非均匀进口条件下翼刀在静叶流场中的应用研究

发布时间：2020-10-27 05:01

　　 压气机作为航空燃气涡轮发动机的核心部件,其性能的高低对发动机的性能产生重要的影响。在实际工作中,其进口流场常常是不均匀的,导致静叶吸力面-轮毂角区分离加剧,流动损失增加,进而影响整台发动机的正常工作,因此,提高不均匀进口条件下压气机的气动性能已成为燃气轮机发展研究的重要部分。翼刀属于附面层隔离装置,能够阻断低能流体的迁移,提高吸力面-轮毂角区抵抗分离的能力,国内外学者研究发现,其对降低流场损失起积极作用。非均匀进口会加剧静叶流道内低能流体的迁移,造成流场损失增加,这种流场特点有利于翼刀技术优势的发挥,考虑实际气流流动的三维特性,研究基于扇形叶栅。本文以课题组扇形叶栅实验件为研究对象,采用数值模拟的方法就翼刀技术对非均匀进口条件下静叶流场的影响进行研究。首先通过旋转个别导叶以制造静叶进口的不均匀流场并将受不均匀进口条件影响的静叶流道确定为翼刀技术应用的目标流道。然后在其静叶吸力面加装4种叶高位置和2种翼刀高度的吸力面翼刀、在其轮毂表面加装6种周向位置的端壁翼刀,通过对目标流道总压损失系数、静叶出口 S3流面参数及吸力面极限流线进行分析,探讨翼刀对流场的作用效果及影响规律。为保证计算效率和结果的准确性,实验件采用全结构化网格划分方式,并对翼刀附近的网格进行加密处理。结果表明,在亚声速来流条件下,翼刀技术能够有效降低受不均匀进口条件影响的静叶流道流场损失,最佳翼刀方案为位于轮毂表面且距压力面15%节距位置的端壁翼刀方案,其能够将目标流道的流场损失降低20.3%。吸力面翼刀由于与吸力面-轮毂角区低能流体发生较强相互作用衍生出复杂漩涡结构加大了角区损失,对降低流场损失的作用效果不大。各翼刀方案对低能流体迁移的阻滞作用均较为明显。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V235.1
【部分图文】：

测量等特点不利于实验的开展；相比于以上两种实验方法，扇形叶栅风洞实验具??有实验成本低、流场易于测量、能够较为准确还原气流在压气机中的实际流动状??态等优点被应用于叶栅风洞实验，如图１．２。??１?２?３?４?５?６?７?８?９?１０?１１??．．．．．．．．ｔｔｉｌ—．？．．．．．．．．—??１风机；２风管；３整流网；４整流栅；５圆筒体；６温度计；７总压探针：８扇形导叶；??９探针坐标架；１０五孔探针；１１试验叶柵：??图１．２某扇形叶栅风洞示意图??Ｆｉｇｌ．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?Ｓｅｃｔｏｒｉａｌ?Ｃａｓｃａｄｅ?ｗｉｎｄ?ｔｕｎｎｅｌ??为提高风洞实验效率，通常对所研究的问题在实验之前进行数值模拟分析，??本文应用定常ＣＦＤ手段在扇形静叶栅进口存在周向总压畸变条件下，翼刀技术对??静叶流场的影响，尤其是对静叶端壁角区分离的影响进行研究。具体为分别构造??吸力面及端壁翼刀并将其放入受不均匀进口条件影响的静叶流道中，研究其对静??－３－??

发现在低负荷工况下，转子动叶吸力面－轮毂角区发生流动分离，即角区分离，沿??径向位置约占２５％。高负荷工况时，角区分离范围增加至叶片吸力面全叶高，如??图１．３，同时动叶尾迹中的径向流动急剧增加，把附面层分离的低能流体向叶尖输??运，使得动叶出口尾迹的宽度和叶尖损失增大，导致压气机性能恶化。Ｊｏｓｌｙｎ［２Ｑ］??等随后将该单转子试验台改装为两级并对第二级静叶角区分离对压气机气动性能??的影响进行研究。发现在三种流量工况下即大流量、设计流量和近失速工况下均??存在角区分离，且随着流量降低，第二级静子叶片轮毂角区分离程度増强，造成??－４－??

流动损失显著增加。８也１＾『２１］等通过压气机环形叶栅实验发现叶栅吸力面－轮毂角??区出现明显的三维分离，认为分离是由于通道涡向吸力面卷吸轮毂周围的低能流??体造成的，且随着攻角的增加，分离区的范围显著增大，如图１．４所示。??－梦，，＃??’嘗，虑纖??－?Ｍ．２?ｄ＊ｇ?霣?ｉ７?名（ｋ句??图１．４不同进气角下环形叶栅的流动显示结果［２１１??Ｆｉｇｌ．４?Ｆｌｏｗ?ｄｉｓｐｌａｙ?ｒｅｓｕｌｔｓ?ｏｆ?ａｎｎｕｌａｒ?ｃａｓｃａｄｅ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｉｎｔａｋｅ?ａｎｇｌｅｓ１２１１??在实际的发动机里，由于上游转子尾迹的作用，静叶栅进口周向不均匀。??Ｓｃｈｕｌｚ％等采用在环形叶栅实验台静子前面安装旋转金属条的方式模拟转子尾迹，??并探究了环形叶栅前有无转子尾迹对叶栅角区分离的作用。结果表明，尾迹增加??了来流的湍流度，减小了角区分离的影响范围，使得流道堵塞程度得到缓解，如??图１．５所示，当存在转子尾迹时，叶栅表面层流分离泡基本消失，角区分离范围也??有所减小。??ＬＥ??ＴＫ?????盡??图１．５叶片吸力面油流结果（左：不带转子；右：带转子）问??Ｆｉｇｌ?．５?Ｒｅｓｕｌｔｓ?ｏｆ?ｏｉｌ?ｆｌｏｗ?ｏｎ?ｓｕｃｔｉｏｎ?ｓｕｒｆａｃｅ＾??除了采用实验手段对角区分离机理进行研究
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 傅文广;孙鹏;徐佳汇;;非轴对称静叶对跨声速风扇流场影响的数值研究[J];大连海事大学学报;2015年01期

2 茅晓晨;刘波;曹志远;张鹏;;端壁射流对压气机叶栅角区分离控制的研究[J];推进技术;2014年12期

3 李丽丽;潘若痴;李涛;孙鹏;;风扇静叶扇形叶栅实验方法及其气动特性的数值研究[J];大连海事大学学报;2014年04期

4 朱兰;张剑;卿雄杰;;高压涡轮导向器扇形叶栅试验及改进设计验证[J];燃气涡轮试验与研究;2014年05期

5 钟兢军;高海洋;孙鹏;;畸变条件下压气机静叶内部流场数值研究[J];工程热物理学报;2013年07期

6 钟兢军;杨凌;韩少冰;;不同长度端壁翼刀对跨声速压气机叶栅二次流影响的数值研究[J];工程热物理学报;2012年05期

7 郭爽;陈绍文;陆华伟;宋彦萍;陈浮;王仲奇;;组合抽吸对大转角扩压叶栅性能的影响[J];航空动力学报;2010年12期

8 王掩刚;牛楠;赵龙波;周铮;;端壁抽吸位置对压气机叶栅角区分离控制的影响[J];推进技术;2010年04期

9 杨凌;钟兢军;严红明;;压气机环形叶栅中应用吸力面翼刀的数值研究[J];工程热物理学报;2010年06期

10 田夫;钟兢军;;压气机叶栅内不同高度端壁翼刀的实验[J];航空动力学报;2010年04期

相关博士学位论文 前2条

1 高海洋;畸变条件下端区流动对压气机稳定性影响的机理研究[D];大连海事大学;2014年

2 孙鹏;总压畸变对跨声速风扇流场结构影响的全流道数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2007年

相关硕士学位论文 前4条

1 罗金汉;基于侧板抽吸的扇形叶栅气动设计研究[D];大连海事大学;2017年

2 滕礼志;用于畸变条件下非轴对称静叶研究的扇形叶栅气动设计[D];大连海事大学;2017年

3 张起铭;高负荷风扇静叶栅气动特性的数值研究[D];大连海事大学;2013年

4 陈钱;叶轮机械相关流动中几种湍流模型的预测性能[D];清华大学;2007年

本文编号：2858080