缘叶顶附近，而后向叶根方向迅速扩展，并形成全叶高范围的旋转失速团，完全发展的失速团传播速度约为30%转子转速。     

平面扩压叶栅流场犘犐犞与三孔尾迹探针对比测试研究

针对PIV技术在暂冲式高亚声速平面叶栅流场中遇到的示踪粒子投放问题,通过采用高压雾化式粒子发生器以及安装在稳定段前的撒播器,有效地使示踪粒子均匀地与主流混合,并成功开展了某扩压平面叶栅叶片槽道及出口尾迹可视化测量,获得了零迎角、进口马赫数0.2~0.8状态下的二维速度矢量场。为了验证PIV在叶栅流场测试结果的可靠性,在相同工况下,将PIV测量结果分别与数值计算结果和三孔尾迹探针测量结果进行了对比分析。结果表明:采用PIV技术测得的叶栅中截面二维速度矢量场合理地反映了叶片槽道及尾迹的流动结构,与数值模拟结果较为接近;PIV与三孔楔形尾迹探针在叶栅出口尾迹的测量所获得的气流速度和主流区的出口气流角重合性较好;尾迹分离区的出口气流角重合性略差,主要原因是尾迹区气流角超出了探针校准范围,这也说明了PIV测试技术优势。本文提出的PIV测量技术也可用于连续式叶栅风洞中。     

一种控制微涡轮叶尖泄漏流的新技术(英文)

提出了一种逆向涡流发生器控制叶尖泄漏流的新技术,利用压力面和叶顶面的压力差将气流从压力面引入,在叶顶面逆着叶尖泄漏流方向高速射出从而控制和减小叶尖泄漏流。对某典型毫米尺度涡轮叶栅进行了有/无逆向涡流发生器流场的数值研究,分析了逆向涡流发生器对流场及叶栅性能的影响。结果表明在典型进口条件下,逆向涡流发生器使得叶尖间隙泄漏流量降低了2.8%,周向载荷升高了7.7%;与无逆向涡流器情形相比,有逆向涡流器时涡轮效率提高了约1.2%。