变攻角下孔隙射流对高负荷扩压叶栅气动性能的影响

本文对采用孔隙射流的某大折转角雎气机叶栅进行了实验研究．给出了不同攻角下叶栅流道内的静压分布、表面极限流线以及出口流场的气动参数,通过在不同叶高处开孔探讨了孔隙射流位置对大负荷扩压叶栅气动性能的影响。实验结果表明,孔隙位置对端壁静压的影响不大;开多孔方案对叶栅气动性能的影响要强于单孔方案：在设计攻角下,孔隙射流能够改善角区流动,同时降低叶片中部损失,单孔方案的最佳开孔位置位于25％相对叶高处,质量平均能量损失系数相对原形叶栅降低4．75％,开多孔方案巾能量损失相对原形叶栅最多降低5．52％：在负攻角下．孔隙射流导致叶栅性能下降,而在正攻角下,孔隙射流大幅提高叶栅性能,能量损失系数相对原形叶栅最多降低12．7％。     

端壁合成射流对高负荷扩压叶栅损失特性的影响

利用端壁合成射流技术对高负荷扩压叶栅内的流动分离控制展开数值研究,探讨其改善损失的作用机理及影响因素。研究结果表明,端壁合成射流可以显著提升叶栅气动性能,使总压损失最大降低21.63%,静压升提高5.60%。射流形成的流向射流旋涡通过上洗/下洗作用促进了端壁附面层与主流高速流体间的动量交换,阻碍了通道涡向叶展中部的迁移、削弱其展向影响范围,并通过流向动量注入效应增大了激励缝下游流体的能量,从而推迟流动分离、降低叶栅损失。激励位置和射流角度是影响端壁合成射流作用效果的重要参数,当激励位于角区分离线上游附近且射流角度较小时,流动控制效果最佳。此外,提高射流动量也有助于增强其控制流动分离的能力。     

不同攻角下端壁射流旋涡控制扩压叶栅分离流动研究

为了研究端壁射流旋涡对扩压叶栅分离流动及性能的影响,采用数值模拟的方法,对不同攻角下带有端壁射流的50°折转角扩压叶栅进行了研究。结果表明:具有最优射流结构的旋涡发生器有效减弱了叶栅角区分离,零攻角下出口总压损失降低了8.9%;随着攻角的上升,射流对扩压叶栅气动性能的改善越显著;射流产生的旋涡可阻挡端壁低能流体向吸力面的迁移,并将主流流体卷入角区,角区流体动量增加、流动分离减弱,但旋涡与端壁二次流的掺混使得10%叶高以下的损失略微增大;射流参数决定了射流旋涡与吸力面的相对位置以及旋涡强度,对射流控制栅内流动分离效果有重大影响,需合理选择。     

缝隙扩压叶栅近壁流场与流动损失实验

为了探索缝隙射流对高负荷扩压叶栅气动性能与近壁流场结构的影响机制,实验研究了设计冲角下有/无缝隙结构的高负荷弯曲扩压叶栅近壁流场结构与出口气动损失分布规律,获得了叶片近壁压力场数据、流动图谱以及叶栅出口流动损失参数.结果表明,缝隙两端压差导致的从叶片压力面到吸力面的射流能够增加附面层高熵流体的能量,缝隙射流将局部积聚的低能流体及时引向主流,减小高熵流体在叶展中部或端区掺混撞击,抑制了栅后尾迹高熵流体的过度聚集,从而有效提高高负荷压气机叶栅气动性能.     

涡轮叶栅端壁二次流动与换热的V2F模拟

针对低展弦比涡轮叶栅端壁区亚声速流动及换热,采用基于线性涡黏假设的V2F模型开展了数值模拟.结果表明：涡轮叶栅流动中存在马蹄涡、通道涡、压力侧角涡、吸力侧角涡等多种复杂涡系结构,其中马蹄涡与通道涡是涡轮叶栅二次损失的主要来源.端壁换热与马蹄涡及通道涡强度及位置直接相关,并呈现明显的分区特征.端壁极限流线结果显示,V2F模型模拟的端壁单马蹄涡分离线与实验结果吻合,优于SST （shear stress transport）k-ω模型模拟的端壁双马蹄涡分离线.V2F模型引入了新的湍流尺度,在马蹄涡及通道涡位置、端壁静压损失系数分布、叶栅出口总压损失分布及端壁Standon数分布等方面均与实验结果吻合较好,对叶栅气动损失及端壁换热有良好的预测能力.     

端壁射流对压气机叶栅角区分离控制的研究

为了研究端壁射流对压气机叶栅端壁角区分离控制的可行性和有效性,以压气机叶栅为研究对象,基于数值模拟方法对不同射流角和射流比控制参数下的计算工况进行了对比和分析。研究结果显示:端壁射流可以有效地控制角区的分离和降低叶栅损失,提高了叶栅的流通能力;控制效果受射流角和射流比的影响,只有射流控制参数大于临界射流角和临界射流比时,角区分离的控制效果才会显著,在10°射流角和0.23%的射流比条件下可以获得33.4%的相对叶栅损失增益;端壁射流在较大射流比下可以有效削弱通道涡、角涡的强度,阻断了其与尾缘脱落涡的接触,降低了涡系间相互作用导致的高损失影响;由于流道角区阻塞度的减小,叶展中部截面的损失和出气角会有少量增加。     

出流结构对涡轮导叶端壁气膜冷却数值研究

通过对涡轮叶栅端壁上游不同气膜冷却结构模型进行数值模拟,得到了不同吹风比情况下,涡轮叶栅端壁的流动与换热特性。结果表明：圆柱型孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成一对转动方向相反的耦合涡,对涡轮叶栅端壁的气膜冷却效果不利。前向扩张孔降低了孔下游耦合涡的强度,对涡轮叶栅端壁总体气膜冷却效率要优于圆柱型孔。前向扩张缝结构增大了射流宽度,冷却了孔间端壁,对涡轮叶栅端壁总体气膜冷却效率要优于圆柱型孔和前向扩张孔。     

出流结构对涡轮叶栅端壁气膜冷却效率数值研究

通过对涡轮叶栅端壁上游不同气膜冷却结构模型进行数值模拟,得到了不同吹风比情况下,涡轮叶栅端壁的流动与换热特性.结果表明:圆柱形孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成一对转动方向相反的耦合涡,对涡轮叶栅端壁的气膜冷却效果不利.前向扩张孔降低了孔下游耦合涡的强度,对涡轮叶栅端壁总体气膜冷却效率要优于圆柱形孔.前向扩张缝结构增大了射流宽度,冷却了孔间端壁,对涡轮叶栅端壁总体气膜冷却效率要优于圆柱形孔和前向扩张孔.      

高负荷压气机叶栅开缝射流分离控制效果研究

为了控制高负荷压气机叶栅分离,设计了一种弧线型缝隙射流方法,通过叶栅实验予以验证。结果显示,缝隙射流显著的减小了叶栅尾缘分离的宽度,提高了分离区内的气流速度,降低了叶栅流动损失;抑制了叶栅内复杂的端壁二次流,使出口流场更加均匀。在0°,3°和6°攻角下,叶栅的平均损失系数降低了7.0%,32.1%和32.3%,平均气流转折角提高了4.02°,3.59°和1.78°。在-3°攻角下,平均气流转折角提高了0.59°,但叶栅损失系数提高了12.3%。可见在分离条件下,缝隙射流极大提高了叶栅气动性能,但在无分离条件下会引起额外的损失。在整个攻角范围内,开缝叶栅保持了不低于原型叶栅设计点的静压升系数,且稳定工作范围扩宽了至少3°攻角。     

孔式抽吸对带间隙高负荷压气机性能的影响

实验研究了端壁孔式附面层抽吸对带间隙的高负荷直列叶栅流动特性和气动性能的影响,通过三种附面层抽吸方案与原型方案的对比分析,探讨了附面层抽吸抑制间隙流动、减小损失的机理。对叶片表面和下端壁进行了墨迹流动显示,并利用五孔探针对叶栅出口气动参数进行了测量,对比分析了叶栅流道内的流场特征和损失分布。结果表明,在间隙内布置抽吸孔能有效降低间隙流动动能,削弱间隙流与主流之间的相互掺混作用,减小因间隙流动引起的端壁区域流动分离,从而达到对三维流动分离的抑制,有效降低损失,且最大降幅达16.7%;间隙流动引起的流动分离和损失在流道中占主导地位,尽管在端壁沿周向合理布置抽吸孔能在一定程度上抑制近端壁的附面层或二次流发展,但这种局部效应仍不能显著改善叶栅的整体性能;端壁上不合理的抽吸控制策略反而可能影响主流的正常流动,导致损失增加,其中方案4损失增加了约3%。     

气膜孔喷气对涡轮气动性能影响的实验研究

为了认识气膜孔喷气对涡轮叶栅气动性能和流场结构的影响,应用涡轮平面叶栅风洞,实验测量和分析了在叶片表面不同位置气膜孔喷气情况下涡轮叶栅流场与性能,实验中气膜孔气流采用与涡轮叶栅相同的空气介质。实验结果表明,前缘气膜孔喷气使得涡轮叶栅损失随喷气流量增大而单调增大;但是,叶片压力面和吸力面气膜孔喷气对涡轮叶栅损失影响规律是复杂的,由于叶片表面不同位置流动特点的不同,在叶片表面不同位置的气膜孔喷气对涡轮叶栅流动损失和流动结构等的影响也是不相同的。     

涡轮叶栅前缘上游端壁气膜冷却的流场实验研究

对前缘上游端壁有单排和双排孔冷却的大尺寸低速涡轮导向叶栅进行了气动测量、热示踪和端壁流场显示,在吹风比1～3范围获得了叶栅内的详细流场、冷气的空间分布和端壁上的流动图案。结合先前测得的没有冷却时的流场数据,这些结果表明端壁气膜冷却对叶栅流场结构有重大影响,吹风比是主宰射流与二次流间相互作用的主要因素,双排孔喷射使冷气比单排孔喷射更贴近端壁。低吹风比喷射冷气不能到达压力面并被二次流逐渐卷离端壁;中吹风比喷射有效的抑制了二次流的形成,并使端壁流线偏向于无粘流流线,冷气很均匀的覆盖在端壁上。      

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。     

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.     

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。     

冷气喷射对直叶栅型面压力分布影响的实验研究

对一个具有典型涡轮导向器叶片型线的直叶栅,由叶片表面不同位置以不同的质量流量比喷射冷气,进行型面压力分布变化规律的实验研究。结果表明,前缘正对来流方向喷射冷气时压力变化较小。压力梯度和主流速度的不同使得压力面喷射冷气对压力分布的影响要小于吸力面喷射冷气时的情况。冷气射流对主流的滞止作用所造成的压力升高值比卵型涡导致的压力降低值小。从型面压力降低程度可以定性看出不同位置喷射冷气时卵型涡强度的大小。     

带尾缘劈缝冷气喷射的涡轮叶栅性能实验及计算

通过平面叶栅实验和CFD数值计算方法,研究了叶片尾缘全劈缝冷气喷射下涡轮叶栅流场和气动性能。试验和计算发现,在冷气喷射条件下用不同损失系数描述涡轮叶栅性能,结论明显不同,用考虑冷气能量的能量损失系数评价气冷涡轮叶栅性能较为准确和客观。在较小的冷气流量下,劈缝冷气喷射使叶栅能量损失降低,尾缘劈缝冷气喷射可改善近尾迹区域的流动,减小尾迹亏损,降低尾迹掺混损失。尾缘劈缝冷气射流方向偏向叶片某型面,则尾迹损失峰值朝此型面偏移。     

大转角反弯叶栅气膜冷却实验研究

对大转折角气冷涡轮直、反弯叶栅出口流场进行了不同位置10排孔喷气及多排孔喷气等26套冷却方案测量。结果表明,无冷气喷射时反弯叶栅内损失高于直叶栅;压力面、吸力面近尾缘处喷气可降低叶栅损失;反弯叶栅前部多排孔气膜冷却的损失增加值要低于直叶栅,后部多排孔喷气则可降低叶栅损失。      

横向加速度对飞行发动机绝热层烧蚀影响的实验研究

设计了实验发动机与实验装置,进行了一系列飞行固体火箭发动机横向过载模拟试验,获得了不同加速度下发动机内绝热层烧蚀率定量化的试验数据。验证了横向加速度严重影响局部绝热层烧蚀的事实。机理分析表明,此种结果是由于横向加速度作用下燃气中Al₂O₃液态粒子偏离发动机中心线,沿离心力方向大量沉积所致。此项研究为相关的工程设计提供了基础性的依据。