扩压叶栅采用弯叶片控制流场结构与改善气动性能的研究

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压气机叶栅三维流动中,分离流和二次流不仅直接影响着叶栅内的损失分布,也影响着压气机的稳定工作范围。很多研究表明弯叶片技术对改善栅内分离流和二次流动损失有较好的效果。尽管已有成功的研究成果和应用实例,但是对弯叶片如何改善压气机的气动性能,如何影响压气机的三维流场结构,如何影响损失的机理仍然缺乏全面深刻的认识,因此仍有必要进行更加全面、深入的研究。  以往的压气机弯叶片研究大多是为了获得某种设计要求,而对已成型的压气机叶栅进行弯曲设计,所以能得到较好的设计效果,但其几何参数和气动参数变化有限,很难全面了解弯叶片的作用,所以这样的研究成果是有局限性的。为此本文对具有不同弯角、叶型转角、稠度、展弦比以及不同进口附面层和来流马赫数的压气机静叶栅方案进行了数值研究,经过研究得出关于弯叶片在压气机中的一些适用条件和作用机理。  本文对设计冲角下,对具有不同弯角、叶型几何转角、稠度、展弦比以及不同进口附面层和来流马赫数的亚音速压气机静叶栅方案进行了数值研究。对直叶栅和弯叶栅的对比分析表明,弯叶片有增加径向二次流和减少横向二次流的作用,这两种作用均可减少叶栅的端区损失,但也增加了中径损失。不过这两种作用的强弱依赖于弯角、叶型几何转角、稠度或展弦比等几何参数的大小,也依赖于进口附面层的特征和来流马赫数的大小。可以说,在亚音速压气机中,弯叶片叶栅只能在满足某些特定的几何和气动的条件下才能起到改善叶栅性能的作用。  基于对平面叶栅弯叶片作用的认识,本文以39.5°转角环形叶栅作为研究对象,对其零冲角和正冲角的直、弯叶栅的冲角特性进行了对比分析。分析表明由于弯叶片有效的控制了因正冲角引起的分离流,冲角特性有了明显的改善,如弯叶片栅最低损失冲角增加,同时小流量范围也增加,具体表现在:设计冲角由直叶片时的-5°增加到了弯叶片时的0°;且工况特性线的稳定边界向左偏移,“临界冲角”由直叶片时的11°增加到弯叶片时的16°。流向涡涡核位置、二次流动能、涡量等参数都受弯叶片的影响发生变化,而且随冲角的增加,其变化更为明显。因此若将叶栅流向涡的涡运动与叶栅气动性能相联系的话,很明显弯叶片在大冲角下的作用是更显著的。  和亚音速叶栅中弯叶片作用相比,超跨音速叶栅中激波和激波/附面层的相互干扰的存在使得叶栅流场性能发生较大变化,因而弯叶片的作用机理也更为复杂。对超跨音速弯叶片的研究表明,在高亚音速时正弯叶片总损失降低,而在超音速时反弯叶片总损失降低。分析表明弯叶片降低了激波强度和与激波相关的损失。本文着重分析了高亚音速条件下正弯叶片在不同展弦比、稠度和叶型几何转角的叶栅中对叶栅气动性能的影响,给出了正弯叶片改善跨音速叶栅性能的作用机理及其适用条件;简要分析超音速条件下了反弯叶片对超跨音速叶栅性能的影响和作用机理。  不失一般性,以某直叶片栅和弯叶片栅为例,通过对拟S1流面、拟S2流面和二次流分析曲面以及固体壁面的流场显示和拓扑结构的对比分析,给出了两种叶栅的三维分离结构和涡系结构。分析表明弯叶片前缘鞍点向压力面一侧偏移,使吸力面的前缘附近出现小范围分离泡,同时吸力面角区分离推迟。在端壁上角区分离结点的位置也向下游移动,说明端壁上附面层的横向迁移也得到了减弱。直叶片栅壁面共有17个鞍点和15个结点,而弯叶片增加了3个鞍点和3个结点,都满足叶栅壁面上奇点总数准则。弯叶栅分离流结构和涡系结构的变化引起损失分布的变化,由进一步的损失分析表明在叶栅流道内弯叶片降低了叶栅损失,而在栅后损失有所增加。在一定条件下弯叶片会减少叶栅的损失。
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