涡流发生器对高负荷扩压叶栅性能影响的机理分析

为探明涡流发生器流动控制技术对高负荷扩压叶栅性能影响及作用机理,根据高负荷扩压叶栅的流动特点,提出了在叶栅入口端壁处加涡流发生器的流动控制方案,通过计算研究了采用涡流发生器前后叶栅气动性能、附面层及主要旋涡结构的变化。研究结果表明:采用涡流发生器后,叶栅正攻角下的气动性能显著提升,总压损失减小,静压升增大,稳定工作最大正攻角从3°增加至5°,其中在3°攻角下总压损失系数下降0.028,静压系数提升0.033;涡流发生器生成的尾涡阻挡端壁附面层由压力面向吸力面的横向迁移,使吸力面/端壁区域聚集的低能流体减少,改善了角区流动;采用涡流发生器后,通道涡、集中脱落涡和壁角涡减弱,角区分离得到抑制。     

端壁抽吸位置对压气机叶栅角区分离控制的影响

以某高负荷压气机叶栅为研究对象,应用数值模拟方法探索了叶栅端壁不同抽吸位置对角区流动结构、通道漩涡发展过程以及叶栅性能的影响规律,寻求控制角区分离的可行方法。研究结果表明:在叶栅前缘上游5%C(弦长)位置实施抽吸,延缓了通道涡的形成,但导致叶栅来流攻角发生改变,在角区形成角区分离涡,并且该漩涡与通道涡相互促进,进一步恶化叶栅流场,导致叶栅落后角增大,损失增加;在叶栅通道激波后25%C端壁抽吸,吸除了上游端壁积累的高熵低能气流,制约了通道涡的迅速发展,改善了叶栅通道的流场结构,降低了流动损失,但并未对上游流场产生较大影响,是一种可行的方案。然而25%C处抽吸后,未能完全消除分离,在端部与叶栅通道主流之间存在较高损失区域。     

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%。     

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。     

高速压气机叶栅旋涡结构及其流动损失研究

为揭示高亚声速来流条件下压气机叶栅内部流动特性,对高速压气机叶栅通道内旋涡结构和流动损失的产生与演变规律进行研究。首先建立了数值仿真模型并用实验验证,然后详细研究了叶栅通道内主要旋涡结构、拓扑规律和旋涡模型,最后分析了叶栅通道内流动损失与旋涡结构的内在联系。高速压气机叶栅通道内主要存在马蹄涡、端壁展向涡、通道涡、壁角涡、壁面涡、集中脱落涡和尾缘脱落涡7个集中涡系,通道涡由端壁来流附面层中发展而来,是角区复杂旋涡结构的主要诱因;攻角由0°增大为4°,通道涡的涡核更早地脱落端壁附面层向角区发展,但对角区流动的影响减弱,叶片尾缘未形成明显的集中脱落涡。伴随着集中脱落涡的消失,叶栅固壁面拓扑结构中,叶片尾缘吸力面上没有出现与集中脱落涡对应的分离螺旋点,并且与叶中脱落涡层相对应的分离线和再附线消失,尾缘脱落涡仅包含近端区的一个分支。由总压损失沿流向和展向的变化规律,叶栅通道流动损失主要来源于角区复杂旋涡结构引起的强剪切作用,近端壁区的总压损失与角区主要涡系结构的生成和发展密切相关;攻角由0°增大至4°,角区旋涡的影响能力变弱,近端区流动损失减小,与叶中部位总压损失的差异缩小。     

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.     

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°。      

不同攻角下双孔射流旋涡发生器对高速扩压叶栅端区流动的影响

为了探究不同攻角下单孔以及双孔射流旋涡发生器(VGJs)对高速扩压叶栅气动性能的影响和作用机理,采用数值模拟的方法对栅内气动性能参数以及端区流动分布进行了较为详细的分析。数值结果表明:单孔以及同向双孔射流均具有较好的变攻角特性,随着攻角的增加控制效果先显著增加然后略微降低,在2°攻角条件下,VGJs使得总压损失降低最为明显,单孔射流达到11.0%。反向双孔射流的控制效果较差,在-4°攻角条件下甚至出现了3.9%的总压损失增长。采用射流旋涡发生器,射流旋涡(JV)将通道涡分成两部分,靠近吸力面的次生通道涡(PVⅡ)很快汇入角区,端壁展向涡(SV)消失,吸力面分离被推迟,但吸力面上的展向运动显著增强,叶栅通道内的二次流动得到有效控制。     

针对轴流压气机的非轴对称端壁造型优化设计

针对某轴流压气机构建了一种新的非轴对称端壁造型,该造型可通过抑制角区分离来达到减小通道内二次流损失的目的。首先,在设计工况下,针对基准叶栅建立非轴对称端壁的自动优化设计方法。然后,在设计和非设计工况下,用NUMECA/Fine turbo模块分别对基准叶栅和优化叶栅进行定常流场计算。结果表明,两种工况下,优化叶栅有效抑制了角区分离,原因为非轴对称端壁造型改变了通道内的涡系结构;优化叶栅出口截面总压损失系数显著降低,叶栅出口气流角更加均匀和平衡。     

大子午扩张涡轮扇形叶栅变工况性能实验研究

为了研究大子午扩张低压涡轮变工况下的流动性能,分别对大子午扩张低压涡轮的两套不同的扇形叶栅进行气动实验研究。在设计进口气流角条件下,分别进行不同高亚声速马赫数出口变工况实验研究;在出口马赫数不变的条件下,完成变攻角实验。分析了大子午叶栅流动损失特点和二次流的影响规律。结果表明:大子午扩张实验叶栅出口存在两个明显的高损失通道涡,上通道涡位于展向1/3位置,远离上端壁,且强度明显大于下通道涡。随着马赫数增加,叶栅出口流动损失增加了15%。大子午扩张涡轮端壁曲率影响近端壁叶片的压强分布和变工况敏感性,优化端壁曲率将有助于流动状态的改善。     

设计工况下反弯叶栅出口流场的实验研究

采用五孔探针对常规直叶栅、正弯叶栅及反弯叶栅的出口流场进行了详细实验研究,结果表明反弯叶片能够减少叶片两端负荷,从而改善了两端壁区域的流动,采用反弯叶片可有效地减少叶栅中流动损失,提高叶栅流通能力,因此反弯叶片可望用于改善压气机的流动性能。     

不同周向位置端壁翼刀对压气机叶栅损失影响的实验研究

在低速大尺寸叶栅风洞上通过详细测量叶栅流场,研究了叶栅端壁上不同周向位置处加装端壁翼刀对压气机叶栅损失和二次流的影响。实验结果表明,合理选择翼刀安装位置,可有效地控制压气机叶栅的二次流,降低叶栅的总损失。进一步对实验方案中叶栅总损失最小的翼刀位置的叶栅内流场进行了测量,分析了安装翼刀后流场内涡系结构的变化,探讨了翼刀涡的形成和发展变化。      

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％。     

翼刀附面层控制二次流技术的研究现状及发展前景

翼刀技术是附面层控制技术的一种，主要是通过有效阻断端壁附面层或叶片吸力面附面层近端壁处低能流体的横向迁移或径向迁移以及反向翼刀涡的影响来控制二次流。国外对此项研究起步较早，重点集中在对汽轮机叶栅的实验研究上；而国内在近几年，才开始了对压气机叶栅中应用翼刀技术的实验和计算研究工作。     

三维扩压叶栅通道涡数值模拟

本文介绍了三维扩压叶栅通道涡的一种简单数值模拟方法,对椭圆方程采用抛物化处理后进行计算,简单、省机时省存贮。文中采用这种方法对一种近似扩压叶栅的特殊扩压管道进行了计算,旨在定性分析扩压叶栅的通道涡。叶栅通道涡由四部分组成,在直列静叶栅中吸力面根、顶部工作情况恶劣,对环形静叶栅通道吸力面根部情况最不好,因此改善静叶栅通道流动状况应主要解决吸力面根部的流动,而采用弯叶片是解决这一问题的重要手段之一。      

叶栅三维流场的实验研究

本文通过流动显示和详细测量,研究了叶栅中的三维流动。在平面叶栅风洞中,对非平直端壁的大弯度压气机叶栅所完成的测量,包括沿叶高的叶型表面上气流参数分布和叶栅通道中的整个流场。为了进行对比和详细研究端壁效应,还对二维叶栅完成了同样的测量内容。对所观察到的复杂流动现象进行了分析。实验结果还与叶栅全三维无粘流计算进行了对比。本文所获得的完整的三维流场实验数据,为建立叶栅流动模型,研究小展弦比叶栅中气流展向掺混的机理,以及为检验全三维流动计算方法提供了可靠的依据。      

等离子体气动激励抑制压气机叶栅角区流动分离的仿真与实验

进行了等离子体气动激励抑制低速压气机叶栅角区流动分离的数值仿真研究,并进行了实验验证.小攻角情况下,叶片吸力面角区流动分离导致显著的尾迹总压损失.来流速度为50 m/s(雷诺数为223 000)时,等离子体气动激励可以有效的抑制角区流动分离,降低总压损失.激励电压、频率分别为10 kV和22 kHz时,50%叶高处的尾迹压力分布基本不变,60%和70%叶高处的最大总压损失分别减小了13.83%和10.74%.增加激励电极组数或激励电压,可以增强抑制效果.      

射流旋涡发生器控制大折转角扩压叶栅二次流

将射流旋涡发生器引入到某折转角为60°的扩压叶栅端壁二次流控制中,研究了射流方向和射流总压对扩压叶栅气动性能及栅内流动的影响.结果表明:当射流旋涡发生器侧向倾角为0°时,仅采用不足扩压叶栅进口流量0.5%的射流流量,即可显著减少栅内损失.射流旋涡有效阻碍和推迟了通道涡发展,在下洗侧将主流流体卷入端壁附面层内,而在上洗侧将低能流体带入主流中,从而减少了角区低能流体聚积,减弱了吸力面的分离流动.当射流进口总压采用与扩压叶栅进口相同的总压时,总压损失减小21.5%,且射流进口总压越大,其控制效果越明显.      

轮毂修型对压气机静子角区堵塞的影响

针对压气机静子角区分离产生堵塞的现象,开展了静子轮毂修型的研究.通过对实例静子不同方案的数值模拟,验证了轮毂修型可以有效的抑制角区分离,从而降低轮毂区域的堵塞.其中,对实例静子根部分离点处进行的轴向轮毂修型,可以使静子叶栅出口的堵塞量降低20.4%,静子10%叶高处总压恢复系数从原来的0.89提高到0.948.      

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。