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。     

傅里叶函数前缘仿生压气机叶栅性能研究

本文针对仿鲸鳍前缘造型在压气机叶栅中的应用,提出了一种基于傅里叶级数形式的复合函数前缘造型方法。采用数值模拟方法,重点分析了零攻角下仿鲸鳍叶栅流场结构的变化,给出了不同仿鲸鳍前缘在叶栅端区以及叶中部损失抑制的原因和前缘型线特征,优化出一种具有展向非均匀鳍型前缘的仿生叶栅,对非均匀鳍叶栅的性能进行了验证。研究结果表明,仿鲸鳍叶栅在前缘凹陷处形成流向涡对,在凸起处收缩流动形成高能气团,上述流场结构交替出现,抑制了角区及叶中部的分离流动,降低了叶栅的总压损失。基于高阶傅里叶函数的非均匀鳍型能更好地适应叶栅的变攻角特性,非均匀鳍叶栅总压损失系数相比原始叶栅降低了11.45%。     

具有叶尖小翼的压气机叶栅间隙流动分析

采用数值模拟方法对利用不同安装方式叶尖小翼控制压气机叶栅间隙流动进行研究。结果表明,不同安装方式叶尖小翼都可以有效降低叶顶泄漏流速,削弱泄漏涡强度。叶尖小翼改变了叶尖负荷及泄漏涡运行轨迹,进而影响了叶尖流场不同涡系之间的相互作用。吸力面小翼削弱了泄漏涡,抑制了通道涡的发展,使得叶栅总损失降低。压力面小翼及组合小翼削弱了泄漏涡,但增强了通道涡及其与泄漏涡之间的相互作用,叶栅总损失增加。     

尾板对弯曲叶片压气机叶栅出口流场的影响

进行了带尾板的常规直叶片、正弯曲叶片、反弯曲叶片组成的三种矩型压气机叶栅在低速风洞上的实验研究,测量了叶栅出口流场,分析了零冲角下尾板对叶栅出口能量损失分布情况和二次流速度矢量的影响。结果表明尾板对压气机叶栅,尤其是弯曲叶片压气机叶栅出口流场有很大的影响,反弯曲叶栅的总损失最大。     

附面层吸除对压气机叶栅稠度特性影响

数值模拟了不同稠度下吸气量及位置对某大转角吸气式压气机叶栅气动性能影响。结果表明,附面层吸除(BLS)使得吸力面角区低能流体积聚减弱,气流折转能力加强;随稠度增加,叶栅总压损失最高降低分别为32.9％、27.7％和25.1％,出口气流角最大增加值为5.0°、4.2°和3.1°,即小稠度叶栅具有较佳气动性能;BLS导致的栅内扩压能力恢复和通道涡三维分离效应的改善应是确定最佳设计参数的判定原则。吸气式叶栅附面层承受逆压梯度能力强的特点为高负荷、小稠度压气机设计提供了极具潜力的技术途径。     

压气机环形叶栅尾迹特性试验与数值模拟研究

尾迹特性是影响轴流压气机损失和气动稳定性的重要因素。采用带进、出口导流叶片的环形叶栅试验方法对轴流压气机叶片尾迹进行了详细的流场测量,并结合数值模拟手段对尾迹损失进行了分析。环形叶栅试验和数值模拟结果对比表明,SST湍流模型的稳态计算结果与试验结果更加吻合,对尾迹的预测更为准确。环形叶栅出口截面尾迹损失沿径向分布不均匀,在20%~50%叶高范围具有较高总压损失,在30%叶高处达到损失极值,其主要来源于下端壁边界层低速流体在叶片中后部沿着吸力面的径向迁移。通过对尾迹速度的分解以及总压损失发展的分析可知,尾迹在到达一倍弦长后,尾迹中的旋涡在与主流的掺混过程中逐渐减弱,叶栅出口损失仍然存在不均匀性,不均匀性的来源主要为轴向速度的亏损。     

低速压气机叶栅附面层分离的实验研究

本文利用表面热膜对某高负荷压气机叶片吸力面附面层的分离过程进行了实验研究,捕捉到了边界层分离点的位置及其随攻角的变化情况,给出了利用表面热膜测量的准壁面剪切应力米预判分离先兆和分离点位置的判据.同时,分析了 Re数对附面层分离特性的影响.结果表明:准壁面剪切应力及其均方根极小值对应的位置点是进入分离泡内的第一个测量点;在所有测量的工况条件下,表面热膜都捕捉到了吸力面附面层的长分离泡,并能准确捕捉到攻角所引起的分离点位置变化;低Re数下,Re数对附面层分离影响较小.     

间隙大小对高负荷压气机叶栅流动特性的影响

在低速平面叶栅风洞中,对不同间隙大小条件下的高负荷压气机叶栅流动特性进行了实验研究。实验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,并对叶栅下端壁和叶片表面进行了墨迹流动显示.结果表明,叶顶间隙的增加加剧了间隙泄漏流动与通道涡的相互作用和掺混,导致叶栅流道内的二次流结构和形态发生改变;增加叶顶间隙可完全抑制吸力面角区分离,但被间隙泄漏流动带走的低能流体被带到尾缘及其下游位置,加剧了相应位置的流动分离;间隙泄漏流动将引起叶栅总损失的显著下降,损失的大小并不一定与间隙大小成正比.     

三维跨音速压气机叶栅多目标气动优化设计

提出了一种多目标差分进化算法(MDE),典型函数试验结果表明该算法具有优秀的多日标寻优能力,满足多目标气动优化设计的要求.耦合并行多目标差分进化算法、三次B样条曲面造型方法和CFD求解技术,提出了新的轴流式叶轮机械叶栅三维多目标气动优化设计方法.选择等熵效率和总压比为目标函数,完成了NASA Rotor37转子叶栅的多目标气动优化设计.优化后叶栅的气动性能明显提高,表明该方法具有良好的优化性能和应用前景.     

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。     

大小叶片压气机平面叶栅试验研究

本文对大小叶片平面叶栅流动进行了详细的测量,初步分析了大小叶片设计优化规律.大叶片叶栅稠度1.3,小叶片尾缘与大叶片尾缘齐平且位于两大叶片尾缘正中。来流气流马赫数0.3,相应的基于大叶片弦长的雷诺数为7×10~5.测量结果显示:小叶片的存在降低了大叶片负荷,增强了大叶片抵抗分离的能力;随着攻角的增大,大叶片负载增大,而小叶片负载反而降低;大小叶片叶栅的落后角基本不随来流攻角变化,传统的落后角经验公式将不再适用.     

悬臂静子叶栅与高速运动轮毂间隙流研究

悬臂静叶结构可以减轻压气机的重量并降低轴向长度,但在高速运动轮毂作用下其叶根泄漏流细节尚不明确。本文采用经过实验数据校准的数值模拟方法探究了高速运动轮毂情况下不同间隙对于悬臂静叶性能和泄漏流场细节的影响。结果表明,当间隙增大时,悬臂静叶总压损失呈非线性增大,近轮毂处叶片载荷峰值先增大后减小且其位置向尾缘方向移动。泄漏流轨迹呈现三区分布,间隙增大使得通道70%轴向弦长后的高湍动能区在周向和径向范围更大。     

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．     

不同长度端壁翼刀对跨声速压气机叶栅二次流影响的数值研究

对可控扩散叶型(CDA)环形叶栅和4种具有不同长度和流向位置的端壁翼刀叶栅内的三维黏性流场进行了数值模拟。结果表明:较长翼刀对气流横向流动的阻断作用较强,较短翼刀产生的附加损失较小;加装翼刀后叶栅中部气流流动状况显著改善,但端壁附近损失有所增加;翼刀加装在流道前部比后部更有利于降低总能量损失,占据前1/2流道的翼刀方案为本文最佳翼刀方案,使叶栅总能量损失比原型叶栅低2.2%。     

进口附面层形式对压气机叶栅端区流动特性的影响研究

为探究进口附面层形式对轴流压气机叶栅端区流动特性的影响,本文以某高亚声速压气机叶栅为研究对象,基于数值方法对比分析常规和倾斜两种进口附面层形式对叶栅角区分离和叶尖泄漏流流动特性以及总体性能的影响。结果表明：进口倾斜附面层使端区来流的攻角和进口速度增加。在无叶尖间隙时,倾斜附面层能够缩小角区分离的轴向和周向范围,提高扩压能力,相比常规附面层工况,总压损失降低6.3%;1%叶高间隙下,倾斜附面层能够降低叶尖泄漏流相关损失并减少尾迹与主流的掺混损失,总压损失较常规附面层降低15.3%。     

两类非常规压气机构型负荷能力分析

大小叶片、串列叶片这两类非常规压气机负荷能力是备受研究者关注的重要问题。本文根据Scbweitzer叶栅负荷能力经验关系,在对大小叶片、串列叶片简化为前后两排等效叶片以及流动不可压、忽略雷诺数、来流附面层厚度等影响因素的假设下,给出了这两类非常规压气机构型负荷能力的评估关系。分析表明,相同总展弦比条件下,前述三类构型压气机的压升(负荷)能力由小到大顺序为常规叶片、大小叶片、串列叶片;而如果放开展弦比的工程选择,则常规叶片负荷能力未必不如大小叶片和串列叶片,但这并不妨碍大小叶片和串列叶片作为压气机构型的重要选择。     

离心压气机低稠度串列叶栅扩压器流场数值分析

1前言无叶扩压器有宽广的工作范围，但其压力恢复系数低；有叶扩压器可以得到较高的压力恢复系数，但工作范围会变小。低稠度叶栅扩压器取消了喉口，这样就解决了大流量时喉口堵塞问题。1981年文献山第一次提出了低稠度叶栅扩压器的概念，而后文献问以及文献门做了进一步的工作。文献间的实验证明使用串列低稠度叶栅使扩压器压力恢复系数比无叶扩压器在设计点提高15％，在低流量区提高40％，级效率在100～7O％流量范围内提高4O～IO％。为了进一步了解低稠度串列叶栅扩压器内部流场及其工作性能，掌握低稠度串列叶栅扩压器内部流场分析计算…