葉尖小翼控制壓氣機(jī)葉頂間隙流動(dòng)的研究.pdf

1、葉頂間隙流動(dòng)對(duì)壓氣機(jī)性能和穩(wěn)定性都有著極其重要影響，如何通過(guò)合理控制葉頂間隙流動(dòng)，調(diào)控葉尖各旋渦之間的相互作用，對(duì)于提高燃?xì)廨啓C(jī)的氣動(dòng)性能和穩(wěn)定性有著重要意義。近年來(lái)，葉尖小翼技術(shù)在葉輪機(jī)械領(lǐng)域也受到廣泛關(guān)注，對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)深入的研究，可以為提高葉尖小翼技術(shù)在實(shí)際壓氣機(jī)中應(yīng)用的可靠性、有效性及廣延性奠定基礎(chǔ)。
　　 本文采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量并結(jié)合數(shù)值模擬，針對(duì)葉尖小翼控制壓氣機(jī)矩形葉柵和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子間隙流動(dòng)進(jìn)行研究，揭示了葉尖小翼對(duì)

2、壓氣機(jī)葉柵和轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能的影響規(guī)律。通過(guò)改變間隙尺寸、來(lái)流沖角及小翼幾何形狀，研究了以上諸因素對(duì)葉尖小翼控制間隙泄漏效果的影響。
　　 本文第一部分首先實(shí)驗(yàn)研究了葉尖泄漏與壓氣機(jī)葉柵三維角區(qū)分離之間的相互作用機(jī)制，而后研究了近零沖角和不同負(fù)沖角條件下不同安裝方式葉尖小翼對(duì)葉柵間隙流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明適當(dāng)大小的葉頂間隙引入的泄漏流阻止了端壁二次流動(dòng)與葉片吸力面附面層之間的相互作用，消除了三維角區(qū)分離，改善了葉柵性能。吸力面小翼使得

3、泄漏渦渦核更靠近葉柵流道中部，上通道渦受泄漏渦的擠壓作用遷移至相鄰葉片壓力面?zhèn)?，葉頂泄漏渦、上通道渦及集中脫落渦之間的相互作用減弱。壓力面小翼使得葉尖泄漏流切向動(dòng)量減弱，泄漏渦渦核向葉片吸力面/端壁角區(qū)側(cè)遷移。泄漏渦對(duì)上通道渦的抑制作用減弱，上通道渦的作用范圍擴(kuò)大。組合小翼方案中存在著吸力面小翼和壓力面小翼的雙重作用，受其葉頂較寬及帶來(lái)的附加摩阻較大的影響，在大負(fù)沖角時(shí)葉片端壁/吸力面角區(qū)處泄漏渦造成的高損失顯著降低，近端壁區(qū)氣流欠偏轉(zhuǎn)

4、程度減弱。
　　 第二部分實(shí)驗(yàn)研究了帶不同寬度葉尖小翼葉柵的變間隙特性和變沖角特性。結(jié)果表明，小間隙時(shí)不同寬度葉尖小翼均使得葉柵損失增加，中等間隙和大間隙時(shí)不同寬度的吸力面小翼均使得泄漏渦強(qiáng)度減弱且作用范圍減小，通道渦更靠近相鄰葉片壓力面且作用范圍縮小，葉柵總損失降低。最大寬度的壓力面小翼降低了50％-80％葉高的葉片尾跡區(qū)損失，葉柵總損失較其他葉柵為最低，但會(huì)使得葉柵出口氣流角沿展向分布的不均勻性增強(qiáng)。在較大的正沖角條件下不同

5、寬度的葉尖小翼僅弱化了間隙中后部的泄漏流強(qiáng)度，減少了其對(duì)泄漏渦的補(bǔ)充作用。
　　 第三部分首先利用數(shù)值模擬方法研究了融合式葉尖小翼對(duì)葉柵間隙流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明不同安裝方式的融合式葉尖小翼都可以有效降低葉頂泄漏流速，削弱泄漏渦強(qiáng)度，葉尖小翼改變了葉尖負(fù)荷及泄漏渦運(yùn)行軌跡，進(jìn)而影響了葉尖流場(chǎng)各渦系之間的相互作用。其次研究了端壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)葉柵間隙流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)端壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)葉柵通道內(nèi)出現(xiàn)刮削泄漏渦，上通道渦及葉頂分離渦受到抑制，葉

6、尖負(fù)荷增大，間隙泄漏流量增加。接著探討了融合式葉尖小翼對(duì)壓氣機(jī)低速孤立轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能的影響，融合式吸力面小翼使得轉(zhuǎn)子中泄漏渦軌跡更遠(yuǎn)離葉片吸力面，減弱了其對(duì)葉片吸力面附面層的卷吸作用，導(dǎo)致葉片吸力面附面層分離程度加劇。壓力面小翼使得泄漏渦軌跡更靠近葉片吸力面，抑制了轉(zhuǎn)子葉片吸力面的附面層分離，可以在效率略有降低的情況下有效拓寬壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的流量范圍。接著針對(duì)某跨音壓氣機(jī)級(jí)詳細(xì)分析了影響其失速穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，壓氣機(jī)級(jí)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工作時(shí)，動(dòng)葉中

7、激波/葉尖泄漏渦相互作用產(chǎn)生的阻塞區(qū)和附面層徑向渦引發(fā)的附面層分離阻塞區(qū)及它們所導(dǎo)致的下游靜葉附面層分離是影響壓氣機(jī)級(jí)失速的關(guān)鍵因素。最后研究了融合式葉尖小翼對(duì)跨音速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)吸力面小翼使得泄漏渦較早地與通道激波作用并發(fā)生破裂，造成葉片通道上游壓力面?zhèn)刃纬傻牡退賲^(qū)范圍較原型動(dòng)葉顯著增大，誘發(fā)跨音速轉(zhuǎn)子較早失速。壓力面小翼方案中，通道激波位置較原型更遠(yuǎn)離葉片前緣，同時(shí)受從轉(zhuǎn)子前緣葉尖發(fā)出的泄漏流強(qiáng)度減弱的影響，泄漏渦與