低雷诺数涡轮叶片边界层转捩及分离特性测量

低雷诺数工作条件下涡轮流场特征及其控制设计,是航空发动机低压涡轮部件设计的难点和重点。针对低雷诺数涡轮叶栅流场开展了实验研究工作,利用油流显示、表面静压、边界层压力探针等测量手段研究了涡轮叶片边界层的分离和转捩。结果表明雷诺数降低导致了流动损失的增大,且存在一个临界雷诺数。当雷诺数小于临界雷诺数时,发生在吸力面的流动分离是开式的层流分离泡,不会再附与叶片;当雷诺数大于临界雷诺数时,分离流会在尾缘前重新附着于叶片吸力面,形成闭式分离泡。随着雷诺数的减小,出口尾迹变宽,出口流动损失、出口速度亏损和出口气流角偏离增大,尾迹中心向吸力面方向移动。     

低雷诺数亚声速扩压平面叶栅试验

采用试验方法研究了某亚声速扩压叶型叶片表面和尾迹区气流在低雷诺数条件下的流动特点,获得了叶型损失系数在不同雷诺数情况下的变化规律.试验结果表明:随着低雷诺数降低,叶片表面马赫数分布以及叶栅尾迹区流动均发生剧烈的变化,叶型损失系数也急剧增大;叶型性能变化的转折雷诺数随进口马赫数增大而增大;低雷诺数下叶片吸力面的流动分离是引起叶栅尾迹特性改变和损失系数迅速增大的主要原因.      

低雷诺数涡轮叶栅损失的实验与数值模拟

发动机涡轮部件在高空低速飞行条件下工作雷诺数降低,其损失显著增大、效率显著降低。应用实验分析与数值模拟相结合的方法,深入认识高空低雷诺数条件下涡轮流动损失的特征和规律,数值计算是基于Jame son中心差分和Runge Kutta时间推进的N S方程计算的有限体积方法。研究表明,随着雷诺数降低,涡轮叶栅流动损失增大,当雷诺数小于42000之后,涡轮叶栅流动损失呈明显增大的趋势。数值计算结果表明在低雷诺数条件下,涡轮叶栅吸力面后部流动产生了分离,这是流动损失增大的主要原因。数值预测的结果与实验测量结果的趋势吻合得相当好。     

定常来流条件下低压涡轮附面层分离流动控制手段的实验研究

高空低雷诺数状态下,低压涡轮吸力面流动分离严重,利用被动控制手段可以有效缓解流动分离,提高叶型效率。为了降低低雷诺数下吸力面的流动分离,实验研究了粗糙度在定常来流条件下对低压涡轮叶型损失及吸力面附面层分离的控制效果。实验依托一台低速叶栅风洞,考察了9种粗糙度控制方案对PACKD-A超高负荷后加载叶型的流动控制效果。实验发现在来流湍流度2.2%,5.0×104~1.6×105的雷诺数测试范围内,覆盖19.5%吸力面弧长范围,粗糙高度(Ra)为20.91μm的粗糙条带是一种最优布置方案。这一优化的流动控制手段可以在一定程度上兼顾降低叶型损失,扩大涡轮叶片正常工作范围的作用。     

低压涡轮叶栅流动分离主动控制实验研究

 实验研究了低雷诺数条件下射流式旋涡发生器(VGJs)控制的低压涡轮叶栅，实验在西北工业大学吹气式低速涡轮平面叶栅风洞中进行,进口雷诺数范围为19 000~260 000，自由流湍流度为1%。实验中对VGJs吹气比为0~8，53%Cx,63%Cx和72%Cx射流位置，0°,30°,60°和90°射流偏斜角度，25 000,50 000和100 000雷诺数状态下叶栅出口流场和表面静压进行了测量。研究发现，VGJs有效地控制了低雷诺数条件下叶栅吸力面的流动分离；VGJs需要一个最小有效吹气比，大于此吹气比时，VGJs效果基本上不变，高吹气比VGJs效果稍微减弱；VGJs射流偏斜角越大，控制效果越好，90°偏斜角效果最好；位置对VGJs效果影响很大，VGJs控制流动分离的最佳位置应该在分离点附近；随着雷诺数提高，VGJs效果减弱，更高的雷诺数，VGJs会增大叶片损失。     

低雷诺数下涡轮转子内部流场的数值模拟研究

采用加入AGS转捩模型的Spalart-Allmaras湍流模型对低雷诺数条件下某涡轮转子内部流场特性进行了数值模拟。分析了雷诺数下降对涡轮内部流场特性的影响,探讨了雷诺数下降对涡轮气动性能的影响特点。计算结果表明,雷诺数下降使涡轮转子叶片吸力面附面层显著增厚,叶片尾缘气流局部分离,并进而严重影响涡轮的气动性能和稳定性。     

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。     

扇形与平面叶栅内高负荷叶片的换热特性实验研究

为了探究扇形与平面叶栅条件下,高负荷叶片的外换热特性,采用瞬态液晶测量技术,测量了雷诺数(Re)、湍流强度(Tu)对扇形叶栅(曲端壁)的小展弦比高负荷涡轮叶片表面努塞尔数(Nu)的影响,并与平面叶栅(直端壁)进行了对比。结果表明,曲端壁相较于直端壁增加了21.5°的径向进气角以及上下端壁曲率不同,从而导致换热沿叶高的不对称分布。雷诺数增大,叶片各位置的换热明显增强,吸力面边界层转捩点位置不断向前缘靠近,雷诺数对直端壁的影响大于曲端壁。随湍流强度增大,努塞尔数整体有所升高,吸力面转捩点位置前移,压力面过渡现象明显增强,中弦部分努塞尔数一维特性更为明显,湍流强度对两类端壁的叶片影响类似。在研究低雷诺数或湍流强度对高负荷叶片的换热影响时,可采用直端壁进行简化,而在高雷诺数时,为了保证结果准确性,需在发动机实际扇形叶栅中进行实验。     

基于流动控制技术的低稠度大负荷涡轮设计

针对基于Pack B叶型的低稠度大负荷涡轮叶栅,采用定常数值模拟方法研究了两种流动控制技术——射流襟翼与Gurney襟翼(圆形、方形和圆弧凸起形)对低雷诺数下涡轮叶栅流动分离损失的控制.结果表明,射流襟翼和Gurney襟翼均可使主流流动偏转,增大叶型的气流转折角,影响叶型载荷系数;由于主流流动的偏转,影响并加速相邻叶型吸力面边界层流动,使得主流对于相邻叶片吸力面后缘处的逆压梯度降低,推迟了边界层层流向湍流的转捩,延长加速区,推迟了边界层分离,使得再附点位置提前,减小由逆压梯度引起的叶型吸力面分离区范围;H=1%的圆形Gurney襟翼和H=0.8%的方形Gurney襟翼均能在保证提高同等水平Zweifel载荷系数值的同时,将能量损失系数降到与设计栅距时相当的水平.     

压气机静叶栅层流分离泡转捩与角区分离数值模拟与实验

采用γ-Reθ转捩模型对某可控扩散叶型(CDA)平面叶栅全攻角范围进行了三维数值计算，通过对比数值计算结果与叶栅实验吻合较好。在此基础上，分析了进口来流湍流度和雷诺数变化对叶栅表面层流分离、转捩以及角区分离的影响。结果表明:进口湍流度低于5%时，吸力面存在层流分离，当进口湍流度大于5%后，层流分离移除，但转捩会一直存在；随着进口湍流度或雷诺数增加，吸力面和压力面转捩位置均会前移；随着进口湍流度增加，吸力面角区分离会有所减小，雷诺数增加对角区分离的影响不大。      

边界层特性对雷诺数变化的敏感性分析

通过对有压力梯度下的边界层进行研究，模拟低压涡轮叶片表面边界层的发展过程，并分析了叶片表面不同负荷分布形式情况下吸力面边界层特性对雷诺数的敏感程度。计算中，分别采用了三种典型的涡轮气动负荷分布形式：后加载、前加载、均匀加载等，并分别模拟了三种不同的雷诺数下的边界层发展情况。结果表明：在同一雷诺数情况下，不同负荷分布形式吸力面边界层发展呈现出明显差异；而不同负荷分布形式下叶片表面边界层特性对雷诺数的敏感程度也不一样，相对而言，均匀加载形式对雷诺数的敏感程度最小，更适应低雷诺数条件下工作。     

Unsteady wakes-secondary flow interactions in a high-lift low-pressure turbine cascade

Detailed experimental measurements were conducted to study the interactions between incoming wakes and endwall secondary flow in a high-lift Low-Pressure Turbine (LPT) cascade. All of the measurements were conducted in both the presence and absence of incoming wakes, and numerical analysis was performed to elucidate the flow mechanism. With increasing Reynolds number, the influence of the incoming wakes on suppressing the secondary flow gradually increased owing to the greater influence of incoming wakes on reducing the negative incidence angle at higher Reynolds numbers, leading to a lower blade loading near the leading edge and suppression of the Pressure Side (PS) leg of the horseshoe vortex. However, the effect of unsteady wakes on suppressing the profile losses gradually became weaker owing to the reduced size of the Suction Side (SS) separation bubble and increased mixing loss in the free-flow region at high Reynolds numbers. Incoming wakes clearly improved the aerodynamic performance of the low-pressure turbine cascade at low Reynolds numbers of 25,000 and 50,000. In contrast, at the high Reynolds number of 100,000, the profile loss at the midspan and mass-averaged total losses downstream of the cascade were higher in the presence of wakes than in the absence of wakes, and the unsteady wakes exerted a negative influence on the aerodynamic performance of the LPT cascade.     

基于表面热膜的超高负荷低压涡轮叶栅附面层特性

利用表面热膜测量了定常来流条件下某超高负荷后加载叶型吸力面附面层的分离流动,并与壁面静压实验结果进行了对比.结果表明,热膜用于超高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量可靠性较高;热膜测得的准壁面剪切应力及相关统计参数能准确地判断附面层分离、再附着和转捩位置;在低雷诺数条件下,分离泡尺寸和转捩区长度随来流雷诺数的减小而增加.     

高负荷涡轮叶栅气动性能试验

在环形涡轮叶栅低速风洞上,对某型高负荷涡轮静叶栅进行了吹风试验.应用五孔球头测针,详细测量了在三个冲角下由栅前至栅后7个横截面内气流参数沿叶高和节距的分布.试验结果表明,沿叶高变负荷结合叶片弯曲,在满足高负荷要求的条件下能够控制边界层的集聚、转捩与分离.在主流区采用前加载叶型,保证叶片能承担高负荷.在两个端壁区采用后部加载叶型,并通过叶片正弯进一步降低气动负荷,从而减小端壁横向压力梯度,削弱端壁横向二次流.正、负冲角仅影响叶片前缘吸力面或压力面的静压分布,引起气动负荷的增加与减小.研究的高负荷涡轮叶栅具有良好的冲角适应性.      

Unsteady experimental and numerical investigation of aerodynamic performance in ultra-high-lift LPT

Detailed experimental and numerical investigations were performed for an ultra-high-lift front-loaded low-pressure turbine cascade (Zw = 1.58) with periodic wakes. The interaction mechanisms between the incoming wakes and endwall secondary flow were carefully examined. Wakes were produced by moving upstream rods, and flow field downstream of the cascade was measured using a seven-hole probe. Experimental results revealed that incoming wakes influenced not only the boundary layer development of the blade suction surface but also the complex endwall secondary vortex structures. On the suction surface: Incoming wakes clearly suppressed the suction side separation bubble at a low Reynolds number of 25000. Nevertheless, the effects of different wake passing frequencies were not significantly different at Re = 100000, and the profile losses under wake passing were even greater than in the absence of wakes. At the endwalls: Incoming wakes more strongly suppressed secondary flow at Re = 100000 than at Re = 25000, because the low-momentum fluid inside the incoming wakes clearly increased the endwall cross-passage pressure gradient at Re = 25000. The experimental results indicated that periodic wakes decreased the passage vortex and counter vortex core strength by 25% and 30%, respectively, at Re = 100000. Instantaneous results also demonstrated that endwall secondary vortices decreased significantly near the position of wakes passing.     

某涡轮导向叶片换热实验与计算

针对某涡轮导向叶片,实验测量了光滑叶片表面的压力系数和速比系数,并使用瞬态液晶测量技术获得了叶片全表面传热系数分布.分别使用shear stress transport（SST）,k-ω,k-ε和renormalization group（RNG）k-ε四种湍流模型模拟了相同结构尺寸的叶栅通道内的流动与换热,并与实验结果进行对比.结果表明:压力面压力系数沿弧长方向逐渐下降,吸力面上压力系数先快速下降达到最小值后缓慢上升（出现逆压梯度）.叶栅通道和叶片表面附近气流流动结构的复杂性导致叶片表面传热系数分布较为复杂.4种湍流模型对压力系数和速比系数的计算结果相互差别不大,计算数据也比较接近实验值.关于叶片表面传热系数,SST模型计算结果分布规律与实验接近,而其他3种湍流模型都没有能模拟出吸力面边界层分离对换热的影响.      

基于表面热膜的超高负荷低压涡轮叶栅附面层特性研究

本文利用表面热膜测量了定常来流条件下某超高负荷后加载叶型吸力面附面层的分离流动,并与壁面静压实验结果进行了对比。结果表明,热膜用于超高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量可靠性较高;热膜测得的准壁面剪切应力及相关统计参数能准确地判断附面层分离、再附着和转捩位置;在低Re数条件下,分离泡尺寸和转捩区长度随来流Re数的减小而增加。     

低雷诺数下离心压气机性能及流动影响的数值研究

对高空低雷诺数条件下低压离心压气机进行了全三维数值模拟,分析了雷诺数对其内部流场的影响.结果表明:随着雷诺数降低,离心压气机的效率、裕度和流通能力下降;影响叶片表面负荷分布,使得转子叶片的做功能力下降;叶片前缘分离区范围增大,二次流增强,分流叶片叶尖泄漏损失增大,主叶片吸力面通道的低速区明显增大,起始位置也向前移动,对展向的影响区域也随之增加.