弯扭叶片理论与设计方法作业

弯扭叶片,作业

弯压气机叶栅内端壁流动的实验与数值模拟研究 摘要：在弯压气机叶栅中，为了理解三维的流动状况，尤其是角区失速现象，已经进行了大量详细的实验和数值模拟研究。这些弯叶片流动状况的实验和数值模拟结果都是与直叶片进行对比。直叶片的数值模拟结果显示，在靠近叶片吸力面位置处存在两个对旋涡。弯叶片的计算结果显示涡的存在变弱了，究其原因是因为在弯叶片壁面处的叶片载荷较直叶片小。当气动载荷增强的时候，在直叶片靠近角区失速位置形成了三个涡，同时当靠近角区失速区域的涡的数量减少到两个是时候，在靠近前缘位置形成了一个涡。

术语

AVDR

C

Cax

DF

h

k

M

Pt

Ss,Sb

Tu

u,U

x

y

z = = = = = = = = = = = = = = 轴向速度密度比 弦长 轴向弦长 扩散系数 叶高 湍动能：k u 2/2 等熵马赫数 总压 前缘鞍点 湍动度：Tu u 2 速度：u u u 轴向方向 周向方向 径向方向 下标 1 2 上标 / = = = = = 气流角 叶型弯角 弯角 安装角 总压损失系数 (Pt1 Pt2)/(Pt1 P1) = = = = 前缘上游进口截面 尾缘下游出口截面 周向质量平均或时间平非稳态

1 引言

对于燃气轮机，多级轴流压气机的低损失、高效率是尤为重要的。在现有的高负荷、小展弦比叶片的多级压气机三维流场是复杂的，并且壁面损失来源于二次流的增强。因此，降低二次流损失以达到效率的提高是有必要的。

迄今为止，关于弯、掠及端壁弯曲叶片的三维流场研究已经进行很多了。在线性压气机叶栅中，关于弯和掠叶片的影响的实验研究已经被报到出来了。Weingold等人进行了搭载弯曲静叶的三级高速压气机实验，发现能够提高压比和效率。Fischer等人在一个四级高速轴流压气机中研究了大弯角静叶的流场影响。LeJambre等人在一个包含弯叶片的十一级高压压气机演示了效率提升2%的一个实验。Gummer等人对高负荷跨音速压气机描述了弯和掠概念。他们的数值研究显示，先进的叶片能提高径向载荷分布并且改善端壁边界层的发展。

弯扭叶片,作业

近来，一些数值模拟分析已经完成，目的是为了理解在轴流压气机叶片角区失速位置流动机理。这其中有两个文献阐述了在一跨音速压气机动叶或者静叶中靠近叶片吸力面靠后位置处角涡的形成，同时在另一篇文献中展示了在一线性压气机叶栅中靠近角区失速位置处三维分离情况。

在此之前，还没有详细介绍关于弯叶片压气机叶栅中角涡以及吸力面分离的文献。

本文通过实验和数值模拟揭示了弯叶片压气机叶栅三维流场，尤其是角区失速位置。关于弯叶片二次流和角区位置的实验和数值模拟结果都是与直叶片进行比较。数值模拟结果是用来初略获得叶片和边壁表面角区的流动机理。同时本文还详细研究了进口气流角对角区失速的影响。

原文下一部分详细解释了实验建立过程，在此不过多叙述，仅把重要参数给出。测量使用三孔探针测量，叶片表面以及端壁采用表面油膜法观察流动。叶型采用NACA65叶型，叶栅共七个叶片，测量只采用中间流道，具体参数详见表1，叶片扩散系数大约为0.4，为了考察进口气流角对二次流以及角区失速的影响，采用44.1°，47.1°和50.1°三种进口气流角。进口流速60m/s，雷诺数2.2×105。

表1 叶栅几何参数

图1展示了弯叶片叶栅的外形。

2 数值模拟步骤

数值模拟分析使用的是基于雷诺时均N-S方程和带有壁面函数的标准k 模型的内部代码。控制方程采用有限体积法进行求解，对对流通量采用三阶迎风格式，扩散通量采用二阶中心差分格式。时间积分采用二阶显格式。

在进口边界，总压、总温沿径向分布情况以及进口气流角都是固定的。出口边界固定静压。进口气流角分别设定为42.1，44.1，47.1，50.1和52.1度。

采用标准H型网格，三维计算所用网格周向40个网格节点，径向40个节点，轴向124个节点，总网格数200,000。

弯扭叶片,作业

图1 弯叶片叶栅的外形

3 结果和讨论

3.1 实验与数值模拟结果分析

图2所示为在设计进口气流角（47.1度）下，直叶片和弯叶片吸力面以及端壁表面上得到的实验流线和数值模拟极限流线的对比，其中实验结果是通过表面油膜法得到的。实验数据显示出在叶片吸力面和端壁表面都有角区失速团。数值模拟结果也显示在叶片流道靠后位置有角区失速。数值结果与实验结果是相吻合的。从叶片吸力面的实验结果可以看出，在从前缘向下游靠近60%弦长处，存在一个层流分离泡。然而，在数值模拟结果中却没有，原因是在计算过程中流动是被假定为完全的湍流。

(a) 直叶片 (b) 弯叶片

图2 表面油膜法实验结果和壁面极限流线（ 1 47.1 ）

弯扭叶片,作业

图3所示为在叶片尾缘后50%弦长处，总压损失系数沿径向分布规律的测量和数值模拟结果对比。在实验结果中，两种叶片的总压损失主要集中在25%到50%叶高处。在靠近端壁处，测量结果中弯叶片的总压损失是较直叶片小的，但是，弯叶片和直叶片在大约10%叶高处损失基本相等。数值模拟结果的总压损失系数相比较测量结果要小。测量和计算结果在数值上是不同的，但是他们的数值走势是相同的。弯叶片在靠近端壁处对于减小二次流损失的影响已经在文献1和4中阐述过了。

图4所示为折转角沿径向分布规律的测量和计算结果对比图。两种分布在数值上是吻合的，并且在实验和计算结果中，过转和欠转出现在约为10%叶高处，原因在于二次流动。弯叶片能够控制端壁边界层内的二次流，同时在靠近端壁处的欠转情况也得到好转。

图3 周向质量平均总压损失系数对比图

（ 1 47.1 ，x/Cax 1.5） 图4 周向质量平均折转角对比图（ 1 47.1 ，x/Cax 1.5）

图5中一系列图片所示为三个不同截面，叶片流道靠后位置（x/Cax 0.92）处周向湍动能和湍动度的分布情况。测量与数值模拟结果在数值上是吻合的。在叶片吸力面和压力面的湍动度测量尽可能使用单一热线探针。湍动度反映了流动速度波动情况，并且在涡形成的地方流速波动越明显。因此，在湍动度与总压损失之间存在某种联系。靠近叶片吸力面的湍动度较压力面高。直叶片在50%叶高处湍动度与弯叶片差不多一样。随着不断向端壁靠近，直叶片的湍动度要比弯叶片的高。显然，通过弯叶片的设计，在吸力面和端壁的湍动度被抑制，并且总压损失也降低了。

3.2 弯叶片压气机叶栅的影响

图6所示为数值模拟得到的直叶片和弯叶片的极限流线。从图中我们也可以看到分离点和分离线，靠近端壁处的分离点标志着分离的起始。角区失速团聚集在靠近端壁的吸力面处。由于角区失速的作用，主要流动区域在叶片流道靠后位置被压缩，变得狭窄。弯叶片分离点在流道中的位置较直叶片提前了，但是，弯

弯扭叶片,作业

图5 三个不同截面下沿周向的测量湍动度及计算下的湍动能的对比图

1 47.1 ，x/Cax 0.92

叶片的主要流动区域较直叶片要宽，因为弯叶片的分离区域更小一些。

图6 计算得到的吸力面极限流线图（ 1 47.1 ）

弯扭叶片,作业

图7所示为数值模拟得到的尾缘后50%弦长处轴向速度密度比（AVDR）沿径向分布规律。在径向20%至50%部分内，直叶片的AVDR较弯叶片要高，原因在于二次流动以及在叶片流道靠后位置的相关角区失速的不断增强 …… 此处隐藏：2858字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……