擴壓葉柵采用彎葉片控制流場結構與改善氣動性能的研究.pdf

1、壓氣機葉柵三維流動中，分離流和二次流不僅直接影響著葉柵內的損失分布，也影響著壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。很多研究表明彎葉片技術對改善柵內分離流和二次流動損失有較好的效果。盡管已有成功的研究成果和應用實例，但是對彎葉片如何改善壓氣機的氣動性能，如何影響壓氣機的三維流場結構，如何影響損失的機理仍然缺乏全面深刻的認識，因此仍有必要進行更加全面、深入的研究。
　　以往的壓氣機彎葉片研究大多是為了獲得某種設計要求，而對已成型的壓氣機葉柵進行彎曲設

2、計，所以能得到較好的設計效果，但其幾何參數(shù)和氣動參數(shù)變化有限，很難全面了解彎葉片的作用，所以這樣的研究成果是有局限性的。為此本文對具有不同彎角、葉型轉角、稠度、展弦比以及不同進口附面層和來流馬赫數(shù)的壓氣機靜葉柵方案進行了數(shù)值研究，經過研究得出關于彎葉片在壓氣機中的一些適用條件和作用機理。
　　本文對設計沖角下，對具有不同彎角、葉型幾何轉角、稠度、展弦比以及不同進口附面層和來流馬赫數(shù)的亞音速壓氣機靜葉柵方案進行了數(shù)值研究。對直葉柵和

3、彎葉柵的對比分析表明，彎葉片有增加徑向二次流和減少橫向二次流的作用，這兩種作用均可減少葉柵的端區(qū)損失，但也增加了中徑損失。不過這兩種作用的強弱依賴于彎角、葉型幾何轉角、稠度或展弦比等幾何參數(shù)的大小，也依賴于進口附面層的特征和來流馬赫數(shù)的大小?？梢哉f，在亞音速壓氣機中，彎葉片葉柵只能在滿足某些特定的幾何和氣動的條件下才能起到改善葉柵性能的作用。
　　基于對平面葉柵彎葉片作用的認識，本文以39.5°轉角環(huán)形葉柵作為研究對象，對其零沖角

4、和正沖角的直、彎葉柵的沖角特性進行了對比分析。分析表明由于彎葉片有效的控制了因正沖角引起的分離流，沖角特性有了明顯的改善，如彎葉片柵最低損失沖角增加，同時小流量范圍也增加，具體表現(xiàn)在：設計沖角由直葉片時的-5°增加到了彎葉片時的0°；且工況特性線的穩(wěn)定邊界向左偏移，“臨界沖角”由直葉片時的11°增加到彎葉片時的16°。流向渦渦核位置、二次流動能、渦量等參數(shù)都受彎葉片的影響發(fā)生變化，而且隨沖角的增加，其變化更為明顯。因此若將葉柵流向渦的渦

5、運動與葉柵氣動性能相聯(lián)系的話，很明顯彎葉片在大沖角下的作用是更顯著的。
　　和亞音速葉柵中彎葉片作用相比，超跨音速葉柵中激波和激波/附面層的相互干擾的存在使得葉柵流場性能發(fā)生較大變化，因而彎葉片的作用機理也更為復雜。對超跨音速彎葉片的研究表明，在高亞音速時正彎葉片總損失降低，而在超音速時反彎葉片總損失降低。分析表明彎葉片降低了激波強度和與激波相關的損失。本文著重分析了高亞音速條件下正彎葉片在不同展弦比、稠度和葉型幾何轉角的葉柵中對

6、葉柵氣動性能的影響，給出了正彎葉片改善跨音速葉柵性能的作用機理及其適用條件；簡要分析超音速條件下了反彎葉片對超跨音速葉柵性能的影響和作用機理。
　　不失一般性，以某直葉片柵和彎葉片柵為例，通過對擬S1流面、擬S2流面和二次流分析曲面以及固體壁面的流場顯示和拓撲結構的對比分析，給出了兩種葉柵的三維分離結構和渦系結構。分析表明彎葉片前緣鞍點向壓力面一側偏移，使吸力面的前緣附近出現(xiàn)小范圍分離泡，同時吸力面角區(qū)分離推遲。在端壁上角區(qū)分離結