采用弯-掠叶片的压气机叶栅变冲角性能研究

利用经过实验数据验证的CFD软件对采用不同掠型叶片的压气机叶栅±20°冲角范围内性能进行了数值研究.结果表明,在任一冲角下,与直叶栅比,前掠和弯掠叶栅中静压分布呈反"C"型规律,端部损失下降,中部损失增加,后掠叶栅则情况相反;随冲角增加,前掠和弯掠叶栅中低能流体在中部积聚增多,损失增加明显;算例中,尽管叶栅总损失有所增加,但弯掠叶栅变工况特性好,可最大限度控制附面层流体在端区积聚,避免角区分离,从而显著加大压气机稳定工作区间,对提高航空发动机总体性能意义较大.     

弯掠叶片气动性能的实验研究

与直叶片相比较 ,对一种具有前掠和正弯积迭线的独特的压气机叶片进行了实验研究。在不同位置采用五孔探针测量了两种叶栅的气动参数并在叶片表面做了墨迹流动显示。结果表明弯掠叶栅端部损失降低而叶展中部损失增加 ,但相应的端部扩压因子有所减小。此外该叶片吸力面上形成了有助于防止低能流体在角区积聚的反C型压力分布。弯掠叶栅改善了端壁角区内的流动并显著降低了叶栅总损失     

双激盘理论及其在轴流式弯掠动叶栅气动计算中的应用

轴流式弯掠动叶栅对主气流作用有一个不容忽视的径向分力。为此本文提出“双激盘理论”及相应的一套计算方法, 其中包括阻力系数及出口气流角值沿径分布的修正, 用来进行低速低负荷轴流式弯掠(即必须计及叶片径向分力影响的)风扇的设计和性能估计。用一个弯掠动叶和一个非弯掠动叶的风扇进行验证性试验, 结果表明:计算与实测值吻合甚好。      

压气机“端弯”叶栅流场结构的试验研究

本文通过“端弯”和“无端弯”压气机叶栅的对比试验及流场显示,论述了“端弯”叶栅改善压气机端区流动和减小端区损失 (并降低沿叶高按质量平均求出的总压损失系数 )的机理。压气机“端弯”叶片的叶盆和叶背叶片力指向都有利于改善端区流动。前者将端壁区外叶盆的高能气体压向端区,后者将端区内叶背的低能气体送向叶中区。这是“端区”损失系数下降的主要原因之一。      

弯-掠叶片对压气机叶栅端壁流动的控制作用

利用数值和实验方法对气动弯掠在压气机叶栅中的作用机理进行了研究。结果表明,相对于网格数目和网格类型,进、出口边界条件和湍流模型对计算和实验结果吻合的影响要大。叶片前掠改变了叶栅的三维压力场,使得低能流体重新分配。正弯与前掠的结合进一步加强了这种控制作用,为叶片设计提供了一个自由度。     

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。     

叶片弯掠对压气机静子叶片气动性能影响的三维数值模拟分析

运用Numeca 对某内外涵组合压气机进行数值模拟,为了减小内涵静子表面流动分离,提高其气动性能,在对其设计改型过程中,先后采用了直叶片、根部后掠和根部后掠尖部前掠三种叶型,数值模拟结果表明,弯掠叶型能减弱根尖部低能流体的堆积,抑制端壁角区的气流分离,使根尖部流动得到改善,从而提高其整体性能。此外,还考察了稠度对叶栅气动性能的影响,结果表明,合理的稠度选择, 可以改善叶栅的流场结构,降低叶栅二次流损失。     

叶片弯掠对压气机静子叶片气动性能影响的三维数值模拟

运用NUMECA对某内外涵组合压气机进行数值模拟,为了减小内涵静子表面流动分离,提高其气动性能,在对其设计改型过程中,先后采用了直叶片、根部后掠和根部后掠尖部前掠三种叶型,数值模拟结果表明,弯掠叶型能减弱根尖部低能流体的堆积,抑制端壁角区的气流分离,使根尖部流动得到改善,从而提高其整体性能.此外,还考察了稠度对叶栅气动性能的影响,结果表明,合理的稠度选择,可以改善叶栅的流场结构,降低叶栅二次流损失.      

亚声速扩压叶栅中端弯积叠方式的研究

为了改善扩压叶栅端区的流动匹配,通过数值模拟的方式,以直叶片和正弯叶片扩压叶栅为应用背景,详细对比研究了不同的端弯叶片积叠方法对扩压叶栅气动性能的影响。研究结果表明,在亚声速扩压叶栅中,前缘增弯的端弯造型可以有效降低来流攻角,以相同端弯弯角为前提,最为有效的端弯积叠方式是保持尾缘不变的尾缘积叠。无论采用何种端弯积叠方式,都会造成叶片的前部或者后部的局部弯曲,对叶栅流道产生类似于弯叶片的流动控制作用。将尾缘积叠端弯造型应用于正弯叶片中,一定程度上会抵消叶片前部的正弯效果,但并不会完全抑制;而前缘积叠端弯造型则会促进叶片后部的正弯效果。在亚声速环境下直叶片流道内应用前缘增弯的端弯造型技术时,推荐采用前缘积叠的端弯造型方法;但在正弯叶片流道内应用端弯造型技术时,推荐采用尾缘积叠的端弯积叠方式。     

压气机“修型”叶栅的实验研究

文中通过压气机叶片“修型”叶栅和常规叶栅的对比实验 ,研究了“修型”叶栅栅后三维流动特征。试验结果表明 ,对常规压气机叶片端部尾缘进行局部修型 (即改变叶片的几何形状 ,但与“端弯”方式不同 ) ,在叶栅损失系数基本不变或略有下降的前提下 ,可以有效地改善和控制栅后出口气流角沿叶高的分布 ,以满足下游动叶进口气流方向的要求。平面叶栅试验结果还表明 ,尽管对常规叶栅端部尾缘实施局部修型 ,减小了端区的叶片出口构造角 ,但对整个气流转折角影响不是太大。同时 ,叶栅自身的流通能力基本不受影响 ,甚至有所改善。此技术已成功地应用于多级压气机和喘振裕度的改善、效率的提高以及压气机不稳定脉动压强 (叶片激振动 )和乱分离的抑制     

不同掠弯扩压叶栅变工况气动性能比较

实验研究了变工况条件下由不同掠弯叶片组成的平面扩压叶栅出口总压损失及二次流矢量分布,并给出了叶片表面墨迹流动显示结果。研究表明弯掠叶栅能够最大程度地改善角区流动,避免流动分离,叶栅出口总压损失对冲角变化不敏感,正冲角下总损失增加较小且吸力面角区也不存在明显的分离。通过增大中径处的设计冲角或进行弯掠匹配优化进一步提高变工况性能的潜力巨大,对提高压气机性能具有实际价值。      

高性能叶轮机全3维叶片技术趋势展望

高性能叶轮机是驱动先进航空发动机/地面燃气轮机发展的核心技术,为明晰叶轮机技术发展问题与趋势,在相关文献调研基础上,从基元叶栅、展向积叠、端区处理、精细化设计以及全局观念等方面出发,概要分析阐述了中国叶轮机全3维叶片技术继续发展的要点与突破口,指出全面综合最大折转亚声速叶栅、允许分离超声速叶栅、弱化激波叶栅、掠弯参数化积叠、叶身/端壁融合等基础研究成果并结合伴随方法进行精细化设计的负荷最大化技术,再辅以3维空间、非定常流动、细节关联等全局观念下派生的技术是全3维叶片技术的重要发展方向.未来全3维叶片将注重全3维空间流线曲率的良好控制.     

吸附式压气机叶栅气动性能计算模拟研究

为考察附面层吸附技术在压气机静子势流区叶型上的应用,采用流场数值计算方法对吸气叶栅流场进行模拟.结果表明:(1)对于高亚声速压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除可提高叶栅的扩压度,但不一定能减小流动损失.(2)对于中亚声压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除不仅可提高叶栅的扩压度而且能减小流动损失.(3)如果叶片吸力面靠后缘处有流动分离,吸气位置在分离区的上游较远处可抑制分离,若在分离区附近可能不利于抑制流动分离.      

改善压气机端区流动的新方法——前缘边条叶片技术

针对压气机叶片进气存在端区附面层扭曲而造成局部大攻角问题,借鉴飞机边条翼理论,阐释了LESB(前缘边条叶片)概念,开发了对主叶片施加修型形成边条叶片的造型方法,从而形成LESB技术.为验证其技术效果,选取折转角为60°的NACA65扩压叶栅进行了LESB修型,在利用叶栅试验数据确认CFD模拟精度及掌握使用经验后,对主流区0°攻角、5°攻角带端区附面层扭曲来流条件下NACA65原型叶片及LESB流场进行了数值模拟,对其中流场结构、性能参数及作用机理进行了分析.结果表明:LESB技术能有效组织端区流场,改善压气机性能,15%叶高的LESB修型在0°攻角、5°攻角下改善区域分别可至30%和40%叶高.      

大弯度可控扩散叶型叶栅槽道中气体流动的试验研究

本文对一种大弯度可控扩散叶型叶栅槽道和栅后流场进行了测量 ,并对端壁和叶片表面进行了流动显示。通过研究 ,对叶栅槽道特别是端部气体流动 ,旋涡结构以及二次流影响有深入的了解。本文的工作对于改进压气机端部流动条件 ,发展第二代可控扩散叶型有重要的实际意义。     

Comparison of aerodynamic characteristics between a novel highly loaded injected blade with curvature induced pressure-recovery concept and one with conventional design

This paper introduces a novel design method of highly loaded compressor blades with air injection.CFD methods were firstly validated with existing data and then used to develop and investigate the new method based on a compressor cascade.A compressor blade is designed with a curvature induced pressure-recovery concept.A rapid drop of the local curvature on the blade suction surface results in a sudden increase in the local pressure,which is referred to as a curvature induced ‘Shock'.An injection slot downstream from the ‘Shock' is used to prevent ‘Shock' induced separation,thus reducing the loss.As a result,the compressor blade achieves high loading with acceptable loss.First,the design concept based on a 2D compressor blade profile is introduced.Then,a 3D cascade model is investigated with uniform air injection along the span.The effects of the incidence are also investigated on emphasis in the current study.The mid-span flow field of the 3D injected cascade shows excellent agreement with the 2D designed flow field.For the highly loaded cascade without injection,the flow separates immediately downstream from the ‘Shock';the initial location of separation shows little change in a large incidence range.Thus air injection with the same injection configuration effectively removes the flow separation downstream from the curvature induced ‘Shock' and reduces the size of the separation zone at different incidences.Near the endwall,the flow within the incoming passage vortex mixes with the injected flow.As a result,the size of the passage vortex reduces significantly downstream from the injection slot.After air injection,the loss coefficient along spanwise reduces significantly and the flow turning angle increases.     

直孔射流对压气机叶栅流场影响的实验研究

为了探究直孔射流对压气机叶栅的影响,通过实验方法,结合流场显示技术和流场测试技术,对无控叶栅和直孔射流方案下的压气机平面叶栅在正攻角下的流场结构和气动性能进行了分析。结果表明:无控叶栅中吸力面存在三个螺旋点,而不同射流方案下螺旋点的数量和位置变化明显;无控叶栅端壁存在一个从吸力面起始的分离区,布置射流孔后,在射流孔前发展出马蹄涡,马蹄涡的两个分支的发展情况及其对流场影响随着不同射流方案呈现出不同的特点;射流孔的位置对控制效果有明显的影响,最佳方案减小了3.2%的总压损失,增大了1.86%的通流流量;在最佳方案下,吸力面螺旋点数量减少到了1个,端壁没有明显的尾迹出现,出口处高损失区的欠偏转和端区的过偏转均有所减弱。     

跨声叶栅角区激波/附面层干扰的开槽控制措施

提出了使用叶根槽作为一种被动控制手段来控制跨声叶栅的角区分离问题。在压力面与吸力面的压差作用下,叶根槽可产生自发射流,为叶栅吸力面侧角区注入高能流体,从而控制跨声叶栅的角区分离问题。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下叶根槽对压气机叶栅性能的影响及作用机理。结果表明:在小攻角下,叶根槽射流可破坏角区环形涡,从而有效减小跨声叶栅角区分离,提高叶栅的流通能力,改善叶栅性能;在大攻角下,叶根槽射流已不能破坏角区环形涡,但仍能为角区低能流体充能,减弱角区分离,从而拓宽叶栅工作范围。在0°攻角下总压损失系数可降低11.6%,同时叶栅攻角裕度由2°拓宽为3°。      

间隙变化对压气机静叶叶栅气动性能的影响

利用压气机平面叶栅试验,在大负攻角工况、设计工况和角区失速工况下,研究间隙变化对叶栅气动性能的影响,并分析内部流动变化与气动性能变化的关联。试验结果表明,不同工况下间隙变化对流场结构的影响不同,因而对叶栅性能的影响规律也不同。大负攻角工况下,不同间隙叶栅内在压力面前缘附近都存在一对由端壁向叶展中部发展的分离涡,间隙增大可以使叶栅总损失近似线性减小,并使间隙侧气流折转能力略微提升。设计工况下,无间隙侧吸力面角区存在轻微的角区分离,小间隙（0.2%展长）的引入首先会加剧间隙侧角区分离,当间隙进一步增大时,角区分离消失并形成泄漏涡结构。叶栅总损失随间隙增大呈先增大后减小再增加的趋势,角区分离的消除有助于提高间隙侧气流折转能力。角区失速工况下,间隙的引入可以削弱并移除间隙侧角区失速结构,从而使叶栅总损失下降,并在0.5%展长间隙时达到最小值,同时间隙侧气流折转能力得到增强。当间隙进一步增大时,叶栅损失变化不大。在间隙变化过程中,两侧端部流动结构产生相互影响,使两侧流场性能变化呈相反趋势。通过对比全工况范围内的气动性能,叶栅在选取0.5%展长间隙时整体性能最优。