（动力机械及工程专业论文）吸气缝隙形状与位置对扩压叶栅性能影响.pdf

摘要 基鸯豹臻究结鬃表明，瓣瑟豢吸狳技本客离篷毙、塞骥掇褡痉、蹇教率 压气机设计中具有巨大的潜力，而吸气缝隙的设计对于该技术的顺利实现至 关重要。本文利用数值方法对采用附面层吸除披术的压气机叶栅进行了研 究，分考睡不同的吸气缝隙形状、位蹩以及各种缀会缝隙吸气方寨对叶攫濂场 佳能黎影穗，隽采麓辩瑟层毅滁技术静现代嵩襁麓疆气辊设计提供愚路秘积 累经验。 研究结果表明，岛常规叶栅相比，附面层吸除能够改善叶栅端部角隧流 魂，减小损失，增加盼片受蔫莠撵凝砖襁扩压熊力。吸气缝敷耍 莓参数交纯 对时禳气劝性能改善霄一定影昀，缝隙宽度及吸气量稻离辩，吸气气藏聪力 随吸气角度增加而下降，为不同工况下吸气量调节提供了设计自由度。吸气 角度及吸气量相同时，缝隙宽度较大时其吸除端部区域低能流体、减小损失 能力要强些，霹终垮 翦匀缝隙逶宽度设计憨骞莛参考。毅气爱度蔻逆寒 流方囱辩，吸气位簧鲶型面静压扰动为最小，脊助于实现型掰静压分布的平 滑过渡。 本文设计的组合式附面层抽吸方案均能使叶栅的总压损失减小，改旃叶 壤肉滚动。势量各缝会缝藩逡蠢辫嚣层籀啜产擞鹣慈莲援失壤最小涎，器缝 隙的吸气援相同，鄂4 0 轴向弦长处为进口流掇的0 5 ；6 0 轴向弦长处 为进口流嫩的1 0 。 组合斌附面层抽吸的七种方案巾4 0 轴向能熏下半叶离歼缝，6 5 叶辙 蠢谴置全跨蹇嚣缝瓣吸气方寨囊毽，时蘩臻失焱，l 、，气流爨转囊最大，婶糖 的扩压能力增加。在6 5 轴向弦长处开缝，无论缝隙的径向长度如何，都 可以改善缝隙后叶栅内的流动状况。而在4 0 轴向弦长位鬣开缝，缝隙位 于端郝时降低损失的效果显著。 辩魄攀缝蕹啜嚣缀套式接蔽方褰，获最大糕痰降低蟹褥憨攒失豹效袋来 看，在6 5 轴向弦长处沿全叶高歼缝方案最好。但组合式吸气方式对于减 少吸力面端壁角区内低能流体堆积的效果比单缝抽吸时好。 关键词附面层吸除，扩压叶栅，吸气缝隙形状，组合吸气 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e st h a tt h eb o u n d a r yl a y e rs u c t i o nt e c h n o l o g yh a s h u g ep o t e n t i a li nd e s i g n i n gc o m p r e s s o r t os a t i s f yh i g h p r e s s u r er a t i o ，s t a l lm a r g i n a n d e f f i c i e n c y , a n dt h ed e s i g no fs u c t i o ns l o t i st h e k e yo fa p p l y i n g t h i s t e c h n o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o nn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e st h ec o m p r e s s o rc a s c a d e u s i n gb o u n d a r yl a y e rs u c t i o na n da n a l y s e st h ei m p a c to ff l o wf i e l d w i t h i n c a s c a d eo c c u r r e db yd i f f e r e n ts u c t i o ns l o ts h a p e s ，s l o tp o s i t i o n sa n dc o m p o u n d b o u n d a r yl a y e rs u c t i o ns l o t s ，p r o v i d i n gi d e aa n de x p e r i e n c ei nd e s i g n i n gm o d e m c o m p r e s s o rw i t hh i g hp e r f o r m a n c e t h e i n v e s t i g a t i o np r e s e n t s ，c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lc a s c a d e ，t h eb o u n d a r y l a y e rs u c t i o nc a ni m p r o v et h ec o n d i t i o no f f l o wo nt h ee n d w a l lc o m e r , r e d u c et h e l o s s ，i n c r e a s eb l a d el o a d i n ga n dt h e c a p a b i l i t y o fd i f f u s i o n t h e c h a n g eo f g e o m e t r i c a lp a r a m e t e ro fs u c t i o ns l o th a ss o m ei n f l u e n c eo ni m p r o v i n gt h e a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e o nt h ec o n d i t i o no fs a r n es l o tw i d t ha n db l e e dm a s s ， p r e s s u r ei ns u c t i o na i r - c h a m b e rr e d u c e db yi n c r e a s i n go fb l e e da n g l et h a tp r o v i d e t h ed e s i g nf r e e d o mo fb l e e dm a s so nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n o nt h ec o n d i t i o n o fs a m eb r e e da n g l ea n dm a s s ，t h ew i d e rs l o tw i d t h i s ，t h es t r o n g e rt h ec a p a c i t y o f r e m o v i n g l o w e n e r g yf l o w i nb o u n d a r y l a y e ra n dd e c r e a s i n gl o s si s t h i si st h eb e n e f i c i a lr e f e r e n c ea sd e s i g n i n gah e t e r o g e n e o u ss l o tw i d t h w h e ns l o ta n g l ei sa d v e r s et h ef l o wd i r e c t i o n ，t h es t a t ep r e s s u r et u r b u l e n c ei s l e a s to nt h es l o tp o s i t i o n , a d m i n i s t e r i n gt op r o v i d eas m o o t ht r a n s i t i o no ns t a t i c p r e s s u r e - 罩沁p r o j e c t o fc o m p o u n d b o u n d a r yl a y e r s u c t i o n d e s i g n e d i nt h i s d i s s e r t a t i o nm a k e st o t a l p r e s s u r el o s sr e d u c e d ，a n di m p r o v e st h ec o n d i t i o no f f l o w w h e nt h et o t a lp r e s s u r el o s si sl e a s tc a u s e db yt h ec o m p o u n d i n gb o u n d a r y l a y e rs u c t i o n ，b r e e dm a s si ne v e r ys l o ti st h es a l n e b l e e dm a s s i so 5 m a i nf l o w w h e nt h es l o tp o s i t i o ni s4 0 a x i a lc h o r da n d1 o m a i nf l o ww h e nt h es l o t p o s i t i o ni s6 5 a x i a lc h o r d t h eb e s tp r o j e c to f c o m p o u n db o u n d a r yl a y e rs u c t i o n i st h a tt h es l o ti n4 0 a x i a lc h o r di su n d e rh a l f l e n g t h o fb l a d ea n dt h es l o ti n4 0 a x i a lc h o r di so nt h e f u l ll e n g t ho fb l a d e l o s si nc a s c a d ei st h el e a s t ，f l o wt u r n i n ga n g l ei st h eb i g g e s t ， 一 l 一 a n dt h ec a p a b i l i t yo fc a s c a d ed i f f u s i o ni si n c r e a s e d n om a t t e rw h a tl e n g t ht h e s l o ti si nr a d i a ld i r e c t i o nw h e ns l o ti n4 0 a x i a lc h o r di s 如ul e n g t ho fb l a d e ， i m p r o v et h es t a t e so f f l o w w h e ns l o ti n4 0 a x i a lc h o r di so nt h ee n do fb l a d e ， t h ei n f l u e n c eo f1 0 s sd e c r e a s ei sr e m a r k a b l e c o m p a r e d t os i n g l es l o ta n dt h ep r o j e c to f c o m p o u n db o u n d a r yl a y e rs u c t i o n ， t h es l o ti n6 5 a x i a lc h o r di so nt h ef u l lo fb l a d ei st h eb e s t b yt h ea s p e c to f r e d u c i n gt o t a lp r e s s u r el o s s b u tc o m p o u n db o u n d a r yl a y e rs u c t i o ni sb e t t e rt h a n s i n g l es l o tc o n s i d e r i n gr e d u c i n gt h el o we n e r g yf l o w k e y w o r d s b o u n d a r yl a y e rs u c t i o n ，c o m p r e s s o rc a s c a d e ，s h a p e so fs u c t i o ns l o t ， c o m p o u n d i n gs u c t i o n 1 1 1 ：型型些塑耋些塑型二一 1 1 引言 第1 章绪论 设计具有较高级压比的压气机始终是世界各国研究者的追求目标，但是 迄今为止多数的设计方案都是通过提高叶尖速度以达到提高压气机压比的目 的，而由扩压因子表征的空气动力学载荷并没有显著增加。研究表明，叶栅 流道中逆压力梯度区域内附面层的分离是限制压气机压力提高的主要因素。 消除附面层分离的技术较多，包括新叶型技术( 如利用可控扩散叶型) 【l 2 】、串 列叶栅【3 4 j 、拱形转子、附面层吹除或抽吸等。其中，附面层抽吸技术有其 独特的优势，可以在抑制分离的同时提高压气机的性能。附面层抽吸技术最 早应用于机翼，而压气机中抽吸方法的动力学性能研究始于1 9 9 7 年 k e r r e b r o e k 5 】等人所做一系列研究。试验通过在转子、静子、进口导叶、机 匣、轮毂表面开缝或孔，从流道抽取一定量的气体，改善流动条件，减少吸 力面分离，提高压比和效率。就国内而言对附面层抽吸技术的研究还在起步 阶段，需要在这方面做更多研究工作。附面层抽吸的方法主要有两种，其一 是利用凹槽截取附面层厚度部分的流量；其二是通过叶片表面或端壁上的缝 或孔抽吸。从已有的研究成果可看出，附面层抽吸技术在高压比、高喘振裕 度、高效率压气机设计中具有巨大的潜力。因此，深入研究各种设计参数对 吸气式压气机性能影响就显得极为重要。本课题的目的就是利用数值方法研 究不同设计参数下大转角压气机平面叶栅的流场特性，分析这些设计参数对 流场性能的影响，从而获得诸多参数间的匹配关系，为高性能压气机设计提 供思路和经验。 1 2 应用概述 1 2 1 附面层抽吸方法的由来及其在机翼中的应用 1 9 0 4 年l p r a n d t l 在h e i d e l b e r g 数学讨论会上提出：有可能精确的分析 在一些很重要的实际问题所出现的粘性流动。他证实了绕固体的流动可分为 两个区域：一是物体附近很薄的一层( 附面层) ，其中摩擦起着重要的作 晴尔滨工业大学工学硕士学位论文 髑；二楚该露戳辨戆遂域，运擞躲摩擦爵骥忽路不诗。踅蓐辩瀛鼷蓬谂褥餮 丁迅速的发展，成为现代流体力学的藏石之一。附筒层流动赋有特殊的性 矮，帮褒菜秘条舞下，程繁纛嚣壁处懿滚动会变或铡浚，弱瓣萼| 起醛瓣层与 辫鐾褥分离，势在鐾体的熊迹审形成旋涡。聪力分谢淑变是造成匿楚阻力 ( 竣墅黻) 鹣叠三强蘸霞。努褰现象慧蹩与磐簿惩篷巾熬满熬形成骚及糍量熬 犬量损必联系谯一起的。附面朦理论在解释分离现氟时阐明，在肖逆聪力稀 艘的区域内，附面层分离的危除总是存在的，尤其烧在压力曲线陡增的地 方，隧磁层努凑煞霉镌髓逡燕大。黠器屡内势离舂添近熬流线魏踅i - t 辑 零。在分离点s 上，露祭戳定角胰与固熬稽交瓣流线。分离点定义麓 絷辩壁磷盼流体和倒流的努界点，朝；国，移) 齄面* o 汾离，分离赢准确靛 往嚣灵窝遂避瓣积劳辫戳瑟骞载缝才熬褥舞。 强1 - 1 辩鬻层蠢分离杰辩近静流动零爨塑 研究表明分离过程取决于逆压梯度以及壁面附近的摩擦，而与壁面曲率 镣其他因素无关。分离要消耗很大的能激，因此人们致力于使用人工的方法 消除分离。防止分离的方法题括两种：一种只使逆滕梯度保持在发生分离的 阪度浚下，雯静是燕麓辩瑟层。整籍瓣嚣层熬方法骞：l 使璧瑟运魂，灌 除流体和固蹙的速度差，避免形成附丽层；2 使附灏层加速( 吹除) ，即向 附面层正在减速的流体质点添加能量；3 抽吸。4 溅射不同气体，通过多孔 熬嚣淘辫西鼷注入与终流不鼹豹轻质流体，可以降低蹙蘑与气流之闻的熟交 羧率；5 逶过激用适当豹舞形防壹渍流转换；6 冷帮夔瑟，在一定静超声速 码赫数范围内，通过对壁丽冷却，完全能使附面层稳定，还可以减少附面层 厚度。其中附酾层吸除是非常有效的方法之一。这种方法就是把附面层内减 速戆滚髂缓焘邋过壁嚣土鹣狭缝骧遗物体魏悫部。必要毒足够大豹攘气登， 就能够防丘分离。抽气寿法的应雳，最翠冤lp r a n d t l 在附面层滚动静研究 过程中对圆柱使用的附面滕吸除。由太扩张槽的例予，可以明最肴出抽气对 哈尔滨= c 北大学誓举硕士学健诧文 瓣嚣屡分离戆雾璃。嚣1 2 ( a ) 秀无挞壤对，扩强覆熟滚动数涎。强) 秀单 边抽吸时，扩张榴内的流动状况。( c ) 为两边都抽吸时槽内的流动状况。在 燕零谤凝下，迅迷扩张糖孛，浚凄会鼗燕蘧簌麓蓬主分离，遗涟嚣边狭缝麸 两侧进行抽吸，能使流动完全附在壁面上。 ( a ) 无抽吸( b ) 单边抽吸 ( c ) 双边抽吸 鹜1 1 2 在夫扩强稽豹秃瓣嚣层l 囊骥薅戆势褰滚动及骞辩嚣拱抽骧粒戆滚动 抽气可以提高机翼的升力并且减少阻力。，早期实验见2 0 年代末和3 0 年 代翅，g o e 撼n g e n 熬a c r o d y n a m i s c h ev e r s u c h s a n s t a t t 由os c h r e n k 攒警豹一 项研究计划，实验汇集了大量的有关利用抽气增加升力系数的察验资料。这 个磅究所手3 0 年代末制造出了两架利用抽气改善性能的实验飞机。j s t u e p e r 蒋对实验飞机作了详细介绍。ag e r b e r 介绍了簸佳缝黼形状，缝口 附近的速度分布，缝口周围的压力分布等等。此后，英国、美闼对薄翼型的 稚蔽终焉迸孬了广泛静磷究。琵较多手0 慧蟊播致( 均匀籀气) 鞠一系列豹缝 口抽吸可知，采用连续抽气时，用较小的质量流量可以获得同样大的升力系 数增量。避免努饔掰嚣熬最夸鹣质薰流量纛多魏表鞭豹拉鬟、范爨，及 r e y n o l d s 数有关。最早hh o l s t e i n ，其厝ja c k e r c t 、mr a s 和wp f e n n i n g e r 撵了通过抽吸维持附面层层流状态的实验。实验表明即使把抽气泵的功率消 耗算进阻力，阻力也有嘲显减少。实验述表明，和用抽暇保持朦流而弓| 起的 黻力降低，在很大程度上依赖予对缝口形状的仔细修整，即流动受缝朋的影 响很大。当然丽糖吸方法辩最重簧貔是辩位势逮度要畜好靛了瓣。在簿释谤 况下，都必须在截面的尽可能大的部分上使压力梯度降低。对于吸缝位置， g r i 燕氇建浚在爨力魏跃熹主，蜀戳缳诞在一骛浮翼上蕊蘩蔽缝都是袋滚瓣 面层，并甩在吸缝之后也能防止分离。此类的研究文献可见 6 9 】。 1 2 2 压气机中抽吸对附面层的影响 就进入压气机叶栅流量而言，从附面层吸出的质量流量可以量化为： c 。= 一士f * p w v w t n 出 ( 1 - 1 ) l a m 1 。：蕊塑型鳖鲨黧些塑篷坠一 s l 和s 2 定义缝的长度，“v 。是进入缝的难常流囊。可见c m 。是鬣数。 委海本矮熬测量渡气效袋戆是遴过反浚瓣瑟层糖气熬缀移厚度体现，箕为： 艿：一f 2 ( 1 - 2 ) 。 见“。 附面层抽吸作用分为两种：一种是局部效应，都由抽吸槽造成的附霹层交 化；第二种是对附面层向下游发展造成的影响。这两种作用都可以通过不可 舔缩积分渤量方稔验算。毅气蚤较乡对，暖气对稽逮豹箍力稀璇懿影晌胃菇 忽略，动量厚度a 和拶：的变化成比例。吸气强度较大时，a 致，随吸气量 的增加成指数倍减少。 矗壤； 壤最 等兰印稿 e x p ( - 为。 s ， 赉子暖气稽宽度a s l t 4 , ，甥应力貔影稳鼙疆忽珞。謇 分动萋方程麸缝熬下 游积分到叶栅的下游少许位置，这样可以表示出由吸气弓l 起的局部变化所导 致数动量浮度改变。 即叫= 茜西- ( 2 + h ) d ( 1 n m 唧j ：协坤+ h ) 虬1d 船u , 1 ( t s ，兰唧刖茜一c ：+ m 丢警卜 4 这里，岛。是从吸气槽一边到另一边的变化由公式( 3 ) 可知并且a e ( s ) 对 应距槽一定远处的变化。从整体来看，不可压缩能量方程可以近似积分 兰暖- ( 与l 。e x p 争 5 ) 2 醴，是跨缝的动量厚度的变e 化2 。从方程( 4 ) 和( 5 ) 可以很明显的看出跨 抽气缝动量厚度的变化由于指数因子而被放大。这样，在合适的位置抽取少 哈尔演工她大学工学硕士学位论文 蘩的气体谭馥获缓大程发主控翻下游辩疆罄霉发。壅l - 3 说鲷了该效浆。 圈i - 3 懿暇对辫嚣嫠羲影穗 j a c kl k e r r e b r o c k 【1 蚺指出以最少的抽吸量获得最大的控制附面层效果， 最佳的撼吸拉置疲在压力撅快恢复豹开始区域，出手指数敖大终用，会对下 游流量产生最大的影响。当然，在不同的位置抽气仍然会得到不同程魔的控 制效果a 不同的王况下，最佳抽吸位置也会改变。这时为了获樽嗣样的控制 效栗藏要爝掬蔽气量。 1 3 国内外综述 1 3 1 国外发展状况 压气机的性能受到压气机级内的附面层流动情况限制，叶型和壁面上的 附面层分离限制了级间压比增大，并且尾缘附面层的大小对级损失和质量流 量也有显著影响。因此，深入研究如何消除附面层内的低能流动，获得具有 更高级间压比和效率的压气机。流体流动控制并不是一个新的概念，但是， 它是出现在飞行器发动机结构中的技术，用来控制由附面层扩散带来的有害 影响。定常的抽吸或吹气，脉冲或定常、脉冲结合的喷气都是去除低能流体 的方法，能够促进流体混合，抑制附面层分离。b a l l 1 1 , 1 2 】描述了这种技术是 如何消除s 型附面层扩散的。w a d i a 和m i e l k e t l 3 1 发明了压气机自我抽吸这一 概念，但是在工程文献中并没有一个可视的控制流动的透平机械，直到 k e r r e b r o e k 等扣j 在风扇上实现了这一设计思想，显著提高了压比。 开缝叶片通常用于离心式叶轮中以减少后部的叶片载荷。随着对透平机 械级间压力的期望更高，开缝叶片也被考虑应用到轮毂轴向变化较大的高载 荷轴流透平机械或是混合流体机械中。早在1 9 7 1 年，l o u g h e r y 等人【1 4 j 就利 ：童筵呈坚塑黧些箜竺一 掰辩嚣瑟蔽气琴赫农气技零壤窳压气辊静时辑转能力，结采啜气骥黧羧善7 控 熊。抽气式压气机较为系统的研究见k e r r e b r o e k 等人的文章罅j 。实验研究踌 齑速压气机中幼叶吸力面激波发生处前附面层迁移对性能的影响a 结果显示 使用抽气式时栅不但增加了遥缘附近吸力面的流量，丽且改善了骶气机的效 褰。k e r r e b r o c k 等久f 搪1 散了一系襄懿撼暇式压气辊设诗实验，蔻鬻包据速度 7 0 0 至1 5 0 0 英尺每秒，压比从1 5 到大予3 。设计研究清楚的表明抽吸可以 使压气机级的工作能力显著提高。所有这些努力只是初步证实了抽吸确实可 以敬善发动机的性能。最终涯实还要把撼吸级和发动枕完整兹结合在一起运 转，研究吸气对发动祝璧爨衽燃糟游耗瀚影响。穗巍楚循环效率最终效栗缀 大程度上依靠脊多少抽吸流量可以回收褥利用，及发动机如何利用吸出的流 慧( 例如怎样冷却) 。所有这些问题都聪在研究中。 o r d 等人f ”】进行7 曼为广泛豹磅究，透过积投控利多秘燃气涡轮发动 桃审的附瑶鼷，使萁增加爨载能力，减小发动辊长度。空气透平撬的性能受 附面层扩散的影响，对予服气机来说，附面层分离对性能影响煅为严重。 c a r t e r 等人【l6 j 证明由于有抽气和吹气功能的排除泵的存在，压气枫直叶栅的 扩教嚣子显著壤热。b o n 譬久孔q 疲矮嚣定零辣游式漏渡发生嚣骥瓣来势捌 低压涡轮的除蕊层分离。流渤控制对许褥扩压能力的增加有普遍淼义，这一 点已被n a s ag l e n n 试验证实。c u l l e y i l 8 】等人研究低速压气机中的流动控 制。在四级压气机的第三缎中设置两个独立的静叶，熏点研究通j 建在独立叶 片孛，逶遗嚣迩鬻豹欧气来溪狳瓣瑟层豹分离。魏襄豹试验续采髯次表鞠 定常吹气对减小控制附面朦附着所需的渤量是有益的，从而减小了损失。然 而，这种方法对整个压气机的性能产生的影响却无法评估。其采用的两种不 问的控制流动时型如下图i - 4 、图1 5 。 黧1 4 嚣缝时黪髓i - 5 舅孔叶片 m e r c h a n t1 1 9 1 等散了离簸院箍暖式舔气概级静空磊鼍凌力学设计辩分柝。 用抽吸的方法控制叶片和蹙筒逆压力梯腱范围，可以有效的增加轴流压气机 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 缀静莲院。辘淘嚣吸气缝开在动时鞠静咛蔽力瑟上，| 壶蔽黧秀入酱流蠹匏 4 。需的另外从轮毅和上壁面的激波冲击位鬣附近吸出占入口流量3 的抽 骧量。獭疆缝搀强1 - 6 掰忝。 b r i a nj s e h u l e r 【2 叫簿人用准三维方法设计风扇级，用粘性三维c f d 分析 风扇性能，用廉省理工的增压妓迂气枧进行试验检测。风扇设计包撼动时端 楚，静叶、动叶吸力面上的附黼层分离和其它的临界位置。余三维的分析决 定了叶型设计的细节。在实验中，风崩级满足设计要戏。抽吸的全部流量为 入i ：1 流蹩的4 7 。英审大约1 o 透过翡咔和静辞啜力蠢静禳或菇蔽除，其 余流经幼叶上端壁和静叶下端齄吸除。风扇级剖面如图1 7 所示。 黧1 - 6 疆气撬接彀结擒式拳意蚕 图1 7 抽吸式压气机的级间布置剖面图图1 - 8 动叶材、无档扳时的照片 吸力瑟上载抽矗鼍孔位鬟接近激波冲击点。圈l 一8 为动时加挡砖秘不加搂 片韵照片( 挡片上有抽吸礴) 。试验证明了使用掏吸式压气机在码赫数0 7 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的条件下获得1 6 压比的可行性。相信更好的静叶设计可以进一步提高级效 率。其后，在2 0 0 2 年，b r i a nis c h u l e r 又发表了非常有意义的后续文章1 2 u 第 一个完整的介绍抽吸式风扇机实验结果。风扇级的试验同样在麻省理工的增 压式压气机中进行。再次证实了使用抽吸方法的有效性，并且应用非定常脱 落涡模型深入研究了由脱落涡造成的径向流动减少，及其引起的流量再分布 情况。 m e r c h a n ta l i 【2 2 】于2 0 0 2 年阐述了抽气对涡轮机型面的动力学设计和性 能的影响，第一次在可控扩散叶栅中进行抽气研究，通过数值计算确定不连 续抽气对载荷能力和叶型损失的影响。众所周知，抽吸式叶栅设计目的是获 得高载荷，同时使抽气量最小。他们的数值计算结果表明在叶型的大部分范 围都可以获得高载荷能力且抽气量相对较小是可能的。t q d a n g 等人 2 3 】证 实使用三维反问题方法设计出的抽吸式叶栅可以很好的改善工况下和非工况 下压气机的性能。r e i j i n e n 2 4 通过实验证明了吸气导致的附面层减薄有助于 增加气流转折，延迟转子中旋转失速区域形成，可获得较高静压升。 k r k i g l e y 等人【2 5 】详细介绍了压气机静叶流动控制试验设计，试验 采用了四级压气机中的第三级静叶环的完全流动控制。试验设备比m c n u l t y 等人1 2 l j 所采用的技术先进，可以承受转予转动带来的更大作用力。试验叶 片见图i - 9 。图1 - l o 清晰表明定子上的流动控制装置。 圈1 9 试验叶片图1 - 1 0 定子上的流动控制装鬣图1 11 组靛压气机 试验装援整体介绍见黧1 1 l 。试验终累表明嶷接应耀定鬻滚动控剿技 术，对于多级压气机高载荷静时悬成功的。通过离散的定值喷射，控制静叶 上流体流动，使超过设计工况而造成的压气机性能下降得到恢复。 鞍毫受载耱力盱鍪对予减，j 、蕊气辊静莛量、长度都怒极有意义的2 6 j ， 另外，对压气机的效率和损失也有特别的影响作用。w e n n e r s t r o m 2 7 1 花费了 多零骚究掇离辘滚艇气凝受蓊能力鹣方法。链注意戮，低震弦毙秘嚣缝时泞 的构造可以增加扩服能力，并且，附面层控制方法在一定限度内熄成功的。 2 0 0 5 年，a l iam e r c h a n t 【2 8 l 簿人最毅试验磷究中采用特殊瓣时型设诗见图1 1 2 ，叶片能够承受爨高的负荷。上端壁采用小孔，渤叶叶片采用槽道抽暇。 。一：= 篓堑型鳖鳖塑型壁墼二一 萁空气动力学设计细节及方法阿觅文献【2 嗣。试验透过双附面层开始分离 的挝星抽出低能流体，以便获褥受高的尊级压比。娄挞墩级入口流量的 3 5 时，在设计速度下获得的级压比为3 ：l 。试验还讨论了在工况和非工况 下，减少抽暇薰时级韵佳熊。瀚i 1 3 显示了转子实验件安装在匿气机上的 馕况。 圈1 1 2 转子上的抽吸结梅爨| 1 3 装在压气攫上的试骏都伴 l 。3 2 黧内研究瑶状 研翻先遴繁凑的毯气税系统，开发获得高压眈、高效率、喘赧裕度大及 尽可能少级数鳃风扇朝压气擞黪震按本援必重要【3 0 j 。磷究表骥，在咛片表 面吸气可以延缓气流分离，提高扩散度从而提高级压比【3 1 。1 9 8 0 年，徐大 懋院士蓠次掇出了压气机许片沿弦向开缝【l3 】的思想，1 9 8 8 牮，陈矛章院士 剥用峙簸舞攒技术瞰 控制了压气掇哮瓣黪嚣层瓣滚秘，城少了辞耱损失。 鲁蒜华j 通过风澜吹风实验论诚了弦向缝隙叶栅的良好气动特性。王 新军p 4 】等人开展了汽轮机中应用抽吸方法去除静叶表面水膜的研究工作， 探讨了不同接疆缝稼宽度、角度及箍强压麓、汽流逮度等参数对酣面屡及赫 吸缝附邋流场的影响。计算结果褒明在抽吸缝雌近教小蛇范翻内，睫誊撼吸 速度的增加，附面层的厚度急剧减少，对定的气流速度而言，存在一个最 大糖l 殛逮度，箍蔽太予这个藏大速度，籀暇缝不但会将附面屡抽吸掉，还会 姆圭汽流的部分流量抽吸搏，从甄对滚场产生较大影魄。在羁撵熬齄殴莲差 下，抽吸的缝隙越宽，对流场的影响越大，被抽吸的蒸气量越大，抽气的平 鞠遥度硌有藏小，产生的涡流范桶越大。掏吸缝的角度变化对流场的影响也 较明显。 一筌裂竺墼塑些璧些：一 郭绪鑫，俞茂铮1 3 5 , 3 6 分拆了往逶平静盱器中应用赣整鬻覆瑟擒蔽方法豹 效果。擞叶栅端蹙上抽吸附面屡流体可以抑制通道涡的发展。减少二次流损 失，减少气滚密鞠镳转燕窝慧聪臻失系数沿辞褒瓣不均匀分鑫疆度，泼善嚣 继叶栅的工作条件。抽吸对二次流的抑制效果同抽吸能置有很大关系。在文 献【3 7 】中馋者将撼设方法罢| 入到了震弦比较小、二次滚损失比例较大鹣汽轮 机调节缀中，利用轴封漏汽的抽吸作用实现端髓附面层抽吸，并将抽汽通过 适当的方式引入轴封前端腔室，以达到抑制二次流和改善静时栅特征的目 靛。 孙弼等人 3 8 , 3 9 1 进行了抽吸对透平通流部分效率的研究，他们的目的不是 麓7 延长辫嚣层豹屡滚嚣，露楚麓了减乡溃部攒失。采耀瓣抽羧技零爨在透 平级静、动叶根部轴向间隙处把位于静叶附面朦中的那部分汽体抽出来。经 避时轮上躲平黉张流入下一级，网时使该级动砖壁嚣来滤醛羲艨减薄冀零， 从而减少端部次流动损必。 在国内，最新的抽吸方法研究为北航周海等作的跨啻风扇转子叶持抽吸 数值实骏释嘲。开缝位置指向流向和径肉，文章针对不同的吸气位置和吸气 擞进行研究，但斑要集中在吸气量为0 1 k g s ( 约占进口流量的0 4 ) ，吸 气流囊俊溪位子糖舞蘸缘嚣鲍0 , 6 倍弦长楚，焱舞位霉为8 5 跨高淡上。诗 算结果在转子叶片吸力筒开缝，从气流通道中抽出的一部分气体，能够改善 分离区鲍滚动，摄裹效搴彝压毙，毽在大分离嚣器豹使攫嚣缝墩气夔意义不 大。将开缝径向能置由9 5 改为5 0 ，同时吸气量从o 1 k g s 增加到o 3 k g s ( 约占进口流量的1 2 ) 对，效率增加量与米增加缝灏积时捆同，聪比有 翳显提高。当只增大吸气萋不改变开缝黼积和健置时，效果不翳显，聪吸气 量达到0 5 k g s ( 约占迸阴流量的2 ) ，出现了负效果。 1 4 本课题主要研究的内容 利用商业软件f l u e n t 对采用附面层吸除技术的大负荷压气机叶栅内 部粘性流动进行了数值模拟，研究内容包括如下三部分： 1 在吸气量分别为入口流量的o 5 ，1 0 ，1 5 ，吸气位置分别为 4 0 、5 0 、5 5 、6 0 、6 5 、7 0 、7 5 和8 0 轴向弦长处时，分析在吸 力面沿全叶高开缝吸除附面层对叶栅气动性能的影响。 2 在第一部分研究内容基础上，在最佳的吸气位置和吸气量条件下( 对 应最小叶栅损失) ，改变缝隙宽度分别为1 0 m m ，1 5 m m ，2 0 m m ；缝隙角 壤为毒5 。，6 0 。，9 0 。，6 8 。，4 5 。，分辑缀气缝豫形蔌瓣采臻鬻瑟瑟稷狳技术 的扩压叶栅气渤性能的影响。 3 多种组合式吸气，歼缝位置在4 0 和6 5 轴向弦长处，缝隙高度为 0 2 5 或2 5 5 0 升片高度，抽气麓分别为网组锿次为进口流量的 ，2 5 、0 2 5 ；0 。5 、0 5 ；0 5 、1 o ；l 。o 、o 5 ，分橱各毅气缝合 形式对扩压叶栅气动性能的影响。 第2 章附面层吸除对大转角扩压叶栅气动性能影晌 为了减少郝终数势提裹性裁，必缀提麓单级压比并较好熄控制时片和端 壁附面层。而级压比的提高依赖于压气机气动负荷的增加，这就造成了压气 机叶栅中横向压力梯度增加从而加强了二次流流动，丽辩由予压气杌旰橱内 扩蓬漉动静影嫡，时建吸力疆黠霆层绺易分裹选成撼壁毙区巍滚动恶化，弓l 起叶栅损失迅速增大，这直接导致压气机失速裕度的下降，也限制了单级聪 比的提高。为了消除上述不利影响，提高聪气机效率和喻振裕度，在过去几 十每牵瓣诧曩i 进行了多耱方法静磷究。这塑方法哥戳分必尼健修受翅时片豹 弯、撅、掠及缝隙叶栅等被动控制方法和谯压气机叶栅中通谶局部吹气或吸 气影响附面层的主动控制方法两种。本文从附两层抽吸的角度，分析了不同 插设方式对时撩气动桎耱翡影响。 2 1 计算方法 2 1 1 网格生成 在本文中，计算域网格由前处理软件g a m b i t 生成。l 冀本章计算方案 为。辞橱吸气霞灏l b 分剐取暖力覆4 0 、5 0 、5 5 、6 0 、6 5 、 7 0 、7 5 、8 0 轴向弦长处；吸气量为o 5 、1 。o 、1 5 主流量。网格 总数约为4 0 万。生成网格及轴向缝隙位匿分布如下图2 1 。其倾章节算例 的两格结构除缝陈处有培不丽终，网格节点布麓与魏大体穗麓。 黼2 - i砖整缝黢及时攘藏遴孵掺结搀 叶栅区域网格为非结构化六蕊体网格，如闵2 - l 所示，叶栅前后延长段 为h 型结构化网格，离开叶片表面第一层网格的距离为5 x1 0 s m 。 2 1 2f l u e n t 应弄l 流程 本文采溺商泣c f d 软件f l u e n t 横 茎l 大转蘩环形嚣气橇冲撵瘫都糕 牲滚动。出g a m b i t 生成诗算域嬲牾髟入f l u e n t 软件羼，需要按下表根据 要求选择合适的计算模型。 表2 - 1f l u e n t 菜单缎览 计舞步骤檠单选 项 1 网辫辘a f i k 2 ，捡褰耀赣 g r i d 3 。选择棼法公式 d 霉f i n e 4 + 选择豢本方程 躐h e 5 定义流体 d e 纛n e 6 确定边界条件 d e f i n e 7 调整计算方案 s o l v e 8 流场初始化 s o i v e 9 计算迭代 s o l y e 1 0 检镬结粜 d i s p l a y p l o t r e p o r t 1 1 储存计算结果 f j i e 1 2 调带网格 a d a p t 表2 1 为一般壤提下使用f l u n e n t 进彳亍 计算的步骤流程。在f l u n e n t 中只提供了 三种计算方法：1 解藕算法，2 隐式藕合法， 3 驻式糕会法。鳃藕冀法捷统上疲矮予不可垂 缩流和服缩稷度小的可压缩流。耦台方法，最 初憋为商速可压缩流设计的。两种方法从不可 压缩瀛裂高速压缩流鸯广泛熬应臻，毽对予裹 速压缩滤藕合算法比解耦算法更好。 图2 - 2 隐式耦算法 应丽隐式藕合算法能更快的得刮收敛解， 只照占趱瘫露较大。本文诗簿方法筠选弱凝会 算法，即连续方稔，动量方程、能量方程和传 输方程同时解。含有其他标量的控制方程随后 解。本文串豹葬翻均采雳这种算法，其体诗算 次序见躅2 2 。 2 1 2 1 选择蒸本公式 对所有的流体，f l u e n t 都需要解守恒型质量和动薰方程。对有热传 递霹莲缡豹滚俸，解辫加匏寄瞧撵戆燕方程。容滴滚露，解输运方程。 守恒型质量方程，或称连续方程，如下： 孚+ v ( 加) = s 。 ( 2 1 ) 此式为质量守恒方程的一般形式，对可压缩和不可压缩流场均适用。s 。为 增加的质量。 动量守恒方程公式如下： 詈d ) + v ( p o o ) = 一v p + v 伊) + 庸+ 帚 ( 2 _ 2 ) 式中：p 为静压，尹为压力张量，虞、摹分别为重力和表面力， 笋= ( 甲。+ v 。) 一詈v 川 c ：， 式中：为粘度，i 为单位张量。 湍流模型选择： 当湍流内具有大量漩涡时，应选用较为先进的f l u e n t 湍流模型： r n g x 一蘩、霹实现t 一葶模型或鬻诺痤力模型。芷确熬逡择镶靠浚漏豹强 度，它又是由旋涡的数量来衡量的。定义： 石d 五 s = 毒r _ r l u # d a ( 2 - 4 ) 式中：良为水利半径。 有较弱的旋涡( s 0 5 ) ，强烈推荐使用雷诺应力模型。本文湍 流模型采蔫w 实现l 一占模黧。 2 1 。2 2 确定边界条佟 本文中备章算铡速度入口、压力出日蓊件相同，入口速度为7 0 5 5 m s ， 温度为3 0 8 k ，湍流强度5 ，水利半径o 1 m 。压力出口，温度3 0 0 k ，回流 滚滚强度6 ，东翻半径0 。l m 。萁纛鹣瑟，程褒静迩义务瘸期西、对称西、 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 壁面。缝隙出口，定义回流温度 o 0 0 2 5 m 。通过改变缝隙出口压力， 2 2 计算方案 3 0 0 k ，湍流强度6 ，回流水利半径 来调节入口流量和缝隙流量的比值。 选取6 0 。折转角压气机叶型( n a c a 6 5 2 4 a i o 1 0 ) ，入口马赫数0 2 。其它 叶栅几何参数见表2 2 。缝隙的位置分布见图2 - 3 。 表2 - 2 叶栅几何参数 弦长b ( m m ) 1 0 0 0 0机匣半径( m m )5 7 5 展弦比h b 1几何进气角4 1 8 1 4 9 0 稠度b t 1 3 6 4 2 几何出气角 1 0 1 8 1 4 9 0 轮毂半径( m m ) 4 7 5安装角1 8 1 8 5 1 0 2 3 计算结果及讨论 2 3 1 最佳位置的确定 图2 - 3 缝隙位置示意图 图2 4 为不同附面层抽吸量下的质量平均总聪损失示意图。总压损失的 定义蔻：( p o - p ) 伊茹。蒸中，糯爻辞瓣入舀毖嚣，p 梵当遂蕊歪，焉8 为 叶栅入口动压，本文中手寝示节躐平均总压损失系数，表示总的质量平 均憨压损失系数。弱孛农警实线为愿始时掇出口憨嚣损失系数，可见不隧漉 量时，使质量平均总压损失系数最小的开缝位置在6 5 一7 5 轴向弦长位置 附返，在其他位置抽吸附弼层也都不同程度地减小了叶栅如口的总压损失。 结合图2 5 所示无暇气叶栅吸力面极限流线分布，表明在较靠前的位置如在 轴向弦长为0 4 o 5 5 等四个位置吸气，出于中径处流动还未分离，在全叶 商藏蘑撞蔽辩瑟瑟童要毅饕了时褪两翡帮豹滚动，丽在毒蠡向弦长为o 矗v 7 5 范围吸气，将会对众叶高范围内的流动都有所改善。在叶片尾缘附近由于流 动跫经完全分枣，褒这些袋墨撼吸瓣嚣层不会形袋黠滚动熬摄本影嚷，盛图 2 - 4 可见反而造成了总压损失的增加。由此确定附面层抽暇的有利位置为轴 向熬长为o , 4 o 7 5 的较大范围，但较佳的能置应该位于o ，6 0 7 5 之阅。 图2 - 6 迸一步袭明抽暇流量万= o 5 、1 o 、1 5 主流量时，轴向弦长 o 6 5 0 ，7 5 辅向弦长开缝箍吸辩瑟层爱，除在缝稼隆遥滚动复杂，总藤损失 增大外，缝隙下游的质嫩平均总压系数减少量激多。缝隙处被抽吸低能流体 图2 - 4 吸气位置、吸气量对图2 - 5 无吸气叶栅吸力筒极限流线 叶栅损失的影响 鹣变囱滚动及掺潼造藏援失臻赛罐燕，吸气位鬃震怒损失终低麓著，艇攫失 降低程度与吸气蹩、吸气位置均有关。相同吸气位置时，随吸气量增加，被 撼吸豹溅弱层内低能流体越多，峰祗对搬慧压损失效暴越好。擎从减小挠量 损失方丽而言，采用这一位置开缝的方粱是合域的。 a ) , a - - - - o 5 b ) 肛1 o 圈2 - 6 质攫平均总压损失系数分布 2 3 2 附面层抽吸对叶栅出口损失分布的影响 c ) 胁1 5 图2 7 ( a ) ( b ) ( c ) 给出了在轴向弦长分别为0 6 5 、0 7 和0 7 5 抽吸附面层 ( 抽吸量口= o 5 、1 o 、1 5 主流量) 对叶栅出e l 节距平均总压损失系数 的影响。可见即使小抽气量也显著降低了叶栅出口损失，尤其由根部至 3 0 叶高范围出现总压损失系数的减小幅度更大。随附面层抽吸缝隙位置的 不同，对叶栅根部总压损失影响也不同。其中，缝隙在轴向弦长o 8 吸气 时，端部损失减少量较少，见图2 7 ( d ) ，这可能是由于叶片吸力面流动在 此位置已经发生较为严重的流动分离( 如图2 - 5 ) ，此时微小的抽吸量不仅 哈尔滨工业大学篡学硕士学能论文 不会获徽本土改善时嚣榱都貔流动，瑟显对委鬻滚动逵成形