根部开槽对叶栅三维角区分离的控制研究

三维角区分离是压气机静子叶栅中固有的流动结构,对压气机性能有着重要的影响。本文对一PVD叶栅和一NACA65叶栅,在分析其通道内流动机理的基础上,提出了在叶片根部从压力面向吸力面开槽的控制角区分离的方法。数值研究了槽道出口位置对PVD叶栅性能及角区分离的控制作用,发现在保持槽道其他参数不变的情况下,存在一最优位置使得叶栅攻角特性最优;结合计算及实验测量的方法,验证了NACA65叶栅中叶根开槽控制角区分离的有效性。两个叶栅研究结果表明:叶根开槽可有效控制角区分离,减小叶栅损失,增大叶栅扩压能力,拓宽叶栅可用攻角范围。     

高负荷叶栅角区分离的叶片端区开槽实验研究

为了契合新一代高负荷压气机的发展需求,基于我们课题组前期提出的叶片端区开槽重构端区流场的新思路,进一步完善了槽道设计方法,并对一高速高负荷叶栅(扩散因子0.55)的角区流动控制进行了实验研究。首先基于控制理念及数值模拟的优化结果,得到了端区20%叶高开设两个槽道的控制方案;进一步采用实验测量了在马赫数0.59来流条件下多个不同攻角时叶片端区开槽的控制效果。结果表明,叶片端区开槽可有效重构叶片端区流场,抑制高负荷工况下开式分离的产生,改善多工况下叶片的气动性能,提高叶片的负荷承载极限;槽道出口产生的射流具有工况自适应性,可有效拓宽叶片有效工作攻角范围。     

端壁射流对高速扩压叶栅性能的影响

采用角区端壁射流控制某进口马赫数为Ma=0.67的高速平面扩压叶栅流动分离。研究了射流轴向位置和角度对叶栅气动性能的影响,结果表明:通过对角区内注入能量可有效减弱流道后部的流动分离,仅采用相当于主流流量0.6%的射流气体,可使得叶栅出口总压损失系数降低10.0%。位于角区内分离起始位置处的射流控制效果最佳;随着角度的增加,射流与来流间的冲击和掺混损失增大,近叶展中部的分离流动加剧,使得流动控制效果减弱。     

吸气槽道形状对扩压叶栅性能的影响

数值模拟了低速条件下吸气槽道宽度、角度变化对采用附面层吸除技术的大转角扩压叶栅气动性能影响。结果表明,附面层抽吸具有显著降低叶栅损失,改善流动,增加负荷及扩压能力等优点;吸气量相同时,槽道宽度增加可进一步改善角区流动并减小叶栅两端部损失,吸气角度变化则对吸气槽道出口压力有较大影响,为非均匀槽道宽度设计及工况变化时有效控制吸气量提供了设计自由度。     

端壁横向射流对高速扩压叶栅性能的影响

通过数值模拟研究了不同射流缝长度以及射流总压比对端壁横向射流抑制横向二次流动和减小损失作用效果的影响,结果表明:采用与流向具有一定夹角的横向射流可有效抑制端区二次流动,减少角区低能流体堆积,推迟吸力面流动分离,提高出口气流角均匀性。仅采用不足叶栅进口流量0.3%的射流气体,就能使总压损失系数降低11.3%。增加射流缝长度的或者提高射流总压均可增强其减弱分离流动的效果,但射流与横向二次流相互作用导致的冲击和掺混损失也增大。     

双射流结构环量控制涡轮叶栅的性能EI北大核心CSCD

对将双射流引入高压涡轮导向器叶栅进行了二维数值研究。在叶栅出口为高亚声速和超声速条件下,对三种具有不同曲率尾缘的环量控制叶栅,采用在吸力面和压力面各加一股射流的双射流方式对叶栅的气动性能进行探讨。结果表明:叶栅出口气流马赫数为0.6和1.1时,采用双射流方案取得了好于单射流的出口气流角和膨胀比,但由于多加了一股射流,能量损失有所增加;马赫数为0.85时,单射流结构的环量控制涡轮叶栅气动性能已经比较好,再加入一股射流对叶栅的气动性能没有明显改善;双射流条件下,压力面射流后方存在低压区,使得在叶栅尾缘曲率较大时,吸力面射流也保持了较好的附壁效果。     

双射流结构环量控制涡轮叶栅的性能

对将双射流引入高压涡轮导向器叶栅进行了二维数值研究。在叶栅出口为高亚声速和超声速条件下,对三种具有不同曲率尾缘的环量控制叶栅,采用在吸力面和压力面各加一股射流的双射流方式对叶栅的气动性能进行探讨。结果表明:叶栅出口气流马赫数为0.6和1.1时,采用双射流方案取得了好于单射流的出口气流角和膨胀比,但由于多加了一股射流,能量损失有所增加;马赫数为0.85时,单射流结构的环量控制涡轮叶栅气动性能已经比较好,再加入一股射流对叶栅的气动性能没有明显改善;双射流条件下,压力面射流后方存在低压区,使得在叶栅尾缘曲率较大时,吸力面射流也保持了较好的附壁效果。     

局部附面层抽吸对高负荷扩压叶栅流动特性影响

在低速条件下实验研究了局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅内流动特性的影响。实验对叶栅壁面进行了墨迹流动显示,并采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面参数,得到了该截面的二次流速度矢量分布。结果表明,吸力面两端附面层吸除能有效减小角区三维分离、抑制通道涡发展,而在吸力面中部抽吸不能有效抑制角区三维分离流动;在角区分离线起始位置后采用吸力面两端吸气方式时,吸气量越大流动改善的效果越好,其余方案时吸气量变化对流动影响较小。     

端壁射流控制扩压叶栅内流动的参数研究

以50°折转角扩压叶栅为对象,数值研究了端壁射流参数对栅内分离流动的影响规律。结果表明:端壁射流可以有效减弱扩压叶栅内的流动分离,马赫数为0.23时最高可降低9.5%的总压损失;射流诱导旋涡可以阻止通道涡的横向迁移,并将主流高能流体卷入角区,角区流体动量增加;流向涡的位置与强度对控制效果有较大影响,其合理位置是叶栅前方、靠近吸力面,并且强度应适中以避免过大的掺混损失;在入口高马赫数条件下也取得了良好的效果。     

来流附面层对大转角扩压叶栅气动性能的影响

实验对比了低速条件下抽吸来流附面层前后某大转角扩压叶栅性能的变化。在叶栅壁面进行了墨迹流动显示,并对叶栅出口截面参数进行了测量。结果表明,入口附面层主要影响的区域是损失比较严重的吸力面/端壁角区。减薄大转角扩压叶栅的入口附面层可有效抑制栅内端壁附近的横向二次流、抑制角区分离、降低损失。当吸气量为入口流量的2.5%时,总...     

抽吸布局对弯曲叶栅气动性能的影响

为了充分发挥附面层抽吸对叶栅流动的控制作用,通过数值模拟,将两种典型的附面层抽吸槽布局与不同弯曲叶片相结合以研究复杂三维气动布局对扩压叶栅气动性能的影响。全叶高的吸力面抽吸能有效抑制吸力面中部的附面层发展,对降低叶栅主流损失最为有效;结合一定的叶片正弯曲,在叶片吸力面吸除进口流量2.27%的流体,最优的弯曲吸附式叶栅能将主流损失下降37.35%;但吸力面抽吸对角区分离的控制作用有限,裕度并未得到有效拓宽。紧贴于吸力面的端壁抽吸能有效吸除端区的低能流体,通过对角区分离的针对性控制,有效拓宽叶栅的工作范围;结合较小的叶片弯曲,仅在端区吸除进口流量1.48%的流体,便可将叶片的有效正攻角提高129.7%。     

射流旋涡发生器对高速扩压叶栅端区流动的影响

在进口马赫数Ma=0.67的高速平面扩压叶栅端壁采用射流旋涡发生器以控制其二次流动。数值模拟结果表明:射流旋涡可有效抑制端壁附面层横向迁移,增强端区与主流间的流体掺混,从而显著减弱角区低能流体堆积,推迟吸力面侧流动分离,减少栅内损失,增强气流折转能力。随着来流冲角的增加,栅内损失减小越明显,当i=4°,仅采用相当于叶栅进口流量0.2%的射流量,即可使得总压损失减小高达13%。     

孔隙射流位置对直扩压叶栅壁面静压及流谱影响

对带有孔隙射流的某大折转角直扩压叶栅性能进行了实验研究,分析了不同位置孔隙射流对壁面静压及极限流线的影响.结果表明,孔隙射流能够改善角区流动,同时降低叶片中部损失;最佳开孔位置位于25%相对叶高处,总压损失系数相对无孔隙射流叶栅降低4.9%;孔隙位置对端壁静压的影响不大.     

压气机叶栅端壁射流/抽吸流动控制的实验研究

本文以压气机叶栅为研究对象,在Re=2.4×10~5的情况下,开展了端壁射流/抽吸对于压气机叶栅的损失分布与旋涡结构的研究。结果表明,端壁射流与抽吸都能够显著减弱角区分离。位置与角度是射流的关键因素,当射流位置选取在分离线的渐近线时,角区分离能够得到最优的抑制,能够减少总压损失达22.7%。抽吸流动控制中,位置选取是较为关键的因素,但其对位置的敏感性要弱于射流。     

高负荷扩压叶栅非对称附面层抽吸数值研究

本文研究了某大折转角扩压叶栅单侧端壁开孔抽吸附面层对该叶栅气动性能的影响,数值方法经过了实验校核,抽吸位置位于靠近吸力面的端壁处,沿着叶栅的弦长方向共划分了四个抽吸方案,计算域包括下空腔。研究结果表明:在角区分离点处进行端壁附面层抽吸能够明显地改善抽吸侧角区的流动情况,达到推迟分离和降低损失的效果,但对未抽吸侧角区有不利影响,具体表现为分离提前、角区范围增大。     

双孔VGJs对高亚音扩压叶栅端区流动的影响

本文采用数值模拟的方法研究了单孔以及双孔射流旋涡发生器(VGJs)对高亚音速(Ma=0.67)压气机叶栅内气动性能的影响,同时对双孔射流参数对控制效果的影响进行了分析,并对控制前后栅内流场以及主要旋涡结构的变化进行了详细的探讨。计算结果表明:采用单孔以及同向双孔射流均有效的降低了总压损失系数,增强了气流折转能力,有效的改善了端区流动。相对距离对VGJs的控制效果影响较小,但对倾角的变化较为敏感。单双孔射流的控制机制基本一致,采用射流旋涡发生器后,端壁附面层横向迁移被有效的抑制,通道涡、集中脱落涡,壁面涡以及壁角涡被削弱,同时在吸力面侧形成诱导涡,附面层分离被推迟。     

柯恩达表面形状对环量控制涡轮叶型性能影响

采用商业软件ANSYS CFX研究了具有圆形和椭圆形柯恩达表面的环量控制叶型在不同射流速度下的流场和性能。结果表明:小的射流速度和大的柯恩达表面型线曲率是导致射流分离的主要因素,采用高速射流绕流大曲率柯恩达表面能够获得较大气流角和膨胀比,但同时带来较大的能量损失,叶栅气动性能与柯恩达表面形状和射流条件密切相关。     

变稠度条件下仿生学前缘结状突起对压气机叶栅性能的影响

本文以某压气机平面叶栅为研究对象,采用数值计算的方法,在不同稠度条件下,分别研究仿生学前缘结状突起在零攻角和正攻角时对叶栅性能的影响。结果表明,零攻角工况时,各稠度条件下的仿生学叶栅总压损失系数都有一定的增大,性能恶化;8°正攻角工况时,波长等于9.6%c的前缘结状突起在各稠度条件下都能有效降低总压损失系数,改善叶栅性能,在设计稠度下(S=2)效果最显著,损失系数降低了约18.8%;仿生学前缘的作用机理:结状突起诱导产生的成对流向涡与通道中的分离流动相互作用,包括涡系结构之间的抵消作用和动量的输运,从而延缓分离,提高叶栅性能。     

槽道构型对吸附式叶栅损失及流场结构的影响

在既定附面层抽吸位置与抽吸量下,借助数值模拟的方法探讨了计及抽吸腔室时抽吸槽道构型对某大折转角吸附式叶栅气动损失以及流场结构的影响。研究结果表明,宽槽方案可增强端区抽吸能力,改善吸附式叶栅的通流性能,同时,由于吸入进抽吸流路内的流体速度减小,抽吸流路内的熵增变小,总损失以及附面层抽吸功耗明显降低。顺流抽吸角度过大时,会减弱端区抽吸能力,造成通流损失增加,但计及抽吸流路影响时,适当地将槽道方向朝向来流可削弱抽吸流路内产生的流动损失,进而降低总损失以及附面层抽吸功耗。     

等离子体对大折转角扩压叶栅性能的影响研究

探讨了等离子体影响扩压叶栅性能的机理,提出了一种考虑等离子体能量注入、可较全面评价等离子体改善叶栅流动所带来收益的损失评价方法。研究表明,等离子体可有效控制栅内流动分离、减小尾迹掺混,30kV电压下叶栅总压及能量损失分别减小12．3％和9．6％,同时等离子体也增加了壁面附近摩擦损失,分离区前施加流动控制时其效果变弱;等...