采用葉片彎-掠及附面層抽吸控制擴(kuò)壓葉柵內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、航空渦輪發(fā)動機(jī)高推重比的發(fā)展方向?qū)簹鈾C(jī)部件性能提出了更高的要求。在影響壓氣機(jī)氣動性能的各因素中，附面層流動狀況具有決定作用。因此，研究壓氣機(jī)葉柵內(nèi)真實(shí)的流場結(jié)構(gòu)和損失產(chǎn)生機(jī)理，開發(fā)控制附面層流動的技術(shù)是改善壓氣機(jī)性能的關(guān)鍵。
　　在壓氣機(jī)三維流動中，流動分離和旋渦運(yùn)動不僅直接影響著葉柵內(nèi)的損失分布和葉柵效率，也影響著壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。因此探討擴(kuò)壓葉柵內(nèi)的分離結(jié)構(gòu)和旋渦模型十分必要。本文在已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值分析，并

2、應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)原理，從定常到非定常，從二維葉型到三維矩形葉柵，全面分析了擴(kuò)壓葉柵內(nèi)流動分離和旋渦運(yùn)動的規(guī)律。并指出擴(kuò)壓葉柵內(nèi)通道渦與渦輪葉柵內(nèi)通道渦的本質(zhì)差別：擴(kuò)壓葉柵內(nèi)通道渦很弱，對流動組織不起主要作用，對擴(kuò)壓葉柵性能起關(guān)鍵作用的是葉片吸力面的集中脫落渦及其與周圍流體的摻混。同時指出，隨著沖角的增加，吸力面上的流動趨于復(fù)雜，分離形態(tài)由開式分離向閉式分離轉(zhuǎn)化。最后，獲得了普適性的壓氣機(jī)葉柵旋渦模型。
　　在認(rèn)識擴(kuò)壓葉柵內(nèi)流動分離結(jié)構(gòu)的

3、基礎(chǔ)上，本文選擇了兩類方法來控制附面層的分離，即采用彎/掠葉片的被動控制方法和采用附面層抽吸的主動控制方法。通過數(shù)值模擬，并采用拓?fù)浞治鍪侄危娣治隽藦?掠葉片在不同幾何條件（彎角、掠角、葉型和折轉(zhuǎn)角）及不同氣動條件（來流沖角）下的作用效果，考察葉片彎/掠與各幾何和氣動參數(shù)之間的依賴關(guān)系，總結(jié)彎/掠葉片在各種工況下的作用機(jī)理。
　　葉片正彎對壓力面靜壓分布影響不大，主要是改變了吸力面的靜壓分布，不僅形成或者增強(qiáng)了展向“C”型壓力

4、分布，而且對軸向壓力分布也造成影響：增強(qiáng)了中部的逆壓力梯度，減弱了端部的逆壓力梯度。兩種壓力分布的共同作用使得葉片角區(qū)的流動具有由閉式分離向開式分離轉(zhuǎn)化的趨勢，而葉片中部的流動具有由開式分離向閉式分離轉(zhuǎn)化的趨勢。葉片反彎的效果正好相反。葉片前掠則在壓力面和吸力面均形成或者增強(qiáng)了“C”型壓力分布，不僅減弱了壓力面附面層的展向擴(kuò)張，并且使得吸力面附面層的分離形態(tài)由閉式分離向開式分離轉(zhuǎn)化。
　　在總結(jié)彎/掠葉片作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對

5、附面層遷移理論進(jìn)行了闡述。附面層遷移不僅包括附著渦層的遷移，而且包括自由渦層的遷移，而自由渦層的遷移主要受分離范圍和分離形態(tài)的影響。在擴(kuò)壓葉柵內(nèi)，自由渦層的遷移尤其是分離形態(tài)的改變對葉柵性能影響很大。
　　為了更好地控制大轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵內(nèi)的流動分離，對附面層抽吸（BLS）技術(shù)的可行性和控制效果進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)原理，并通過數(shù)值模擬，分析了附面層抽吸前后流動結(jié)構(gòu)和分離形態(tài)的變化，探討了附面層抽吸控制流動分離，從而降低二次流

6、損失的機(jī)理。結(jié)果表明，附面層抽吸可以改變大轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵內(nèi)的分離結(jié)構(gòu)，尤其是沿葉片展向吸氣時，可以明顯減小吸力面的附面層分離，并且使得分離形態(tài)由閉式分離向開式分離轉(zhuǎn)化，從而流動結(jié)構(gòu)趨于簡單。
　　在葉片吸力面不同位置抽吸都能明顯降低葉柵損失，但不同的分離形態(tài)，其最佳抽吸位置也不同；根據(jù)本文評估能量損失和流量的方法，最佳抽吸量為進(jìn)口流量的2％左右。對以閉式分離主要特征的葉柵，最佳抽吸位置正好對應(yīng)閉式分離的起始點(diǎn)；對于以開式分離為主要特