叶型对扩压叶栅角区分离的影响

为了在叶型设计阶段尽可能减小角区分离的可能性,用数值模拟方法研究角区分离形式对扩压叶栅气动性能的影响,以及叶型参数对角区分离形式和分离范围的影响。角区分离改变了吸力面的静压分布,静压沿叶展方向呈现出"C"型压力分布,与开式分离相比闭式分离加剧了吸力面的"C"型压力分布,闭式分离造成下端壁吸力面最低压力点后的流向逆压力梯度增加。分离降低叶栅扩压能力,增大损失,与开式分离相比闭式分离的气动性能降低更显著。研究结果表明:角区分离受叶型参数的影响较大,随着叶型相对厚度的增加、中弧线挠度增大、最大厚度位置后移吸力面最大厚度位置之后的型线曲率的变化梯度增大,吸力面最低压力点之后的流向逆压力梯度和吸力面展向压力梯度增大,进而增大角区分离范围,改变分离形式,由开式分离向闭式分离转变。     

基于PSP技术的压气机跨声叶栅表面压力场测量

为测量压气机跨声叶栅表面压力场,选择美国ISSI公司的Binary FIB PSP(压敏涂料),并根据涂料和跨声叶栅合理搭配相机和光源系统,对涂料进行标定。设计了两种不同的光路布局和拍照方案,获取了吸力面与压力面在多个攻角和马赫数下的试验数据。结果表明:对于压气机叶栅试验,打光和相机采取侧向布局效果更好。在0°攻角下,吸力面的吸力峰靠近前缘;随着攻角的变大,吸力面气流在靠近前缘很短距离完成加速和静压下降过程,然后沿弦长方向开始减速,压力面气流在叶片前缘附近很短距离内完成减速增压过程。当马赫数达到0.8时,叶栅通道出现了激波;随着进口马赫数的提高,叶片吸力面和压力面表面的静压值变小。     

高负荷风扇静叶气动特性的实验与数值研究

为了掌握高负荷静叶内部流动特征,进而指导静叶改型设计,采用实验和数值模拟相结合的方法,对高负荷风扇末级静子叶栅的气动性能开展研究。为了在级环境下研究静子叶栅的气动性能,在静子叶栅前设计了导叶,提供级中静子叶栅的进口气流参数,分析了不同进口马赫数条件下的静叶气动性能。研究表明:导流叶片可以保证静叶进口气流方向和速度与级内相近,可以用扇形叶栅吹风实验模拟级环境对静叶气动性能开展研究;静叶吸力面存在较大的分离和回流,27%叶高附近分离最大,使该处气流折转最小约42°;静叶3%叶高压力面存在较大的负攻角损失;随着进口马赫数增加,出口气流参数沿径向波动程度明显增加。     

高亚声速吸附式叶栅气动特性实验研究

以高亚声速叶栅风洞为实验平台,建立了附面层抽吸系统,针对吸力面开槽的吸附式叶栅进行了系统的平面叶栅吹风试验。定量地分析了附面层抽吸对于叶栅气动特性的影响。试验结果表明,抽吸槽的存在恶化了叶型攻角特性,总压损失系数平均升高了70%。通过附面层抽吸可以明显地减小栅后气流尾迹,改善叶型攻角特性。与原始叶型相比,当各工况抽吸流量处于实验最佳值时,吸附式叶型总压损失系数平均降低了20.5%,叶型扩散因子在来流为设计进口马赫数0.6时平均提高了70.7%。     

叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响

采用Bezier曲线控制涡轮叶片前缘形状由圆弧形改为非圆弧形,用数值计算方法研究涡轮叶片前缘形状对其气动性能影响.首先以基元叶型为研究基础,数值模拟分析、比较不同基元叶型前缘形状在不同攻角下对涡轮叶栅性能影响.对于正常运行的攻角范围(-15°~+10°),由于非圆弧形前缘表面曲率半径增大较缓,减小了前缘表面流动的法向压力梯度,抑制过度膨胀,减小由摩擦力引起的能量耗散,损失减小,且非圆弧形曲率半径越大,提高性能效果相对越好.而在非设计工况的大攻角条件下,前缘曲率半径缓慢增大将导致叶型分离更严重,损失相对增加.其次以某5级低压涡轮作为验证实例,数值研究分析认为,非圆弧形前缘形状可改善叶片前缘流动特性,提高涡轮效率,但对于远离设计点的非设计工况,由于气流攻角的大幅度改变,会带来涡轮气动性能的负面影响.      

基于曲率优化的14参数平面叶栅设计方法

为了避免型线曲率不连续所导致的气动损失,提出了一种基于曲率优化的平面叶栅设计方法,共包括了对气动性能有显著影响的进出口几何构造角、喉部宽度、弯折角,对强度有较大影响的前/尾缘半径、最大内切圆半径、位置等14个独立参数.分段表征了平面叶栅的压力面、吸力面型线,为保证其光顺性,利用基于优化的方法通过调整内切圆半径的夹角,实现了压力面、吸力面型线的曲率连续.进行了平面叶栅的设计,结果表明文中提出的方法可以灵活进行平面叶栅的设计.     

超声速来流基元叶型前缘加工误差气动敏感性分析

为研究叶型前缘加工误差对叶栅气动性能敏感性,以NASA Rotor 67转子70%叶高截面基元级叶型为研究对象,选择Clamped型非均匀B样条曲线实现叶型前缘数学描述。采用单因素法建立叶型前缘加工误差模型,提炼出叶片弦长误差、前缘轮廓度误差、几何进气角误差三个误差模型;随后结合L9(34)正交实验及数值模拟方法研究超声速来流条件下三维直列叶栅不同前缘误差类型对叶栅气动性能的敏感性。正交实验极差分析及显著性分析均表明:前缘轮廓度误差FP是影响叶栅气动性能的主要影响因素(75%以上可能性),叶栅性能随前缘轮廓度增加呈现恶化趋势,即叶型前缘越厚,叶栅总压损失越大,扩压能力越小。进一步分析轮廓度误差对叶栅性能影响机制得出:激波损失是叶栅性能随轮廓度误差加大而恶化的重要原因。     

亚声叶型前缘形状对压气机气动性能的影响

数值研究了四种亚声叶型前缘(平钝前缘,尖锐前缘,偏压力面前缘和偏吸力面前缘)形状偏差对压气机气动性能的影响。结果表明:四种偏差叶型的最小损失系数与原型相近,平钝前缘在叶根处的低损失攻角范围最小(降低了21.02%);偏压力面和偏吸力面前缘的角度范围与原型接近,但偏压力面前缘的负攻角范围减小,偏吸力面前缘的正攻角范围减小;尖锐前缘低损失攻角范围与原型相近。前缘形状偏差影响堵塞流量,偏压力面前缘堵塞流量降低最多(降低了0.80%);尖锐前缘和偏压力面前缘喘点压比与原型相近,平钝前缘和偏吸力面前缘喘点压比略低,各方案最高效率值相近;平钝前缘偏差对前缘马赫数分布影响最大,前缘形状偏差对进、出口相对气流角和叶片D因子影响不大。试验中应避免使用平钝前缘偏差叶型,或同一排叶片安装偏压力面与偏吸力面前缘偏差叶片。     

端壁组合射流对高速扩压叶栅损失特性的影响

提出了一种端壁组合射流技术以控制进口马赫数0.67的高速扩压叶栅端区流动。通过前缘射流旋涡可以增强端壁附面层与主流间的流体交换,阻碍横向二次流动,减小角区低能流体堆积;而采用角区射流注入能量能够进一步减弱吸力面侧流动分离。以上组合控制方法可较单独采用前缘或角区射流更有效减小栅内损失,提高其气动性能。当角区射流位于近吸力面侧的分离起始位置附近时,其改善栅内流动的效果最佳;远离吸力面的端壁射流则可抑制端区低能流体横向迁移及其与分离区流体间的相互作用,但其减小损失的效果弱于近吸力面侧的射流。随着射流总压比的增加,组合射流减小损失的效果先增加后减小;过大的总压比会加剧射流与来流间的掺混损失,使得叶栅气动性能恶化。当射流总压比为1.2时,损失减小最大可达12.6%,而射流流量仅相当于叶栅进口流量的0.64%。     

基于主/被动联合控制技术设计的高负荷扩压叶栅内部流场结构研究

为进一步优化设计工作做准备,以基于主/被动联合控制技术设计的高负荷扩压叶栅作为研究对象,在进口为高亚声速的条件下,利用数值模拟的方法,详细研究了冲角变化对扩压叶栅壁面流谱以及气动损失的影响。结果表明,负冲角下,后列叶栅内部存在较大尺度的角区分离流动,构成叶栅损失的主要来源;随着冲角增加,流经串列叶栅近端壁处缝隙流道内流体的相对动量增强,后列叶栅角区分离流动受到抑制,端区二次流动损失降低,+3°冲角下,上、下20%叶展区域内总压损失分别降低了4.4%、6.8%,但前列叶栅叶型分离流动加剧,主流区损失增加;合理协调端壁附面层抽吸技术与串列叶栅技术的应用是提升高负荷扩压叶栅全工况气动性能的关键。     

加工误差对2 维叶型损失系数影响的数值分析

叶片加工时由于公差和误差等原因其形状和尺寸往往会偏离设计状态,由此对叶片的气动性能造成严重影响。为了找到其中的规律,发展了1套简便可行的误差函数,在此基础上得到考虑了加工误差后的实际叶型。通过数值模拟得到了实际叶型的气动性能,并对其进行统计分析,验证了所采用的误差函数是可行的。计算了实际叶型的设计参数(如弦长、前尾缘半径、进出口金属角、最大厚度及其位置等),发现最大厚度和前缘半径的变化是导致实际叶型气动性能发生变化的最重要原因。在不同公差下,计算得到最小损失系数的概率密度函数,结合不同设计对叶型气动性能的不同要求,可用于评估设计和选取性价比最高的加工方式。     

基于曲率分布控制的叶型前缘设计方法

为了实现对压气机叶片的优化,提出了一种基于曲率分布控制的前缘造型方法,实现了对叶型前缘曲率的直接、精确控制。将该造型方法应用于某工业级压气机的可控扩散叶型（CDA）上,通过数值仿真方法计算了叶型在设计来流马赫数下的全攻角工况性能。结果显示增加前缘曲率能有效拓宽许用攻角范围,减小尖峰扩散因子,在相同攻角下能削弱前缘吸力峰,抑制甚至消除前缘分离泡,避免提前转捩的发生。同时,调整曲率分布使其在靠近前缘点处尽可能"饱满"、减缓曲率下降速度,也有同样的效果。理论分析发现前缘曲率通过调整静压分布影响边界层发展起始流态,从而影响叶型性能。设计前缘几何形状时需要确保曲率连续性,调整曲率分布以减小前缘吸力峰的强度,避免分离诱导转捩的出现。     

轴向超声速通流串列构型弦长比对气动性能影响的数值研究

为避免高马赫数、大攻角来流引发的叶片颤振,将串列叶片技术引入到超声速通流风扇叶栅中,对其进行串列改型及气动性能研究。利用准二维数值模拟,对串列叶片前、后排叶片的弦长比参数进行了详细的对比研究。结果表明：影响气动性能的关键因素是后排叶片进口压力侧激波的落点,在本文研究条件下,随着弦长比的减小总压损失呈减小的趋势,当弦长比由0.99减小到0.43时,设计攻角下,15°折转角叶型总压损失可减小27%,30°折转角叶型总压损失可减小38%。进一步的研究表明,通过减小弦长比可有效控制后排叶片前缘斜激波在相邻叶片吸力侧的落点以实现损失降低,并且这种降低效应在小弯角叶型上比大弯角叶型更容易实现。     

基于中弧线曲率控制的压气机叶型优化

为提高压气机叶型优化设计水平,基于中弧线曲率控制方法编写了压气机叶片造型程序,将中弧线曲率控制参数作为优化变量,结合粒子群寻优算法对传统可控扩散叶型(CDA)进行了优化研究。结果表明:基于中弧线曲率控制的叶片造型程序能够对CDA叶型进行较好的拟合,拟合叶型的气动性能与设计要求较符。优化叶型在设计点的总压损失降低了约6.34%,优化叶型总压损失随攻角变化较为平缓。在一定攻角范围内,叶型中弧线曲率峰值的前移能够将吸力面马赫数峰值前移,提高叶型吸力面的扩压能力,降低总压损失。在大攻角工况下,改进的中弧线曲率分布能够显著降低叶型总压损失。将中弧线曲率控制参数作为优化变量进行CDA叶型的优化是可行的。     

某压气机静叶基元叶型优化设计及实验

为了得到更加适合压气机静叶的叶型以降低气动损失,提取了静叶中径处的叶型,通过平面叶栅实验获得了原叶型的损失特性,发现原叶型气动损失较高,需要通过合理匹配设计参数来降低损失。为此,搭建数值优化平台在约束空间内搜寻气动损失更低的叶型,目标函数的构建综合考虑了多个冲角下的总压损失系数以提升叶片的变工况性能。优化结果显示：目标函数值降低了约9%,进一步实验研究发现,在实验涉及的整个马赫数和冲角范围内优化叶型比原叶型具有更低的总压损失系数,设计工况总压损失系数较原型叶型下降了31.3%,提升了叶型在正冲角边界附近的抗失速能力,设计进口马赫数正4°冲角下气流折转角增加1°。通过对实验结果的深入分析,解释了叶型性能提升的机理,对工作在相似环境的叶型设计及多目标优化方向给出了建议。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配技术

本文提出一种新的叶轮机气动设计自由度——缘线匹配技术。缘线匹配是指相邻两叶排中前排叶片后缘线与后排叶片前缘线的空间关系,更准确地说是其相位角关系。叶片尾缘线表征了叶片出口气流的分布型,它囊括了尾迹、激波、二次流等所有影响,另一方面,叶片前缘线代表了其对上游流场的势干扰。定常气动设计体系只能部分考虑叶片缘线的相互影响,大部分则被忽略了,然而在非定常框架下,相邻叶排缘线所代表的相互影响是显著的。本文首次提出了叶轮机非定常设计的缘线匹配技术,并通过理论分析及直列涡轮叶栅的非定常数值模拟结果展示了缘线匹配技术在未来提高叶轮机气动性能、气弹性能、气动噪声和热传导性能上的潜在能力。作者认为,缘线匹配技术将使叶轮机的非定常气动设计具有真实而可操作的内容,是叶轮机非定常气动设计的核心技术之一。      

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。      

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.