低壓渦輪葉片表面邊界層流動特性研究.pdf

1、低壓渦輪在航空發(fā)動機(jī)中占有重要地位，其效率的高低直接影響著整個發(fā)動機(jī)的性能。隨著航空發(fā)動機(jī)性能的不斷提高，對低壓渦輪提出了更高的要求，為此發(fā)展高負(fù)荷低壓渦輪葉片，提高葉片效率成為了當(dāng)今航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的必要趨勢。由于低壓渦輪工作雷諾數(shù)較低，隨著葉片負(fù)荷的增加，葉片表面邊界層極易發(fā)生分離、轉(zhuǎn)捩及再附著等現(xiàn)象，從而會導(dǎo)致葉片效率降低，進(jìn)而使得整個發(fā)動機(jī)性能惡化。為此對低壓渦輪葉片表面邊界層的流動特性研究具有非常重要的意義。
　　本文首先

2、研究了定常來流條件下來流湍動度、來流攻角及雷諾數(shù)對現(xiàn)有的T106A葉片表面邊界層發(fā)展轉(zhuǎn)捩過程的影響，通過研究發(fā)現(xiàn)來流湍動度是影響邊界層流動特性的重要參數(shù)。當(dāng)來流湍動度高于4％時，葉片表面邊界層主要發(fā)生自然轉(zhuǎn)捩或者旁路轉(zhuǎn)捩過程過程并不會產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象，當(dāng)來流湍動度低于3%時邊界層主要發(fā)生分離轉(zhuǎn)捩過程并且會產(chǎn)生明顯的邊界層分離現(xiàn)象。來流攻角則主要影響葉片前緣邊界層流動特性，而雷諾數(shù)則會顯著的影響葉片尾部區(qū)吸力側(cè)邊界層的流動特性，當(dāng)流動雷

3、諾數(shù)低于26000，邊界層會發(fā)生嚴(yán)重的開式分離，會極大的降低了葉片效率。
　　在周期性尾跡的非常來流條件下，研究了尾跡在葉柵流道中的整個輸運(yùn)過程，分析了尾跡在輸運(yùn)過程中形狀變化及再定向過程。通過分析葉片尾部吸力側(cè)邊界層區(qū)域的流線、渦量及速度大小等參數(shù)隨著時間的變化情況，可以認(rèn)為在葉片尾部區(qū)域吸力側(cè)的分離泡會隨著尾跡的向下游移動周期性的產(chǎn)生與消失。通過刻畫三個尾跡掃掠周期中的吸力側(cè)邊界層的位移厚度、動量厚度及形狀因子等參數(shù)的時空變化

4、云圖來分析了尾跡對邊界層的影響過程，并認(rèn)為尾跡之后的寂靜區(qū)的“Calming”效應(yīng)對抑制邊界層的分離起到了重要的作用。運(yùn)用了耗散函數(shù)來分析了葉柵流道中局部損失分布規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)在葉片前緣近壁區(qū)、葉片尾部吸力側(cè)分離區(qū)與主流交界處及葉柵尾跡區(qū)域都存在有很大的速度梯度，屬于高能量耗散區(qū)域，而分離泡內(nèi)的回流區(qū)的速度梯度相對較小，僅為低速流體的聚集區(qū)，而非能量損失的來源。在不同雷諾數(shù)下研究了尾跡抑制邊界層分離的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)流動雷諾數(shù)越低，尾跡對葉

5、片性能提升效果越明顯，當(dāng)流動雷諾數(shù)為26000時，葉片時均效率較無尾跡時提高了1.1%，極大的提高了葉片工作性能的穩(wěn)定性。尾跡對邊界層的抑制機(jī)理為高負(fù)荷葉片的設(shè)計(jì)提供了重要的參考。
　　本文還研究了渦流發(fā)生器對邊界層的流動控制機(jī)理，通過設(shè)計(jì)了三種不同振幅、不同波數(shù)及不同位置的渦流發(fā)生器來研究對葉片吸力側(cè)邊界層的控制效果。最終研究表明渦流發(fā)生器可以加速邊界層的轉(zhuǎn)捩過程，通過渦流發(fā)生器中的旋渦的卷吸作用將主流中的高能流體注入到邊界層內(nèi)