高负荷压气机叶栅的叶身/端壁融合研究

叶身/端壁融合(BBEW)是有潜力支撑风扇/压气机负荷最大化的原创技术.本文以大折转亚音叶栅和超音速叶栅两类趋向负荷极限叶栅为案例,在二面角原理指导下,采用数值方法对比研究了第一类(增大二面角型)和第二类(变曲率过渡曲面)BBEW改型。结果表明,两类BBEW改型均能有效削弱或消除高负荷压气机叶栅角区分离,且具有良好的工况适应性。其中,第一类BBEW改型虽外形上类似叶片倾斜,但作用机理却截然不同,附面层交汇作用超过叶片力作用.     

叶顶间隙影响高负荷扩压叶栅气动性能实验研究

针对高负荷扩压叶栅,实验测试了叶顶间隙尺寸变化对叶栅气动特性的影响规律。结果表明,在马赫数和冲角固定时,随着间隙尺寸的增加,由于间隙泄漏流动与横向压力梯度的相互作用,近端壁附面层低能流体的聚集和发展受到影响,叶栅损失呈现先减小后增大的趋势,存在最佳间隙尺寸使得损失最小。本文研究的高负荷扩压叶栅中实验测的最佳间隙为1%相对叶高。     

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。     

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...     

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。     

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。     

扩压叶栅中Gurney襟翼气动作用的实验研究

以NACA65-12(10)叶型为基础,在稠度1.0的平面叶栅上,实验测量了两种高度Gurney襟翼在不同攻角下气动特性。设计工况下,襟翼高度为1%弦长时,升阻比平均提高上升10%;襟翼高度为3%弦长时,升阻比增加16.6%。与原始叶型的叶栅气动特性对比结果表明,随着襟翼高度的增加,叶栅升力先于阻力增加,升阻比先提高后降低,适当的襟翼具有提升叶栅升阻比的作用。     

叶尖小翼对扩压叶栅气动特性影响的数值研究

通过在叶片顶端加装小翼来降低叶顶二次流的叶尖小翼技术在叶轮机械领域受到关注。本文对具有不同叶尖小翼方案的压气机叶栅进行了全三维数值模拟,并详细分析了叶尖小翼对叶顶间隙流场的影响.结果表明,合理选择叶尖小翼的安装位置及自身宽度可以在一定程度上降低叶顶泄漏损失,在叶顶吸力面侧加装宽度为5 mm的小翼可以较好的削弱泄漏流动的强度,减少泄漏涡卷吸起更多的吸力面/端壁角区的低能流体及较早地阻止上通道涡的形成和发展。     

扩压叶栅端壁角区流动结构和紊流特性

三维激光多普勒测速技术测量了扩压叶栅叶片和端壁相交的角区中的流动结构和紊流特性。实验结果表明,角区中端壁附面层和叶面附面层的堆积使得叶面附面层变厚;角区内存在较强的通道涡,随流动向下游发展,通道涡核心远离叶面;在前缘产生的马蹄涡逐步消失;通道涡使得角区的紊流动能增加,并影响雷诺正应力的分布。     

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。     

端壁与叶片表面静压分布对叶栅气动特性影响的实验研究

气流绕流矩形叶栅时形成马蹄涡、通道涡等复杂涡系。这些旋涡不仅引起能量消散,而且在叶片与端壁组成的角隅里产生分离流。旋涡的形成与附面层的发展有关,决定附面层发展的关键是端壁和叶片表面上的静压分布。本文在不同冲角和叶片倾斜角下测得了不同的端壁和叶片表面静压分布及相应的出口流场,从而找到对应能量损失最小的静压分布。     

来流马赫数波动对扩压叶栅气动性能的影响

准确地掌握来流马赫数的波动(即不确定性)对扩压叶栅的气动性能的影响对于指导压气机设计具有重要意义。采用非嵌入式混沌多项式方法,从统计学的角度评估了随机来流马赫数对扩压叶栅气动性能的影响,并着重对比分析了不同攻角和不同随机来流马赫数工况下来流马赫数的不确定性对扩压叶栅气动性能的整体影响和随之带来的气动性能的波动影响。研究结果表明,来流马赫数的不确定性的确对叶栅气动性能产生影响:来流攻角偏离设计攻角越多,叶栅的气动性能对来流马赫数的不确定性越敏感,且在叶栅通道中反应较敏感区域的范围及位置均随着攻角的变化而变化;随机来流马赫数越高,叶栅的气动性能对来流马赫数的不确定性越敏感。     

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。     

扩压叶栅中端部流动的实验研究

本文介绍了扩压叶栅中端部流动的实验研究结果。给出了叶栅出口截面端壁附近的二次流速度、主流速度、全压及气流转折角的测量结果。作者认为,在压气机静叶栅中采用内围带时,必须考虑到围带对叶栅气动特性的影响。     

燃气透平叶栅端壁传热特性的数值研究

采用三维数值求解方法,对透平叶栅端壁区域的流动和传热特性进行了研究.利用试验数据考核了相应的数值方法,分析了网格数目和湍流模型对叶栅端壁附近流动传热特性计算的影响,比较了不同进口雷诺数和湍流度条件下端壁传热特性的变化。结果表明;马蹄涡和通道涡等二次流动直接影响端壁区传热,传热强度分布规律基本与当地流动的湍动能保持一致。湍流模型对端壁压力场的计算影响较小,但对端壁传热特性的求解的精度影响较大。采用v~3—f湍流模型能较好地预测端壁传热分布。来流雷诺数和湍流度的变化改变了端壁边界层厚度和涡系结构,使得端壁传热强度和梯度分布发生变化。     

扩压叶栅端壁角区流向涡对湍流特性的影响

本文用三维激光多普勒测速技术测量了平面扩压叶栅的叶片吸力面角区流动湍流特性，如紊流动能分布、雷诺应力分布等．分析了角区内流向涡和通道涡对湍流特性分布的影响，结果表明：流向涡的核心区域及旋涡与附面层相互作用区域的湍流动能增加．同时，旋涡和旋涡运动强烈影响着雷诺正应力和切应力的分布规律．     

透平叶栅非轴对称端壁的气动最优化设计

本文应用非均匀有理B样条曲面技术实现了透平叶栅非轴对称端壁的参数化几何造型,并且以iSIGHTTM商业软件为优化设计平台,结合NUMECA软件进行数值模拟,构建了非轴对称端壁的气动优化设计系统.应用该系统对某级透平静叶轮毂端壁进行了非轴对称端壁造型的气动最优化设计.结果表明,非轴对称端壁造型将改变端壁附近的压力分布,使透平叶栅气动性能得到改善.     

合成射流控制高负荷扩压叶栅分离数值研究

采用数值模拟的方法,研究了合成射流对高负荷扩压叶栅分离流动的控制效果,分析了关键的控制参数激励频率、幅值和位置对控制效果的影响。结果表明,合成射流能够有效削弱高负荷扩压叶栅内的大尺度分离结构。激励频率与原流场的主分离涡脱落频率相近时控制效果占优。激励幅值存在较为明显的阈值,当激励幅值大于该阈值时控制效果较为显著。激励位置位于主分离涡起始位置附近时,控制效果较好。     

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.     

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...