高负荷弯曲扩压叶栅中旋涡流动的研究

在不同冲角下,采用五孔探针对三种大弯角压气机叶栅流场进行了详细测量,并利用数值模拟研究了流动分离和旋涡结构对弯叶栅气动性能影响.结果表明,叶栅流道内旋涡由多涡结构向单一涡结构转变的趋势明显,叶片正弯曲加强了近吸力面涡系径向掺混作用;高负荷压气机叶栅中采用正弯叶片,必须抑制中部流动恶化.     

端壁凹槽控制扩压叶栅角区分离的数值研究

为揭示端壁凹槽控制高速扩压叶栅角区分离、降低叶栅气动损失的物理机制,采用数值方法研究了高速扩压叶栅NACA65-K48附加具有不同轴向位置和横向长度的端壁凹槽时叶栅的流场结构和气动特性.结果 表明:叶栅出口总压损失系数最大降低8.08％,静压升约提高0.67％.近端壁气流在凹槽内部诱导出复杂旋涡结构,该旋涡结构反过来为...     

大转角透平叶片弯曲形状对叶栅损失增长和分布的影响

对具有大转角的常规直叶片、正弯与反弯叶片的三套大尺寸、低展弦比的矩形叶栅进行了低速风洞实验,详细测量了栅前三个、栅内六个和栅后一个轴向垂直面内的气动参数.实验结果表明,与常规直叶片相比,叶片的反弯曲削弱了马蹄涡和通道涡的强度,并抑制通道涡向叶栅中部发展,从而避免了上、下通道涡的汇合.因此,反弯叶片叶栅中的二次旋涡损失显著降低,流动特性大为改善.     

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。     

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。     

端壁翼刀降低叶栅损失机理的实验研究

通过实验研究和拓扑分析的方法,分析了安装端壁翼刀后的压气机叶栅内流场的旋涡结构和演化过程.结果表明,安装翼刀后,在翼刀的安装位置产生了一对方向相反的旋涡,通道涡的强度减弱;马蹄涡的吸力面分支与叶栅吸力面相交的位置向下游推移,沿叶高向叶片中部流动的范围缩短,进而叶栅吸力面壁角区的流动得到了改善,降低了叶栅总损失.     

低速扩压叶栅中分流叶片的作用与设计

本文采用数值方法,研究在几何大弯角扩压叶栅中,分流叶片的主要设计参数(长度和周向位置)对叶栅气动性能的影响。对比具有不同分流叶片轴向长度和周向偏置的叶栅气动性能,结果表明:分流叶片的主要气动作用是增加气流折转角,提高叶栅的做功能力,而不增加叶栅内流动损失。分流叶片长度大于主叶片表面流动分离区长度时,分离叶片才能起到作用。分流叶片向主叶片吸力面偏置15%节距,对抑制边界层分离的作用更好,流动损失较低。     

吸力面小翼对扩压叶栅旋涡结构的影响

本文采用经过实验校核的数值模拟方法对某压气机动叶原始叶型和吸力面叶尖小翼叶型流道旋涡结构进行了详细分析.结果表明,原始叶栅流道中存在四个旋涡,即上通道涡、下通道涡、下集中脱落涡和叶顶泄漏涡。吸力面叶尖小翼的应用使得叶栅流道内的旋涡结构发生了变化,叶尖小翼抑制了叶顶泄漏涡的强度,从而使得上集中脱落涡得以出现,同时还使得叶顶泄漏涡的衍生涡被撕裂成两个衍生涡.正是由于叶尖小翼改变了叶栅流道内的旋涡结构,使叶栅流场的气动性能得到了改善.     

鼓包前缘叶片在环形叶栅中应用的探索

鼓包前缘叶片具有特殊型式的前缘。本文对所选的初始叶型进行鼓包前缘造型,采用三维CFD数值模拟方法,探究鼓包前缘叶片对环形叶栅气动性能的影响,并初步探寻鼓包前缘叶片对流场的影响机理及规律。计算结果表明:在大攻角的情况下,鼓包前缘叶片可以明显改善环形叶栅的流场结构,减小叶栅分离区范围,可使总压损失系数减小约15%。环形叶栅势流区近S1流面的叶栅损失减小约35%。说明鼓包前缘叶片可以显著提高环形叶栅的气动性能。     

前缘加微小平板对压气机叶栅气动性能的影响

随着叶轮机械技术的发展,抑制叶栅内流动分离的研究已成为叶轮机械气体动力学的一个重要方向。本文在叶栅翼型NACA 64-A905前缘附近加装微小平板来抑制叶栅流动分离,在不同进口马赫数条件下研究了微小平板长度及安装位置对压气机叶栅气动性能的影响。结果表明:叶栅气动性能对微小平板长度和位置变化十分敏感,在叶栅翼型前缘点吸力面正上方合适位置处加装长度为3%～6%弦长的小平板后,可以有效抑制流动分离,失速工况下叶栅气动性能得到显著提高,总压损失系数最大可降低43.5%;当Ma大于0.6时,流动控制效果减弱,叶栅总压损失系数增大。     

压气机叶栅壁面拓扑和二次流结构分析

本文从涡动力学原理出发，根据实验测量和流场显示结果，对压气机平面叶机的壁面拓扑和叶栅二次流结构进行了研究．由叶栅壁面拓扑分析和二次流结构可知，叶栅的通道涡较强，出口集中脱落涡和角区分离泡的存在，造成了叶栅两端区较高的二次流损失，并且随叶栅来流冲角的提高，旋涡出现破裂，二次流损失进一步提高．     

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%。     

深凹槽式涡轮叶顶间隙泄漏直列叶栅实验研究

在低速风洞实验台,对具有不同深凹槽结构平面叶栅在不同间隙尺度条件下的流动特性进行了实验研究。实验采用五孔气动探针和高灵敏度及高精度的压力扫描阀测量了叶栅出口截面的气动参数,对比分析了总压损失的展向分布,并在叶栅端壁和叶片表面进行墨迹显示。结果表明,深凹槽式叶顶结构应用于本文研究的叶栅上是可行的。深凹槽尾缘开口有利于降低叶顶间隙泄漏损失,凹槽前缘开口对前缘附近局部流动产生一定影响。对整个流动通道涡生成影响不如泄漏流作用强,并且尾缘开口与前缘开口开度的匹配对叶顶间隙泄漏损失有明显的影响。     

压气机叶栅通道中二次流动对三维角区分离流动的影响

本文数值模拟研究了不同攻角下压气机PVD叶栅中的复杂流动情况,分析了叶栅通道中的二次流对三维角区分离流动的影响。结果表明:马蹄涡在压气机叶栅通道中的发展不明显并且在叶栅通道中很快耗散,因此对三维角区分离影响不大;而通道涡是压气机叶栅通道中主要的二次涡,增强了三维角区分离流动现象,增加了气流总压损失。     

叶片端部孔隙结构对透平叶栅气动性能影响的试验研究

减小叶片端部的二次流动能够显著减小叶栅的流动损失.本文通过分析叶栅二次流动的机理,提出了一种减小二次流损失的结构─叶片端部的孔隙结构.并通过试验验证了合理的孔隙结构能达到减小二次流损失的目的.本文分别研究了在透平叶片端部不同位置的孔隙结构对透平叶栅气动性能的影响.发现对于小尺寸的孔隙结构,其对流动控制的能力有限,尽管如此,其还是能够达到减小损失的目的.本文进行了五个攻角下的孔隙结构实验,结果表明:端部前缘孔隙结构与原始叶栅相比,不同攻角下的总压损失分别减小了2.4%、6.8%、6.8%、3.6%、2.7%.本文工作为提高透平叶栅气动性能提供了一种新思路.     

高负荷压气机叶栅分离与流场结构研究

通过流动显示及静压测量,对不同冲角下、三种叶型弯角的环形压气机直、弯叶栅近壁面区域的流动分离及旋涡结构进行了实验研究.结果表明,近吸力面的气泡分离与转捩取决于叶栅型面静压分布;随叶栅负荷增大,流动分离形式由闭式分离逐渐向开式分离发展,流动分离的对称性逐渐减弱;减少涡系与涡系、涡系与附面层之间的相互作用及掺混可以有效拓宽正弯叶片的应用范围.     

叶片弦向开缝抑制分离的数值分析

本文对弦向开缝的某大转角压气机叶栅的气动性能进行了数值分析.结果表明,合理的弦向开缝能够有效抽吸吸力面附近的低能流体、改善型面的压力分布,从而控制吸力面附近的边界层发展并减弱低能流体的阻塞和尾迹宽度,降低流道中的分离损失,总压损失最大降幅可达15.8%.另外,文中重点计算并分析了吸气点E和回气点F位置、开缝的展向位置等不同参数对流动结构、气动性能的影响,这能为开缝式叶片设计和实验研究提供参考.     

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。     

叶片倾斜对大转角透平叶栅流道内通道涡和损失发展的影响

在小转角透平叶栅中,端部横向二次流损失在总损失中占主要比例。对于此类叶栅采用倾斜叶片,压力面与端壁成锐角侧的流动能得到改善。采用压力面与两端壁均成锐角的正弯叶片,可将锐角侧的改善作用引入同一叶栅。对于大转角透平叶栅,上、下通道涡的形成、发展及汇合在叶栅中部产生的二次旋涡损失是总损失的主要部分。在这种情况下,要弄清叶片的倾斜是否仍能改善锐角侧的流动,叶片怎样弯曲才能减少二次旋涡损失,仅测量栅前与栅后流场是远远不够的,必须详细测量流道内部的流动。     

基于水滴型前缘修型的超高负荷低压涡轮流动调控机理研究

本文以某超高负荷低压涡轮叶栅(载荷系数Zweifel=1.57)为研究对象,借助经过实验数据校核的高精度数值方法,采用拉丁超立方分层抽样技术参数化探究了不同水滴型弧状前缘几何对端区流动损失的影响。在此基础上,明晰了前缘修型结构引入前后端区流动特征及流动损失变化机理,对比了叶栅端区涡系结构尺度。研究表明：优选水滴型弧状前缘修型结构削弱了前缘马蹄涡强度,重构了超高负荷低压涡轮叶栅的端区涡系结构,使得栅后总压损失系数降低4.11%。研究结果为超高负荷低压涡轮端区流动控制技术的发展提供了理论支撑。