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.     

有间隙弯叶片近壁面静压分布对叶栅气动性能的影响

对具有叶顶间隙的直叶栅、正弯叶栅和反弯叶棚的近壁画静压和出口流场进行了测量，实验结果发现：叶片正弯减小了叶顶中后部的横向压力梯度，削弱了泄漏流与端壁横流及其相互作用，使下游流动损失明显降低；叶片反弯也削弱了泄漏流动，但下游流动损失比其它两套叶栅大．     

弯叶片对压气机叶片表面流动稳定性影响研究

本文研究了压气机叶栅中采用弯叶片对叶片表面流动稳定及转捩的影响.以风洞测得的叶片表面静压实验数据为基础,通过求解Falkner-Skan方程,获得不同来流马赫数下叶片边界层内气动参数.将以上结果作为边界层的平均流动值,结合数值离散化的正交曲线坐标系线性抛物化稳定性方程(PSE),对边界层流动的稳定性进行特征值分析.计算结果表明,在压气机中采用弯叶片,可改善叶栅吸力面两端区边界层的流动,但同时会恶化叶栅吸力面中部边界层流动的稳定性;合理地匹配选择叶片的弯向与弯量,才能有效地提高扩压叶栅的整体流动稳定性.     

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.     

前缘逆主流喷射冷气时涡轮叶栅流场性能研究

前缘逆主流喷射冷气对壁面静压有明显影响;冷气与主流掺混及卵型涡的形成导致近叶片表面处能量损失增加;吸力面或压力面根部出现与通道涡旋向相同或相反的涡系;卵型涡能够以一定形式保持到叶栅出口并与尾迹作用,使出口处气动参数剧烈变化．     

DES模型在压气机亚音转子中的应用探讨

本文运用分离涡模拟(DES)方法研究了不同工况下压气机亚音转子的流动情况,分析了其时均与瞬时流场中顶部间隙泄漏流动和根部角区的流动分离.通过与S-A模型计算结果的对比表明,DES模型在模拟顶部泄漏流动及二次泄漏、泄漏流在转子下游与尾迹的干涉时能够捕捉到更强的旋涡结构,在模拟转子根部角区的分离时也能获得更为丰富的流动现象.对不同工况的DES计算表明负荷的上升会使泄漏涡形成的位置向上游移动,从而导致并加剧二次流动,并对叶栅下游泄漏涡与尾迹的干涉产生影响.对设计工况下瞬时流场的分析表明,泄漏涡在叶栅下游体现出周期性的强弱变化,近叶根分离区也体现出明显的非定常性.     

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。     

不同攻角下涡轮叶栅边界层分离再附的大涡模拟研究

本文采用三维可压缩N-S方程的大涡模拟方法,对低压涡轮叶栅T106A边界层的演化过程进行研究,分析攻角的变化对吸力面边界层的分离再附位置、分离泡长度等流动现象的影响。基于弦长和出口速度的雷诺数为1.1×10~5,出口马赫数为0.4。研究结果表明:来流攻角为+7.8°时,叶栅表面静压系数、吸力面边界层分离和再附位置与实验结果吻合较好;边界层分离后在三维不稳定性作用下依次形成Λ涡、发卡涡等结构,最终发生转捩;当来流从正攻角向负攻角变化时,吸力面边界层的分离点向下游移动,分离泡长度逐渐减小。     

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。     

扩压叶栅叶顶间隙流动结构研究

本文对某扩压叶栅叶顶间隙流动结构进行了研究,通过三维数值仿真,对叶顶间隙流场中的旋涡结构构成、空间分布及相互作用关系进行了分析.研究采用Q判据识别流场中的涡,发现叶顶间隙气流的泄漏流动形成了叶尖分离涡、二次涡以及泄漏涡等旋涡结构,其空间位置及空间尺度具有明显差别。叶尖分离涡的堵塞作用对泄漏涡的强度、空间位置造成影响;在叶顶泄漏流动与泄漏涡的共同作用下形成了叶尖二次涡。涡系间存在的相互作用共同构成了叶顶间隙流场框架。     

叶片弦向倾斜对损失发展的影响及叶片反弯降低损失机理的研究

早在六十年代初期,Ｓｍｉｔｈ提出了弦向倾斜叶片￣［１］。叶片的这种倾斜集叶片的后掠（叶片展向与气流不垂直）和上反（叶片表面与端壁斜交）于一身。根据理论分析可知,弦向倾斜叶片与周向倾斜叶片比较,在相同倾斜角下,它更能有效地抑制通道涡的形成和发展￣［２］。但是,到现在为止还没有实验数据证实这一计算结果。本文继文献￣［３］详细测量了弦向倾斜叶片叶栅由栅前至栅后诸截面上的气动参数。实验结果表明,弦向倾斜对损失的发展起到了与周向倾斜相类似的作用,但是前者比后者减小了叶栅进口段的流向逆压梯度,从而降低了二次旋涡损失。本文还测量了大转角常规直叶栅与反弯叶片叶栅端壁与叶片表面上的静压分布,探讨了反弯叶片降低损失的原因,认为：减小叶栅进口段流向逆压梯度,在叶片吸力面前部形成垂直于端壁的平行静压等值线、在中部形成反“Ｃ”型静压等值线,以及在流道内建立沿叶高的反“Ｃ”型静压分布,是反弯叶片降低损失的三要素。     

叶片弯、掠对压气机端壁流动的影响

通过壁面静压测量、流场显示及气动探针测量研究了不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅特性。结果表明,前掠 叶栅流道中横向压力梯度减弱,型面压力沿叶展呈反“C”型,有利于减弱角区低能流体堆积,但中径处损失有所增加; 弯掠叶片强化了上述趋势,其降低端部损失和延缓角区分离的能力更强,应从优化设计角度对其进行深入研究。     

叶片正弯对间隙流动的影响

详细测量了常规直叶片与正弯叶片栅间隙内与上、下游流场，比较两套叶栅的实验结果发现：叶片正弯减小了叶顶后3／5轴向弦长范围内的横向压力梯度，并消除了上通道涡，因而大大削弱了泄漏流与瑞壁横流之间的相互干扰，相对漏气量与叶栅流动损失都显著降低．     

叶片倾斜和弯曲对扩压叶栅出口流场的影响

本文对具有常规直叶片、周向正倾斜２５０叶片和正弯曲叶片组成的三种压气机平面叶栅在平面叶栅低速风洞上进行了实验研究，详细测量了零冲角下三种叶栅的出口流场，通过实验结果的分析比较，并与流场显示结果及叶片表面静压测量结果相结合，讨论了叶片倾斜和弯曲对扩压叶栅出口流场的改善作用。     

从端壁动态压力场看压气机转子尖区流动

用高频压力传感器测量了低速单级压气机转子叶尖动态压力场。结果表明,转子叶背附面层径向潜流使得叶背附近存在一个高压带。叶背角区和叶盆角区的气流交混造成通道中部具有甚至不低于叶盆处的高压力。两个高压区都随流量的减小而扩大,并随流向逐渐融合,反映了叶背附面层径向潜流和中部气流交温的发展。设计状态下,泄漏涡是造成转子叶尖压力脉动的主要因素,形成的高水平压力脉动区随流向呈喇叭形逐渐扩大,约在一半弦长处脉动最强。近失速状态下,叶背前部角区中强叶面附面层潜流及与强泄漏流和端壁附面层的交混造成大范围的强压力脉动区,局部扩展到整个通道,通道中部叶背附面层很有可能发生分离。     

Combined Flow Control Strategy Investigation for Corner Separation and Mid-Span Boundary Layer Separation in a High-Turning Compressor Cascade

To comprehensively control the corner separation and mid-span boundary layer (BL) separation, this study proposed and evaluated two new flow control configurations. One is a slotted configuration composed of blade-end and whole-span slots, and the other is a combined configuration with end-wall BL suction and whole-span slot. Additionally, the adaptability of the combined configuration to the lower blade solidity (c/t) condition was verified. The results indicate that both the slotted configuration and combined configuration can eliminate the mid-span BL separation, but a better reduction in the corner separation can be observed in the combined configuration. The two configurations can remove the concentrated shedding vortex and reduce the passage vortex (PV) for the datum cascade, but the wall vortex (WV) will be generated. By contrast, the combined configuration has weaker WV and PV than the slotted configuration, which contributes to further reducing the corner separation. In the combined configuration with a c/t of 1.66 and 1.36, the total pressure loss is reduced by 38.4% and 42.1%, respectively, on average, while the averaged static pressure rise coefficient is increased by 16.2% and 17.6%, respectively. This is advantageous for enhancing the working stability and pressure diffusion capacity for compressors. Besides this, the combined configuration with lower c/t can achieve a stronger pressure diffusion capacity and smaller loss than the higher c/t datum cascade. Therefore, the combined configuration is advantageous to the improvement of the aero-engine thrust-to-weight ratio through decreasing the compressor single-stage blade number.     

弯扭叶片栅内减少能量损失机理研究的新进展

根据实验结果和数值计算结果的分析，本文讨论了三维流场的压力分布对弯曲叶片型式的影响。进一步揭示利用弯曲叶片减小叶栅通道内能量损失的机理，弯曲叶片可以改变三维流场内的径向、横向和流向的压力分布。对于膨胀叶栅，采用正弯曲叶片可以显著的降低叶栅中的总能量损失系数。对于叶展中部伴有边界层强烈分离的导向叶栅，采用反弯曲叶片将有利于减小总能量损失。     

Novel Optimization Design Methods of Highly Loaded Compressor Cascades Considering Endwall Effect

The endwall effect has a great impact on the aerodynamic performance of compressor blades. Based on three conventional near-endwall blade modeling methods of bowed blade, endbend blade and leading-edge strake blade (LESB), two combined optimization design methods of highly loaded blades have been developed considering the endwall effect in the current study, i.e., the bowed blade combined with the LESB (bowed LESB blade) and the endbend blade combined with the LESB (endbend LESB blade). Optimization designs were conducted for a compressor cascade with low solidity by using the two combined modeling methods and the three conventional modeling methods, and the optimization results were compared and analyzed in detail. The results showed that the five optimization modelling methods could all improve the performance for the original cascade, and the optimized cascade with the bowed LESB modeling method has the best aerodynamic performance. The total pressure loss of the optimal bowed LESB cascade was only 40.3% of that in the original cascade while reducing the solidity of the original cascade from 1.53 to 1.25 and keeping the static pressure rise and diffusion factor at the same level as the original one. Among the optimal cascades, the radial migration height of the low-energy fluid and the corresponding vortex have great effects on the aerodynamic performance, and the optimal bowed LESB cascade is superior to the other optimal cascades in this aspect.     

在大转角透平叶栅中叶片反弯曲对通道涡及静压场的影响

本文采用微型球头五孔探针对低展弦比大转角透平直叶片栅和反弯曲叶片栅栅内外流场进行了详尽测量,并开设静压孔测取了叶栅端壁和叶片表面的静压分布。根据实验结果,作者全面分析了叶片反弯曲对通道涡及静压场的影响,并明确提出：在大转角透平叶栅中,叶片反弯曲后,由叶片力在吸力面前部产生的沿叶高方向的反“Ｃ”型静压分布是控制通道涡减弱的关键,这也是叶片反弯曲作用的本质所在。