跨声串列静子叶片匹配特性分析及其优化

以数值模拟的方法对串列叶片的匹配特性展开研究,分析其前后排叶片的工作特点,并在此基础上利用可控扩散叶型(CDA叶型)替换常规叶型,有效提高了叶栅性能.研究结果表明:随来流攻角的变化,前排叶片的工作状态变化很大,并且串列叶栅的可用攻角范围几乎只由前排叶片决定;而后排叶片的攻角由前排叶片落后角确定,同时前排叶片的尾迹在后排主流区中的堆积能够削弱后排叶片中气流扩压的过程,前排分离严重的情况下,后排叶片工作状态反而有所改善.在分析串列叶片工作特点的基础上,以CDA叶型分别替换常规叶型能够取得良好的效果.      

等离子体激励对串列叶栅流动分离抑制效果的数值仿真

为了探究不同等离子体激励布局对串列叶栅角区流动分离抑制的效果,采用数值仿真方法,在流动分离前施加激励,对不同布局激励前后流场的流场结构和总压损失沿流向分布进行对比,分析了等离子体激励布局对串列叶栅角区流动分离的影响,以及激励对串列叶栅气流掺混的影响。结果表明:在来流马赫数为0.5、攻角为4°时,ACU2布局激励对流动分离有较好的抑制作用,总压损失系数减小10.74%;ACU2-ACU5组合激励对抑制后排叶片的角区分离有较好效果,总压损失系数降低25.09%。     

基于并行多点采样策略的串列叶栅多目标优化设计及分析

为了改善高负荷串列叶栅的设计质量,基于改进粒子群算法、Kriging模型的改进并行多点采样策略、物理规划方法三个模块,建立了一套多目标优化设计系统,该系统可以快速实现串列叶栅设计攻角和非设计攻角的多目标优化设计。为了减少多目标优化的计算量,该优化设计系统采用了物理规划方法将多目标优化设计问题转化为考虑设计者经验的单目标优化问题,并基于Kriging模型的改进并行多点采样准则实现了在一次迭代过程并行评价多个样本点的并行优化方法。应用该系统实现了一高负荷串列叶栅的多目标优化,优化后的串列叶栅在全攻角下的总压损失系数减小,静压升增加,在进口马赫数0.7的条件下,在攻角分别为-6°和3°时,总压损失分别降低21%和35%,证明了本文设计的多目标优化系统具有很好的实际应用价值。基于优化设计结果,分析了串列叶栅的5个造型参数:弯角比(TR)、弦长比(CR)、后排近似攻角(KBB)、轴向重叠度(AO)和节距比例(PP)对串列叶栅设计攻角和非设计攻角性能的影响,研究发现大的PP (约为0.9)和负的KBB (约为-6°)有助于串列叶栅实现较优的设计攻角性能,减小串列叶栅前排叶型的负荷,可以改善串列叶栅非设计攻角的性能和扩宽叶栅的稳定工作范围。     

离心压气机级串列叶栅扩压器内流场的数值研究

对某一带串列叶栅扩压器的离心压气机级进行了数值模拟,分析了串列叶栅扩压器后排叶片不同周向位置对压气机级流动及性能的影响.结果表明:串列叶栅扩压器性能优于单列叶栅扩压器,其后排叶片在不同周向位置处效率和压比均优于单列叶栅扩压器,效率提高幅度能达到1.9%,压比的提高幅度为2.85%.串列扩压器分流叶片的周向位置对其内部流动情况有显著影响,两排叶片之间存在一个最佳位置使扩压器损失最小.串列叶栅扩压器的主要损失集中在50%叶高以上的区域.      

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。     

高来流马赫数单列叶栅改串列叶栅性能对比试验

基于某高负荷轴流风扇高临界来流马赫数静叶改型设计的需求,对原型单列叶栅和改型串列叶栅开展性能对比试验研究,通过详细分析两型叶栅内部流场参数,量化评估了串列叶栅在高来流马赫数条件下的改进设计效果.结果表明:串列叶栅比单列叶栅在降低流动损失,提升增压能力方面具有显著优势.相比单列叶栅,设计状态下串列叶栅总压损失系数降低了19％,静压比提高了3.1％,基本缓解了单列叶栅原有设计状态的流动堵塞现象.串列叶栅前排叶片对后排叶片吸力面附面层发展会产生抑制作用,使得后排叶片具有较好的工作性能.     

进口附面层对串列叶栅气动性能的影响研究

为探究进口附面层对串列叶栅气动性能的影响，以高亚声速压气机常规叶栅及其改型串列叶栅为研究对象，基于数值方法对比分析了不同进口附面层厚度对两叶栅的总体性能及三维角区分离的影响。结果表明：随着进口附面层厚度增加，原型叶栅三维角区分离范围沿展向逐渐增大，而串列叶栅三维角区分离范围的增加主要体现在周向。由于进口附面层的存在，串列叶栅前后叶片之间的缝隙射流与近端壁低能流体的相互作用所产生的通道涡、诱导涡及角涡是总压损失增大的主要原因。串列叶栅与原型叶栅相比能有效降低总压损失和提高静压升，然而附面层厚度的增加会减小这一优势；进口附面层厚度相对叶高的比值为0%,5%,12.5%时，串列叶栅的出口总压损失系数较原型叶栅分别降低11.1%,5.5%和4.1%，静压升系数分别提高7.4%,6.5%和6.4%。     

跨声速串列转子失速机制的数值研究

为了解决跨声速串列转子的低裕度问题,就必须了解跨声速串列转子的流场结构与失速机制.设计了叶尖切线速度为450m/s,负荷系数为0.56的高负荷跨声速串列转子.基于数值模拟的结果,分析了该串列转子在0.5mm叶尖间隙下的叶尖流场结构与失速机制,并在此基础上分别探讨了叶尖间隙和前、后排叶片周向位置对串列转子特性的影响和失速机制的变化.结果表明:前排叶片的叶尖区域是 影响串列转子稳定性的关键;随着叶尖间隙的增加,串列转子的失速机制也发生变化,从前排叶片叶尖区域的尾迹与径向潜流堵塞后排叶片通道转变为前排叶片叶尖泄漏流堵塞;在较大周向相对位置(后排叶片压力面周向远离前排吸力面)的情况下,串列转子获得最好的效果,随着周向相对位置(PP)的增加,失速部位从后排叶片转移至前排叶片.      

超声速串列转子三维流场数值分析

为了揭示超声速串列转子流场的流动规律,运用全三维粘性流场计算程序对超声速串列转子的流场进行了数值模拟。结果表明,超声速串列转子可以实现激波增压和气流折转增压的联合应用。串列转子前后排叶片的相互干涉导致后排叶片前缘形成脱体激波,引入了一定的激波损失;前排叶片65%～75%叶高范围内近压力面低速流体区的存在一定程度上限制了后排叶片的增压能力;转子通道内叶尖泄漏流、通道激波和机匣附面层的相互作用造成转子前后排叶片叶尖处的气流落后角增大;串列转子出口静压的升高将削弱转子内结尾激波强度,提高转子气动效率。     

扩压叶栅最佳弯叶片生成线与进口马赫数之间的关系

为了研究扩压叶栅最佳弯叶片生成线与叶栅进口马赫数之间的关系,用优化的方法,在八个不同进口马赫数下对弯叶片生成线(积叠线)的弯角和弯高进行优化,优化的目标函数为叶栅总压损失系数。结果表明:在同一弯角下,弯叶片总压损失系数随弯高的增大而减小,弯高为50%时总压损失系数最小,最佳弯叶片生成线的弯高为50%。在同一弯高下,总压损失系数随弯角增大呈现类似抛物线的形式的变化规律,存在着一个最佳弯角使总压损失系数最小。在不同进口马赫数下,最佳弯角随着进口马赫数的增加而增大,通过三次多项式曲线拟合得到了一个相对准确的最佳弯角与进口马赫数之间的关系。     

叶片正弯对扩压叶栅气动性能的影响

为了研究叶片不同正弯曲角度对压气机叶栅气动性能的影响 ,在平面叶栅低速风洞上 ,对具有可控扩散叶型 (CDA)的直叶片和 15° ,2 0° ,2 5°正弯曲叶片压气机叶栅进行了实验。获得了不同弯曲角度扩压叶栅出口流场的能量损失系数、涡量以及叶片表面静压系数等的分布。结果表明 ,叶片正弯曲 2 0°时叶栅总损失降低最多 ,达16 15 %。正弯曲叶片吸力面形成“C”型压力分布 ,且这种分布随着叶片弯曲角度的增加而加强     

冲角对正弯曲叶片扩压叶栅气动性能的影响

为了研究冲角对正弯曲叶片压气机叶栅气动性能的影响,在平面叶栅低速风洞上,对具有可控扩散叶型(CDA)的直叶片,正弯曲15°和20°弯曲叶片压气机叶栅在0°,±6°和±10°冲角下进行了实验,获得了不同冲角下不同弯曲角度叶栅出口流场的能量损失系数和叶片表面静压系数等的分布。与直叶栅相比,叶片正弯曲后叶栅总损失在所有冲角下均得到了降低,在正冲角下,叶栅端部流动状况得到改善,在负冲角下,叶栅流道中的流动相对于直叶栅改善不明显。直叶栅在10°冲角下发生了遍布整个流道的分离流动,而正弯曲叶片的采用则削弱了流动的分离。     

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。      

稠度对弯叶片压气机叶栅特性的影响

对压气机叶栅中采用弯曲叶片后,叶栅气动特性与叶栅稠度的关系进行了实验研究。结果表明,随叶栅稠度的增加,叶栅损失在大部分冲角下呈增高的趋势。在正弯曲叶栅中,对应最小损失的冲角出现在正冲角下;在反弯曲叶栅中,对应最小损失的冲角为负冲角。为了降低损失,正弯曲叶栅的稠度应低于直叶栅,而反弯曲叶栅在与直叶栅相当的稠度下,具有良好的冲角特性且叶栅损失降低。     

吸附式风扇叶栅流场数值模拟

针对某型高性能风扇第2级转子叶片,采用NUMECA商业软件数值模拟的方法,分析了在叶片吸力面距前缘50％和75％弦长处采用吸气技术前后叶栅总压系数、气流转折角和静压升等方面的变化情况.结果表明:在相同攻角相同Ma下,叶栅总压损失随吸气量的增加逐渐降低;叶栅气流转折角随吸气量的增加逐渐交大;叶栅静压升随吸气量的增加逐渐提高;在6°攻角下,在不同Ma下进行吸气,叶栅总压损失都有所降低.     

采用弯叶片的不同折转角压气机叶栅流场气动性能

实验研究了叶片弯曲对不同叶型折转角环形扩压叶栅气动性能的影响,分析了叶栅出口总压损失和二次流速度矢量分布,并给出了壁面静压分布及壁面墨迹流动显示结果。研究结果表明,叶型折转角越大损失分布的对称性越差,根部损失增加明显;弯曲角度和叶型折转角的增大将使得正弯叶栅吸力面反“C”型静压分布加剧,60°叶型折转角叶栅中径处负荷随叶片弯曲角度变化的敏感性强,大弯角时气流易分离,导致总损失激增;综合来说,对比直叶栅,正弯15°叶栅在各种叶型折转角正弯叶栅中减小损失效果最好。     

叶片弯曲对叶顶间隙流动影响的实验研究

详细测量了直叶栅与正、反弯叶栅叶顶间隙中分面以及叶栅前、后横截面内气动参数分布,并对壁面（包括上、下端壁与叶片表面）流场进行了墨迹显示。对比３ 套叶栅的实验结果发现：叶片正弯削弱了泄漏流与端壁流道内横向二次流,泄漏涡与上通道涡合并,二次涡分离由整体分离转变为局部分离,既减少了相对漏气量又降低了掺混损失;叶片反弯加强了泄漏涡与上通道涡的相互作用,虽然使相对漏气量减少,但却增大了掺混损失。     

前、后排叶片相对位置对串列转子性能的影响

在折合叶尖切线速度381m/s条件下,利用跨声串列转子技术实现了总压比2.25,负荷系数高达0.55的风扇转子设计。基于数值模拟结果,分析了串列转子前、后排叶片周向和轴向几何相对位置的变化对各自其整体性能的影响及原因。研究结果表明:前、后排几何相对位置的变化改变了后排叶片堵塞系数及其进、出的轴向速度和气流角,因而改变了速度三角形,导致了串列转子整体及各排叶片速度三角形及特性的变化;对于前、后排叶片最佳几何相对位置的选择,当后排叶片在前排叶片弦向上有0.1～0.15倍弦长的重叠时、后排叶片在周向上较为靠近前排叶片压力面时,串列转子能够获得较高的气动性能。     

从叶片表面静压分布分析弯曲扩压叶栅的能量损失

对常规直叶片、正弯曲叶片及反弯曲叶片组成的３种平面扩压叶栅的叶片表面静压和出口流场在－５°,０°,５°及１０°四个攻角下进行了测量,并给出了叶片表面静压分布特性及出口流场的能量损失分布特性。本文试图从叶片表面静压分布来分析弯曲扩压叶栅的能量损失机理,探讨不同弯曲叶片在扩压叶栅中应用的变工况性能。