大转角透平叶片弯曲形状对叶栅损失增长和分布的影响

1、大转角透平叶片弯曲形状对叶栅损失增长和分布的影响第l4卷第4期工程热物理v.1.14.41993年11月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICSNov?1993酾嗣蹴大转角透平叶片弯曲形状对叶栅损失增长和分布的影响'王仲奇韩万今谭春青石红周谟春哈尔滨工业大学'丁4I摘要对具有大转角的常规直叶片,正弯与反弯叶片的三套大尺寸,低展弦比的矩形叶栅进行降低,流动特性大为改善.一,引言自六十年代初.弯扭联合气动成型叶片被提出以来,迄今为止在这方面的大量理论与实验研究都是针对具有较小折转角叶片的静叶栅,并且证明对于高损失区绝大局部位于端壁附近的该类叶栅,采甩压力面

2、在外圆的正弯叶片可控制二次漉,改善叶栅和透平级的气动特性口-.但是,对于高压比燃气透平叶栅,蒸汽透平谓节级转向叶栅以及小反动度级动叶栅,叶片的折转角都很大.在这后一类叶栅中伴随着高强度的上,下通道涡在叶栅中部的集合,高损失气流也被卷吸到那里.此时,再采用正弯叶片不仅不能减少损失,反而会使损失增加.本文作者曾在文献3中推测:在大转角透平叶栅中只有采用吸力面在外圆的反弯叶片,才能控制马蹄涡和通道涡的生成和开展,使上,下通道涡分别位于叶栅两侧而不集合.从而减少二次旋涡损失.这一推测是否正确,在本文之前尚无实验证实.本文通过大转角,低展弦比透平矩形叶栅的低速风洞实验.探讨了叶片的正,反弯对气流绕流叶栅

3、损失的增长与重新分布的影响,测得的实验数据说明文献3的推测是正确的.二,实验模型实验是在平面叶栅低速风洞上进行的.实验了三套叶栅:1.常规直叶栅(图1(a);2.压力面在外圆的正弯叶片叶栅(图1(b);3.吸力面在外圆的反弯叶片叶栅(图1(c)在?国家自然科学基金资助工程.车文曾于1992年l1月在北京召开的中国工程热物理学会第八届年会上宣读工程热物理14卷IfJ,61lfalm)(a)常规直叶播(b)lE弯叶片叶栅固1实验模型(c)(c)反弯叶片叶栅为:叶弦b一12Omm轴向弦长B一105ram叶高h一110ram展弦比h/b=0.917节弦比t/b=0.667;几何进气角=64.几何出气角

4、64.5.;栅前总压一×10,马赫数M一0.26.三,实验结果讨论叶栅气动理论与实验研究说明,存在着两个确定流动特性的重要参数第一,叶片折转角大小及其沿叶高的分布将确定二次流损失的大小;第二,在两个端壁上叶片倾斜的角度和符号将确定径向压力梯度和由此圈2测量面位置圈而产生的损失分布.为了保持沿叶高均匀一致的高负荷,本实验采用等截面大转角叶片,因此唯一的途径是通过采用压力面与两端壁成锐角的正弯叶片或压力面与两端壁成钝角的反弯叶片,以形成始于端壁的沿叶高的负压梯度或正压梯度,从而降低气流流过叶栅损失的增长,井使进口附面层带来的"原损失和损失的增长值沿叶高趋于均布.文献3已描述了低

5、展弦比大转角透平矩形常规叶栅的流动模型(图3).马蹄涡和通盏叮D为附着奇点,ss为别离线圈3低展弦比太转角透平矩形叶播流动樽型道涡的形成和开展以及上,下两通道涡的集合产生的二次旋涡损失占总流动损失的绝大局部,而且高损失是控制马蹄涡和通道涡的开展,防止上,下通道涡相汇合.文献3的实验结果说明,采用直线倾斜叶片不但不能减少损失,有时甚至会引起损失的增长,但同时指出采用压力面与两端壁成钝角的反弯叶片可将钝角侧控制马蹄涡和通道涡的作用引入同一叶栅的两侧.进口流动为了获得实验叶栅的均匀进口流场,对叶栅进口段出口流场进行调试,在未安装叶栅时测叶栅,正弯叶片Dr-栅和反弯叶片叶栅时,泌得叶栅出口4期王仲奇等

6、:大转角透平叶片弯曲形状对叶栅损失增长和分布的影响的阻塞效应不同所引起的.进口附面层绕流叶片前缘三维别离形成马蹄涡的流动图谱,已由文献3的彩色氦气泡流动显示所展现.马蹄涡的强弱不仅关系到进口流动损失的大小,而且关系到下游流动损失的增长.影响马蹄涡强度有三要素:一是来流附面层厚度;二是指向端壁的滞止负压梯度;三是沿流向的逆压梯度.对于三套实叶栅在进口段(由测量面2至4)都存在着指向端壁的滞止负压梯度,在数值上差异不大,沿流向逆压梯度,常规直叶片的最大一反弯叶片的最小,两者扩压段长度大约相等(图4).而对于正弯叶片,流向逆压梯度略低于常规直叶片,但扩压段的长度几乎超过常规直叶片一倍.此0,8外,进

7、口附面层厚度正弯叶片最厚,反弯叶片最薄,显.弯叶片那么相反,进口马蹄涡最弱,尺度最小.u_|栅内流动在叶栅前缘形成的马蹄涡压力面与吸力面两个分支进入流道之后,吸力面分支绕吸力面扭据集中涡的运动特点去研究这种叶栅的气动特性,×一同图4国s节距平均能量损失系数宁凸叶高的分布工程热物理】4卷假设以从端壁别离形成低压区和损失峰值作为通道涡形成的标志,仔细观察图5,6可见,在正弯叶片叶栅中,通道涡在测量面5形成,常规直叶片那么在测量面6形成,而对于反弯叶片推迟到测量面7才形成.在通道涡向叶栅中部开展的过程中,与常规直叶片比拟,正弯叶片形成的通道涡低压值最小,损失峰值最大,反弯叶片那么反之,低压

8、值最高,损失最小.正弯叶片的上,下两通道涡在测量面8开始集合,在叶栅中部形成损失顶峰在测量面9,两涡心集合在一起,由于旋转方向相反的两涡彼此强烈作用,高速动能被耗散,不可逆地转变成热,引起熵增,结果损失峰值突升.常规直叶片的上,下通道涡在测量面9开始汇合,但两涡的涡心尚相距0.2相对叶高.至于反弯叶片,上,下通道涡被抑制在叶栅的各自一侧,始终没有集合.综上所述,可得如下结论:叶片的正弯曲增强了马蹄涡和通道涡,并推动上,下通道涡在叶栅中部的集合,因此导致叶栅中旋涡二次流损失提高;叶片的反弯曲削弱了马蹄涡和通道涡的强度,并抑制通道涡向叶栅中部的开展,防止两涡集合,从而大大降低了旋涡二次流损失.彦I

9、f-'f'.扭?.0O.25O.5O.f.'.'一,一t×一同豳4图6节距平均能量损失系敷沿叶高的分布反弯叶片能控制集中涡的形成和开展的原因可从静压系数沿叶高分布的分析中得到解释.在常规直叶栅中,沿叶高的静压梯度取决于通道涡在叶高方向的位置,由端壁至涡心为负压梯度,由涡心至叶栅中部为正压梯度.对于具有弯叶片的叶栅,沿叶高的静压梯度由两局部合成:第一局部是由叶片的正,反弯产生的叶片力沿叶高方向的分力建立的始起见,称前者为叶栅的"固有压力梯度",称后者为"随涡压力梯度".由于正弯叶片建立的始于端壁的负压梯度与&quo

10、t;随涡压力梯度"的方向相同,因此马蹄涡,通道涡的开展得到了推i哺哪.4期王仲奇等:大转角透平叶片弯曲形状对叶栅损失增长和分在的影响动力.反之,反弯叶片建立的始于端壁的正压梯度,阻制了马蹄涡和通道涡的卷吸运动,因此它们始终被抑制在叶栅的两侧.下游流动由叶栅出口至测量面10,顺流而下的与通道涡方向相反的出口边涡与通测量面10上,正弯叶片能量损失系数沿叶高的分布极不均匀,损失峰值比平均损失大2.5倍.常规直叶片的情况与正弯叶片相差不大.明显好的是反弯叶片,能量损失水平不比拟,反弯叶片使总损失减少19.3,而正弯叶片使总损失提高15.6.四,结论1.马蹄涡,通道涡的形成和开展以及通道涡的集

11、合支配着大转角低展弦比透平矩形叶栅中的流动,在这类叶栅中二次旋涡损失占总损失的绝大局部,改善流动的关键在于控制马蹄涡和通道涡,特别是防止通道涡的集合.2.在具有弯叶片的低展弦比大转角矩形叶栅中,流道内沿叶高的静压梯度由叶片在的始于端壁的沿叶高的正压梯度能削弱马蹄涡和通道涡的强度,抑制通道涡于叶栅两侧,防止了两涡集合,颇大地降低了流动损失.3,在低展弦比矩形叶栅中,叶片的弯曲形状与叶片的折转角有关.在小折转角下,应采用正弯叶片,减小端部横向二次流损失.在大折转角下,应采用反弯叶片,降低二次旋涡损失.在正,反弯之间存在着某一叶片折转角,在该折转角下叶片的弯曲将对损失不起作用.参考文献1RichardsP.H."RenewofGeometricalBladeChangestoImproveSecondaryLossesinHigh