高负荷风扇末级静叶气动特性试验研究

为了研究高负荷风扇末级静叶的气动性能,通过在静子叶栅前加装导流叶片,来模拟多级风扇中动叶出口气流参数,通过旋转导叶改变静叶进口气流角,分析不同进口气流角和进口马赫数条件下的静叶气动特性。研究表明:本研究设计的导流叶片可以为静叶提供接近动叶出口条件的来流参数,从而开展静叶试验研究。该静叶为大折转角扩压叶栅,随马赫数增加,总压恢复系数减小。随转角增大,静叶压力面流动随导叶转角增加明显改善,分离范围减小;吸力面存在较大范围的分离,转角增加对分离范围影响不大。     

导流板结构对扇形叶栅试验件周期性影响的模拟研究

为了指导导叶-静叶结构的扇形叶栅试验,设计周期性好的叶栅试验件,本研究采用数值模拟的方法,研究试验件两侧导流挡板结构尺寸对扇形叶栅周期性的影响。通过对比改型试验件模型与原始试验件模型中径处导叶/静叶出口气流角、马赫数的周向分布规律和S1流面流场结构,分析两侧导流挡板结构对试验件周期性的影响,初步确定改型模型3为试验件模型。在此基础上详细分析了模型3的导叶/静叶流场结构。研究结果表明:本研究提出的挡板截断模型能够较好的改善扇形叶栅试验件的周期性,其中模型3将可测流道从4个增加到7个,可满足扇形叶栅风洞试验对试验件周期性的要求。     

高亚音速大折转角叶型内激波结构与损失分析

本文采用组合多项式曲线构造了具有高亚音进口条件的大折转角压气机静叶叶型,探索了进一步提高跨音速压气机负荷时,静叶根部区域可能存在的激波结构和损失特征.采用数值模拟方法对不同条件下的高亚音速大折转角压气机叶栅流场进行了数值模拟,结果表明:叶栅内的激波结构与进口马赫数、攻角以及叶型的转角等参数密切相关.通过对叶栅出口的损失分析发现,激波与附面层相互作用改变了原有附面层内的损失分布规律,形成了由激波强度和位置所决定的沿叶片表面法线方向大小基本不变的高损失区域,叶型损失的大小和激波与吸力面最低压力点之间的相对位置密切相关.     

导流板抽吸对扇形叶栅实验件流场的周期性影响

为保证导叶-静叶结构的扇形叶栅实验顺利开展,针对已有扇形叶栅实验件,设计了两种导流板抽吸方案:两侧导流板流道转接的位置设置抽吸缝和在前一方案的基础上增加左侧抽吸缝的抽吸量、同时不在右侧设抽吸缝。两种方案中都于导叶与静叶转接位置开设矩形抽吸缝,宽度均为2 mm。对不同方案的实验件流场进行数值模拟,通过对比分析导叶及静叶栅出口气动参数和流场结构,确定了能够大幅提高实验件流场分布周向均匀性的导流板抽吸和结构改进方案。研究表明:导流板结构改进和设置抽吸缝都可以在一定程度上改善流场的周期性;导流板抽吸缝开设在气流分离区,可减小分离强度范围,改善实验件整体周期性;第2种方案可大幅提高实验件流场分布的周向均匀性,使可测量流道数增加到7个。     

周向偏距对串列叶栅气动性能的影响

周向偏距是压气机串列叶栅设计的一个重要参数,选择合理的周向偏距需要兼顾叶栅设计点和非设计点性能,为此本文采用数值模拟方法,研究五种不同周向偏距的串列叶栅在设计点和近喘点工况下的总体性能和流场细节。研究结果表明,在设计点工况下,增大周向偏距叶栅损失减小,出口气流角随周向偏距的变化相对较小;在近喘点工况下,叶栅损失随着周向偏距的增大先减小后增大,出口气流角随着周向偏距增大而最大有约9°的轴向偏离。因此兼顾压气机设计点和非设计点性能时该叶栅的最佳周向偏距设计值在0.67~0.80之间。     

超高负荷吸附式压气机叶栅气动性能分析

采用数值模拟研究了低速条件下附面层吸除对某超高负荷压气机叶栅气动性能的影响,分析了叶栅出口总压损失、扩压因子和气流角的沿叶高的分布,并给出了吸力面极限流线及型面静压.结果表明,附面层吸除可有效改善叶栅气动性能,低能流体被吸除使得吸力面及角区的分离减小,增大了通流能力,叶栅负荷及扩压能力得到提升,且吸气量越大改善越显著,在60%轴向弦长位置吸气效果最佳;吸气位置对吸气效果的影响要大于吸气量,适当增加吸气量可增强吸气效果,最佳吸气位置及吸气量的选定与扩压过程及栅内分离程度相关.     

变几何涡轮可调导叶瞬时转动气动特性研究

为探究单级变几何涡轮(VGT)在导叶转动过程中的过渡态性能,对某动力涡轮进行了非定常数值计算,应用动网格技术实现导叶转角的改变,并对导叶通道开大或关小过渡过程中涡轮性能进行了分析。结果表明：导叶转角从0°变化到-5°时,单级涡轮效率逐渐下降1.6%,从0°变化到6°时,效率逐渐提高0.5%;质量流量和导叶出口绝对气流角随转角改变接近线性变化,而动叶出口相对气流角、熵增、效率和导叶出口总压损失等随转角改变呈抛物线型变化;过渡态下导叶流场内损失变化主要受上、下端壁处间隙泄漏涡影响,动叶出口熵增变化规律主要受动叶吸力侧泄漏涡和下部通道涡影响,其中下部通道涡的改变是引起熵增变化的主要原因。     

变几何涡轮可调叶栅过渡态特性研究

变几何涡轮使发动机在变工况下的性能得到提升,为了更透彻地了解变几何涡轮导叶转动过程中参数的变化情况,通过数值模拟及试验方法探究可调叶栅过渡态特性。将变几何涡轮导叶进行调节,导叶调大范围为0°~6°,导叶调小范围为0°~-5°,观察过渡态参数变化规律。试验研究表明：导叶在调大及调小过程中,导叶出口质量流量、绝对气流角和绝对马赫数随转角接近线性变化,导叶出口总压损失系数和熵增接近抛物线变化;导叶从0°向-5°转动过程绝对出口马赫数减小了2.2%,总压损失系数增加了37.3%;导叶从0°向6°转动过程中,导叶出口马赫数增加了1.5%,导叶出口总压损失系数减小了15.8%;在导叶转角和二次流改变的影响下,吸力侧和压力侧来流在导叶尾缘后掺混改变,沿叶高分布的出口绝对气流角不同程度地偏离几何出口角;导叶转角调大,上部通道涡沿叶高上移,泄漏涡和通道涡相互削弱,总压损失系数减小。     

变几何涡轮动叶栅流场的PIV实验研究

对某变几何涡轮在不同导叶转角工况下进行了内流场PIV实验研究,获得了动叶叶栅流道及其下游区域详细的流场及涡量场数据,并对其进行了对比分析.结果表明:导叶转角从6°转到-6°的过程中,叶轮出口截面最大速度增加约11%,叶轮流道内部最大绝对速度增加约40.6%,气流角度单调变化,叶轮输出功率在这一过程中增加了42%;但随着导叶转角的减小,下游动叶流道的流动损失有所增加.     

不同攻角下矩形缝隙叶栅流动研究

当压气机叶片负荷很大时,吸力面会发生严重的分离,在此基础上若正攻角继续增加,则叶片整个吸力面都可能发生分离,吸力面分离起始点不断向叶片前缘移动,可能出现类似外流中大攻角三角翼的非对称结构.利用数值模拟方法,采用边界层吹气技术,研究了具有68°折转角的矩形缝隙叶栅在不同攻角条件下的流动特点和气动性能.计算结果表明,叶片采用压力面到吸力面的吹气槽,在正攻角较大时能有效控制扩压叶栅中的附面层分离,消除原型叶栅中非对称的旋涡结构,降低气动损失,其中在+4°攻角下可将能量损失系数降低约12.5%,同时可使流通能力大大改善,扩大稳定工作范围.     

压气机静叶栅流场畸变试验可行性探索及流场分析

为了能够通过叶栅试验研究总压畸变对压气机静叶流场结构的影响,本文在已有研究成果的基础上,提出通过改变局部进口导叶安装角来实现静叶进口不均匀流场的试验方法,并采用数值模拟研究了不同条件下静叶流场变化情况。研究表明,采用可调导叶实现静叶前气流角周向不均匀的流场是可行的。随着4号导叶安装角的减小,静叶进口气流角、密流等参数趋于周向不均匀,但各参数不均匀的形式略有不同;流动损失主要由导叶尾迹和泄漏流引起,4号导叶安装角的减小使损失增大,从而加重了下游6号和7号静叶吸力面的分离,恶化了下游流场。     

串列叶栅前后排叶片周向相对位置对离心压气机性能的影响

串列叶栅前后排叶片相对位置对串列扩压器的性能有重要影响.根据离心叶轮出口气流参数设计了一离心式串列叶栅扩压器,并利用数值模拟方法在前、后排叶栅周向相对位置分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%时对离心压气机级进行了计算和分析,研究周向相对位置变化对离心压气机性能的影响以及作用机理.数值模拟结果表明:随着前后排叶栅周向相对位置变化,后排叶栅前缘滞止高压区相对前排叶栅的位置发生了变化,影响了前排叶栅压力面的压力分布,从而改变了前排叶栅压力分布及大小;当前后排叶栅周向相对位置为30%时,扩压器性能达到最佳,使压气机总压比和等熵效率最大,稳定工作范围增大;前后排叶栅所形成的渐缩通道可抑制后排叶栅吸力面边界层的分离.     

高负荷涡轮扇形叶栅变攻角气动试验研究

为了探究不同出口马赫数、进口攻角对涡轮叶栅气动性能的影响,本文在进口气流偏离轴向23°的条件下,试验出口马赫数分别为0.7、0.8、0.9,并在出口马赫数为0.8的条件下,攻角分别为0、±7.5°与±15°,对某型涡轮扇形静叶栅进行了吹风试验。试验结果表明:随着出口马赫数的增加,叶片载荷增大,出口总压损失增加,出口气流角减小;随着进口气流攻角从负到正的变化,叶片前缘压力载荷增加,出口气流角增加,总压损失先减小再增大,且攻角为0时,总压损失最小。     

轴流式压气机级变几何叶栅的设计研究

先进的轴流式压气机在非设计状态下工作时,常利用某种变几何气流调节来适应速度图的需要。变几何调节可应用进口导叶、转子叶栅及单列和串列静子叶栅。通过典型的叶片基元性能曲线研究,说明现代设计中越来越愿采用变几何叶栅的理由;利用己发表的结果和简单分析指出绕固定轴旋转叶片作调节时出现的一些缺点。最后对应用气动与几何联合调节改变压气机特性提出建议。     

基于大涡模拟及实验的压气机叶栅角区分离研究

为了研究叶栅内部的流动特性,以及不同攻角下的角区分离模式,对压气机叶栅流场进行了分析。针对两种攻角条件下的平面叶栅模型,采用瞬态雷诺时均(URANS)以及大涡模拟(LES)湍流模型进行了数值模拟研究,并结合叶栅风洞实验验证了数值模拟结果的准确度。对比研究了零攻角以及10°攻角下的叶栅出口流场,叶栅、端壁表面极限流线,以及角区分离结构。研究结果表明:LES能够较好地对角区、尾迹损失进行预测,但URANS在大攻角下的模拟则与实验偏差较大;零攻角下吸力面出现层流分离泡、转捩以及再附现象,而大攻角下吸力面前缘未出现层流分离,而是直接发生转捩以及再附现象;与零攻角相比,10°攻角下的角区分离在展向范围未发生明显变化,在横向范围有小幅度增加,但吸力面附面层分离导致尾迹范围扩大了接近130%,同时总压损失系数提高了接近135%,即大攻角下的主要损失是由吸力面附面层分离以及尾迹损失带来的,而非角区分离。     

采用壁面吸气改善叶栅性能的数值模拟

针对某大折转角子午扩张型导叶，通过数值模拟，讨论了端壁附面层抽吸对叶栅性能的影响。结果表明：对于大分离叶栅，在靠近吸力面的端壁上进行附面层抽吸可以获得最佳效果。端壁抽吸可以改变流场的分离形态，遏止端壁角区的分离，并延迟和减小吸力面的分离。从而在大部分叶高上使得叶片负荷增加，损失减小，并且沿径向分布趋于均匀。     

新型变几何导叶试验研究

本文通过一系列平面叶栅试验,得出轴流压气机可变尾缘进口导叶的气动特性。该特性优于可转导叶的特性,损失系数小于可转导叶。提出变尾缘叶栅几何参数选取原则及其最佳值范围。按最佳参数构成的这种叶栅,气流转折角和损失系数很接近常规大弯度光滑叶型的数值,宜代替可转导叶作为压气机进口导叶。试验结果可直接应用于设计。     

吸力面抽吸位置影响大转角扩压叶栅气动性能的数值研究

本文采用经过实验校核的数值模拟方法,研究了吸气位置对大转角矩形扩压叶栅气动性能及流场结构的影响,详细对比分析了原型叶栅和三个吸气叶栅的流动情况.结果表明附面层吸除能显著降低叶型损失和尾迹掺混损失,同时还能够有效抑制角区分离,改善流场结构.     

带有可调导叶的径流涡轮气动特性的研究

采用数值模拟的方法对单级径向涡轮在导向叶栅的不同开度、不同工况下的全流场进行了三维模拟分析。研究表明,可调导叶对涡轮性能的影响是叶栅收敛度、气流冲角与出气角的综合影响。在综合考虑了导叶损失以及叶轮损失的基础上,提出了变几何径向涡轮随速比变化的调节方案。     

大转角扩压叶栅气动性能与流动结构的实验研究

设计了低速轴流风扇叶型转角45°、扩压因子超过0.6的扩压叶栅,测量了在设计工况与±10°攻角范围内的叶栅气动性能,采用PIV技术获得了对应工况下的叶栅内部流动状态。结果表明:扩压因子超过0.6时,增加叶型几何转角不能继续增加气流实际转角,气流转角反而有下降的趋势,叶栅损失明显增加。叶栅内流动的测量结果显示,在非设计工况下,大转角高扩压度叶栅后半段的流体流动与叶栅分离,造成了叶栅尾迹区域明显增大,这是导致叶栅流动损失增加的主要原因。