U型槽对高负荷低压涡轮叶型攻角特性影响

以某高负荷低压涡轮叶型为研究对象,分析了该叶型在低雷诺数下的攻角特性,并应用了表面嵌壁式U形槽的被动控制方法来提高该叶型的攻角裕度.数值模拟的结果表明:相比较大的正攻角流动状况,叶型较大的负攻角并不会引起吸力面大的流动分离,从而减小了叶型损失;表面嵌壁式U型槽通过推迟分离、加速再附来减小分离泡甚至减小湍流湿面积,从而降低叶型损失;表面嵌壁式U型槽能否提高该叶型的攻角裕度与开槽位置和深度有关系,在±15°攻角范围内72%轴向弦长位置处开槽明显的降低了叶型损失而开槽深度为0.40mm时叶型损失最小.      

开槽叶片对大转角扩压叶栅性能的影响

采用从压力面向吸力面开槽的局部流动控制方法,设计了一种收敛转折型的槽道结构.实验对不同冲角下开槽叶栅的进、出口流场进行了测量,利用实验结果对数值模拟结果进行了校核,通过数值计算进一步得到了详细的叶栅通道内流场情况,并进行了结构静力分析.结果表明:在4°进气攻角下,开槽后叶栅尾迹区宽度减小了16.7%,总压损失系数峰值减小了6.07%;在6°进气攻角下,总压损失系数峰值减小了14.7%.叶片开槽从压力面吸入的气流可有效加速吸力面附面层流动,抑制吸力面分离,从而降低总压损失,增大静压比,扩大稳定工作范围.槽道前壁面的转折处存在应力集中,需要进行改进.      

可控扩散叶型的扩稳优化

采用正问题方法,将叶型几何参数化、叶型性能分析程序与遗传算法相结合,对某传统可控扩散叶型（CDA）进行叶型损失和攻角范围的综合性能优化设计。结果表明:优化叶型与原叶型具有相近的设计点损失,而其攻角范围由原来的11°增大至17.5°,其中负攻角范围增大了近4.5°。另外,优化叶型的损失随攻角变化也更为平缓,意味着可以在更为宽广的攻角范围内保持稳定的性能。分析表明:吸力面速度峰值位置由原叶型40%弦长处前移至20%弦长处,增加了减速区的长度,使减速更为平缓,是正攻角裕度增大的主要原因。负攻角裕度增加有两方面原因,优化叶型喉道面积增大且喉道位置与设计点吸力峰值位置错开,具有较大的堵塞裕度;压力面前部区域速度较为平缓,甚至略微加速,直至30%弦长后才开始减速扩压,避免了因压力面前缘处的较大速度尖峰以及随后的持续扩压导致附面层的过早分离。      

斜沟槽型处理机匣对压气机性能影响的数值研究

采用数值模拟方法,研究了不同沟槽深度和开槽位置的斜沟槽型处理机匣对压气机气动性能的影响。结果表明,叶尖间隙较小时,与光壁机匣相比,机匣处理后压气机堵点流量提高,最大效率基本不变,稳定工作裕度下降;叶尖间隙较大时,机匣处理后压气机最大效率不变,堵点流量、压比和稳定工作裕度提高。适当减小开槽点与转子叶尖前缘距离,可在不损失效率的情况下提高压气机近失速点压比。斜沟槽型处理机匣对流动的影响:一是流通面积增加和斜坡带来的收缩通道作用,有助于缓解叶尖流动堵塞,降低损失;二是机匣突然升高造成后台阶流动分离,造成较大的总压损失和效率下降。     

亚声速压气机平面叶栅雷诺数影响试验

采用降低试验压力减小试验叶栅弦长雷诺数的方法,研究了UKG030.3压气机叶型叶片表面和尾迹区域气流随雷诺数、马赫数及攻角变化的流动特性,获得了表面等熵马赫数、总压损失系数等参数随雷诺数的变化规律。试验结果表明：弦长雷诺数减小到一定程度时,叶片吸力面峰值马赫数位置之后会逐渐呈现流动分离气泡产生、分离气泡扩大至分离气泡破碎的过程;长分离气泡出现以后尾迹宽度和叶型总压损失突然急剧增大,但损失突增所对应的临界雷诺数并不一致;叶型总压损失和弦长雷诺数经地面状态参数比值处理以后可以发现,总压损失比突增位置处于0.4倍弦长雷诺数比附近。     

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%。     

大弯角开槽叶栅槽道位置与结构研究

为拓宽大弯角扩压叶栅可用攻角范围,优化叶片吸力面流动分离结构,本文以一大弯角叶栅为研究对象,对叶片采用压力面到吸力面打通的双“C”型槽道结构处理,在保持槽道长度及其他参数不变的条件下,设置85%、80%、75%、70%轴向弦长四个出口位置研究槽道出口位置对叶栅性能的影响。研究发现,特定攻角下,槽道出口位于吸力面角区分离线起始点之后、尾缘分离线之前,对吸力面流动分离的控制效果较佳;在全攻角范围,槽道出口则取在0o攻角对应较佳出口位置为好。为减小槽道内总压损失,本文提出了一种“SC”型槽道改进结构,在80%轴向弦长槽道出口位置处与双“C”型槽道以及原型叶栅进行对比。结果表明,“SC”型槽道结构相比于双“C”型槽道结构,叶栅尾迹损失及槽道内总压损失减少,槽道出口射流速度提高,叶片尾缘处静压升高;相比于原型叶栅则能有效降低其在全攻角范围内的总压损失,基本消除叶片吸力面附面层分离,削弱角区分离,提高叶栅的扩压能力。     

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°。      

槽道进气角和转折角对叶栅流场特性影响的研究

数值模拟了槽道进气角和转折角对开槽叶栅流场特性的影响.结果表明,槽道出口射流可以吹除叶片吸力面尾缘附面层分离气流,改善叶栅性能;存在使叶栅性能提高最大的最佳槽道进气角,随槽道进气角增大,槽内气流将因槽道几何转折角增大而增加流动损失,从而减小气流出口速度,降低其作用效果;当槽道进气角较小时,由于槽道进出口两端静压差减小,槽道对气流的加速作用下降,射流的作用效果也将降低.      

变工况下超高负荷低压涡轮叶片边界层被动控制

以某超高负荷低压涡轮叶型为研究对象,利用数值模拟的方法通过改变来流雷诺数、自由来流湍流强度和攻角等工况,研究了其对叶片边界层特性的影响,并通过在叶片吸力面加凹槽、矩形拌线、圆形拌线等被动控制方式来改善叶型性能,结果表明:随着雷诺数的增大叶型损失逐渐降低;随着自由来流湍流强度的增加叶型损失先减小后增大;随着攻角向负攻角方向变大叶型损失先减小后增大,向正攻角方向变大时叶型损失迅速增大;在雷诺数和湍流强度变化时表面凹槽的控制方式较好,而攻角变化时加矩形拌线和圆形拌线的控制方式较好.3种被动控制方式促发转捩提前发生抑制分离泡,但都会引起湍流湿面积的增加.      

从压力面到吸力面开槽后叶栅特性的数值分析

用CFD方法对某叶型开槽前后的流场进行了数值模拟, 初步研究表明通过在压力面到吸力面开槽能有效控制和延缓叶栅吸力面附面层的分离, 从而增大气流的转折能力, 降低总压损失, 扩大叶栅的稳定工作范围.通过开槽处理, 改变了叶栅表面的静压分布, 使叶栅前段、后段的负荷增大, 小槽进口附近的负荷减小.      

开槽位置和槽道结构对叶栅性能的影响

基于利用小槽出口射流控制叶片吸力面尾缘分离气流的思想,为进一步研究开槽位置和槽道结构对叶栅性能的影响,设计了三种叶片开槽处理方案,用CFD方法对开槽前后的流场进行数值模拟分析.计算结果表明,小槽出口射流可以有效吹除叶片吸力面尾缘分离气流,控制和延缓附面层分离,从而增大了气流转折角,降低了总压损失,提高了叶栅流场稳定性,并且叶片开槽位置和槽道结构对叶栅性能也有较大的影响.     

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.      

基于改进粒子群算法的串列叶型优化设计

为了提高串列叶型优化设计的质量,设计了一套基于改进粒子群算法的串列叶型自动优化系统。研究了原始粒子群算法,提出了一种粒子群算法的改进方法。结果发现,改进粒子群算法的收敛速度和收敛精度明显优于原始粒子群算法和遗传算法。以50°大弯角串列叶型为研究对象,使用程序对串列叶型参数化。以叶型参数和串列叶型相对位置的参数作为优化变量,结合BP神经网络和改进粒子群算法对串列叶型进行优化设计。优化结果表明,优化后的叶型在设计攻角时的总压损失系数降低了22%,静压比升高了0.6%,在负攻角时,优化后的叶型的流动性能得到了明显改善。适当减小串列叶型前后缘的半径可以减小叶型的损失,合理的缝隙结构可以有效减小前排叶型压力面和后排叶型吸力面附面层的分离损失。     

叶根开槽叶栅对角区分离的控制

吸力面/端壁角区的分离是轴流压气机流场中固有的现象。本文采取在叶根处开槽的方法,利用压力梯度从叶片压力面向叶片吸力面引入一股射流增加分离区的能量,从而减缓分离。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下槽的位置、大小和形状对扩压叶栅性能的影响,计算结果初步表明,在非设计工况下适当位置、大小和形状的槽可以有效地减小角区分离。     

端壁抽吸控制下攻角对压气机叶栅叶尖泄漏流动的影响

为减少叶尖泄漏损失并改善由泄漏涡造成的叶尖流道堵塞,对端壁流向开槽抽吸方案对扩压叶栅叶尖泄漏流动的控制效果进行了数值模拟研究,重点分析了来流攻角对流动控制效果的影响。结果表明:端壁抽吸方案通过直接影响叶尖泄漏流的发展,减弱泄漏涡强度,减小了泄漏损失;抽吸对负攻角和小攻角下叶栅流场的影响范围仅局限于叶尖区域。但在大的正攻角下,抽吸使得低叶展区域的附面层分离提前,且叶背分离涡脱落位置升高至约70%叶高处,端壁抽吸对叶栅的整体影响由泄漏损失降低和分离损失增大综合决定。抽吸量为07%时,抽吸后叶栅总体总压损失系数分别在-8°、0°和+4°攻角下降低约90%、108%和68%,而在+8°攻角下增大约57%。     

变攻角下被动射流旋涡对高速扩压叶栅性能的影响

对被动射流旋涡(PJV)控制高速扩压叶栅内的流动分离控制展开数值研究,并探究其在变工况条件下的适应特性。结果表明,PJV在设计攻角下可使叶栅总压损失系数降低5.2%,变攻角条件下的损失降低幅度最高可达7.8%,表明其具有较高的控制效率和良好的变工况适应特性。随着攻角的增大,吸力面分离位置提前,射流出口与分离区间的距离减小,PJV能够更为有效地促进附面层内低能流体与主流间的动量交换,使得壁面涡结构得到重新组织,并进一步影响通道涡、集中脱落涡等涡系结构的发展,从而推迟流动分离、减小损失。在综合考虑变攻角流场特性的前提下,应使PJV的作用位置位于分离区上游不远处,所研究的最佳射流位置位于叶片前缘上游40%轴向弦长处。      

可控扩散叶型与双圆弧叶型实验对比研究

为对比不同压气机叶型的流动特征,在高亚声速平面叶栅风洞内对相同设计速度三角形的可控扩散叶型和双圆弧叶型进行了平面叶栅实验,对两套叶型的表面马赫数、尾迹总压等参数分布进行了测量。实验结果表明:设计点可控扩散叶型总压损失比双圆弧叶型小近1倍,出口气流角小2.0°;在吸力面气流分离前,出口气流角随攻角和马赫数变化小于1.0°,尾迹核心区位置保持不变;双圆弧叶型吸力面近尾缘存在一定区域气流分离,受分离区影响,随进口马赫数增加,出口气流角变化达到4°,尾迹核心区移动了近20%栅距。     

低雷诺数效应对某可控扩散叶型性能的影响

为研究雷诺数效应对叶栅流动的影响,对某可控扩散叶型的平面叶栅流动进行数值模拟,计算在叶弦雷诺数分别为1×106,7.7×104,1.6×104,7.2×103和3.4×103条件下的不同攻角的流动情况,研究雷诺数对叶栅总压损失系数和攻角特性的影响。对叶栅性能和流场特性进行了分析,结果表明随着雷诺数的降低,叶栅流动的总压损失系数不断上升,低损失攻角范围逐步减小。      

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。