（動力機械及工程專業(yè)論文）采用彎葉片的重復級軸流壓氣機時序效應實驗研究.pdf

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 摘要 未來新型航空飛行器以高飛行速度、強機動性能、遠航程、低噪音污染 為主要發(fā)展目標，這就對發(fā)動機的主要氣動部件一風扇壓氣機的氣動性能 和可靠性提出了更高要求，其中深入的研究先進葉片造型設計技術和葉柵內(nèi) 部流動的非定常效應有著非常重要的意義。在各種葉片造型設計和非定常流 動的研究中，彎曲葉片設計和改變壓氣機內(nèi)同名葉柵的周向相對位置，即 c l o c k i n g 效應是近年發(fā)展起來的控制葉柵內(nèi)部流動狀況及葉列間干擾的行之 有效的方法。大量的實驗與數(shù)值模擬都證明，葉片彎曲能夠降低占葉柵能量 損失主導地位的端壁損失，較好地控制葉柵附面層流動；c l o c k i n g 效應則可 以有效減小葉列間干擾的負效應和改善機組效率。 本論文對采用直、彎靜葉的熏復級壓氣機性能及c l o c k i n g 效應進行了 大量、系統(tǒng)的實驗研究，利用總壓探針及五孔探針詳細測量了不同靜葉型式 及設計參數(shù)下壓氣機總性能及第一級、第二級出口流場，探討了c l o c k i n g 效應改善壓氣機內(nèi)部流動狀況的機理及其應用。 實驗結(jié)果表明，多數(shù)工況下，采用彎曲靜葉的重復級壓氣機壓比特性基 本沒有變化，而效率則比直靜葉時明顯提高，且隨流量減小而趨勢顯著，而 且對近喘振點處的小流量工作特性的改善更為顯著。 采用直、彎葉片壓氣機c l o c k i n g 效應的實驗研究表明，隨著兩列靜葉 周向相對位置的變化，存在具有最低、最高壓氣機效率的c l o c k i n g 位置； 設計工況下，采用彎葉片壓氣機的最低、最高效率c l o c k i n g 位置為4 1 8 、 1 2 1 8 相對節(jié)距且差值為o 5 9 ，而直葉片時的兩個c l o c k i n g 位置則為 1 1 8 、1 2 1 8 相對節(jié)距且差值為0 5 6 ；綜合考慮彎曲葉片造型和c l o c k i n g 效應的影響，壓氣機效率最高可提高1 2 2 ，最低提高僅為o 0 7 。這意味 著在高性能壓氣機彎曲葉片設計中，如果能夠充分利用c l o c k i n g 效應控制 葉列間非定常干擾的能力，壓氣機性能會得到進一步的提升，二者的優(yōu)勢結(jié) 合是進一步提高壓氣機性能的一個極具潛力的技術途徑。 關鍵詞壓氣機；彎葉片；時序效應；非定常 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 a b s t r a c t a st h ea e r o c r a f ta i ma t h i g h e rs p e e d ，s t r o n gm a n e u v e rp e r f o r m a n c e ，l o n g d i s t a n c e v o y a g e a n dl o w n o i s e ，t h e r e q u i r e m e n t t o w a r d s a e r o d y n a m i c p e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo ff a n c o m p r e s s o rw h i c h i st h em a j o ro fae n g i n e ，h a s b e c o m eh i g h e r a m o n gt h er e q u i r e m e n t s ，r e s e a r c h e so nt h eu n s t e a d yf l o ww i t h i n t h ec a s c a d ea r ev e r ys i g n i f i c a n t a n do fa l lr e s e a r c h e so nt h eu n s t e a d yf l o w , t h e c o n c e p to fv a r y i n gr e l a t i v ec i r c u m f e r e n t i a lp o s i t i o no fa d j a c e n ts t a t o r ( o rr o t o r ) r o w si nt u r b om a c h i n e r y ( i e c l o c k i n ge f f e c t ) h a sb e e nd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r t oc o n t r o lt h eb l a d e r o wi n t e r a c t i o n a b u n d a n c eo f e x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nh a sr e p r e s e n t e dt h a tb o w e db l a d ec a nr e d u c et h ee n d w a l ll o s sw h i c h t a k e st h em a i n p o s i t i o no fe n e r g yl o s sa n d c o n t r o lt h ef l o wo nt h eb o u n d a r y l a y e r c l o c k i n ge f f e c tc o u l dr e d u c eb a de f f e c to fs t a t o r - s t a t o ri n t e r a c t i o na n di m p r o v e o v e r a l lp e r f o r m a n c e s y s t e m i c a n dal o to fe x p e r i m e n tr e s e a r c hh a v e b e e nt a k e no u to nt h e p e r f o r m a n c eo f ad o u b l es t a g ec o m p r e s s o ru s i n gs t r a i g h ta n db o w e db l a d e t o t a l p r e s s u r ep r o b ea n df i v eh o l ep r o b ea r eu s e dt om e a s u r ed i f f e r e n ts t a t o r , o v e r a l l p e r f o r m a n c eo fc o m p r e s s o ra n df l o wf i l e do f o u t l e to ft w os t a g eu n d e rd e s i g n e d p a r a m e t e r m e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o no fi m p r o v e m e n t i nt h ef l o wf i e l do f c o m p r e s sb yc l o c k i n ge f f e c ta r ed i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st 1 1 a t ，u n d e rm o s tc o n d i t i o n s ，t h ep r e s s u r er a t i oo f c o m p r e s s o ru s i n gb o w e ds t a t o rb l a d eh a sn og r e a tc h a n g e ，b u te f f i c i e n c yh a s i m p r o v e do b v i o u s l yc o m p a r e dw i t hs t r a i g h ts t a t o rb l a d e ，m o r e o v e r , p e r f o r m a n c e u n d e rs m a l lf l u xn e a rs t a l lh a si m p r o v e dm o r en o t a b l e t h e e x p e r i m e n t o f c l o c k i n g e f f e c ti n d i c a t e s t h a t ，f l s t h ec i r c u m f e r e n t i a l p o s i t i o n o ft h et w os t a t o r s c h a n g e s ，t h e r e e x i s t s h i g h e s t a n dl o w e s to v e r a l l e f f i c i e n c yc l o c k i n gp o s i t i o n u n d e rd e s i g nc o n d i t i o n ，t h e r e l a t i v e c l o c k i n g p o s i t i o no f t h eh i g h e s ta n dl o w e s te f f i c i e n c yo fc o m p r e s s o r u s i n gb o w e d b l a d ei s 4 18a n d1 2 18 ，w i t h0 5 9 d - v a l u e ，c o m p a r e dt or e l a t i v e p i t c ho f1 18 a n d 12 18o fc o m p r e s s o ru s i n gs t r a i g h tb l a d ew i t ho 5 6 d v a l u e c o n s i d e r i n gt h e e f f e c to fb o w e db l a d ea n dc l o c k i n ge f f e c t ，t h eh i g h e s ti m p r o v e m e n tc o u l db e 1 2 2 a n dt h el o w e s to n ei so n l yo 7 t h i si n d i c a t e st h a ti nt h eb o w e db l a d e 哈爾演工業(yè)大學工學碩士學位論文 d e s i g n o fh i g hp e r f o r m a n c e c o m p r e s s o r , t h e o v e r a l l p e r f o r m a n c e w o u l db e i m p r o v e df u r t h e rm o r e ，i fm a k i n gf u l lu s eo fc l o c k i n ge f f e c to f c o n t r o lu n s t e a d y f l o wb e t w e e nc a s c a d e s t h ec o m b i n a t i o no ft h et w o a d v a n t a g e s i sah i g h l y p o t e n t i a lw a y t oi m p r o v e p e r f o r m a n c eo fc o m p r e s s o r k e y w o r d sc o m p r e s s o r ；b o w e db l a d e ；c l o c k i n ge f f e c t ；u n s t e a d yf l o w 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 第1 章緒論 在航空發(fā)動機的發(fā)展過程中，對發(fā)動機的重要組成部分一壓氣機的研究始 終占有重要的地位，對壓氣機的研究是航空發(fā)動機研發(fā)工作的核心。要深入了 解壓氣機中流動的物理過程、驗證理論分析方法的實用性、解決工程應用中的 實際問題、檢驗數(shù)值模擬的準確性，以及提供有關損失、沖角和落后角等參數(shù) 之間相互關系的數(shù)據(jù)，都要求在壓氣機的研究過程中進行大量的實驗研究。因 此，壓氣機的實驗研究是研究壓氣機的基礎和必要環(huán)節(jié)。 在以往的葉輪機氣動設計體系中，人們一直采用針對定常流動的設計理 論。然而，由于流體的粘性和存在相對旋轉(zhuǎn)的葉片排，即使是在設計工況下， 葉輪機內(nèi)的流動也是高度非定常的。這樣，定常氣動設計體系就與實際的非定 常流動形成了巨大的反差一流動是高度非定常的，而針對非定常流動過程所建 立的氣動設計工程體系反而是以定常流動基本假設為前提的。因此，國內(nèi)外葉 輪機界專家學者普遍認為，葉輪機氣動設計體系從定常向非定常轉(zhuǎn)變是主要發(fā) 展趨勢，非定常蘊含著很大的潛力l l l 。 1 1 葉輪機內(nèi)的非定常流動 葉輪機械內(nèi)多排動靜葉片交錯排列，流動具有強烈的非定常性，葉柵流道 中湍流的產(chǎn)生、擴散與耗散，噪聲的產(chǎn)生與傳播，葉片表面流動的非定常分 離，激波與附面層的非定常相互作用，轉(zhuǎn)捩的不穩(wěn)定型，尾緣的非定常脫落 渦，葉片與上下端壁的非定常換熱，葉片與氣體的非定常作用及引起的葉片振 動和顫振等都屬于葉輪機械內(nèi)的非定常流動。這些非定常現(xiàn)象，及其誘發(fā)的流 體間、流體與固體間的強非線性相互作用，與葉輪機效率、級負荷、機組的可 靠性等密切相關。因此，深入理解和研究非定常流動現(xiàn)象，對進一步提高葉輪 機械性能具有重要意義【2 圳。 軸流葉輪機械內(nèi)的非定常性流動按照起源可劃分為動靜葉相對轉(zhuǎn)動引起的 周期性非定常擾動、葉排對于強迫作用的響應、氣一固耦合、失這和喘振、進 氣畸變等【4 】。根據(jù)非定常流動現(xiàn)象尺度與葉片弦長或葉列軸向間隙的比例關 系，又可以按照特征尺度分為小、中、大尺度等三種非定常性流動現(xiàn)象【5 】。由 于現(xiàn)代葉輪機械設計越來越趨向于尺寸和重量上的減少，勢必增加內(nèi)部流動非 定常效應影響的重要性，因此基于非定常流動現(xiàn)象的研究工作逐漸成為熱點。 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 小尺度( 如尾跡與邊界層的相互作用、湍流、轉(zhuǎn)捩等) 和大尺度( 顫振、低階 受迫振動、旋轉(zhuǎn)失速、喘振等) 的非定常現(xiàn)象對葉輪機械總體性能的影響已經(jīng) 被大量實例驗證，而且可以通過某些定性的特征來獲知。但是對于中等尺度 ( 葉列間勢流干擾、尾跡的傳播、徑向間隙泄漏渦的干擾等) 的非定?，F(xiàn)象與 發(fā)動機總體性能之間的關系尚不清楚，缺乏必要的定量信息進行收益的預估。 當審視現(xiàn)有多級葉輪機的實物和圖紙時，可以發(fā)現(xiàn)各轉(zhuǎn)子葉排之間、各靜 子葉排之間在幾何上并不存在周向定位。但許多研究者卻發(fā)現(xiàn)，當動，動或靜 靜葉片的相對周向位置變動時，其氣動性能也產(chǎn)生了變化。這種現(xiàn)象被稱為時 序效應( c l o c k i n ge f f e c t ) 。按照定常設計體系理論，這種周向位置的不同定位 是不會對葉輪機氣動性能產(chǎn)生影響的。 現(xiàn)代葉輪機械的發(fā)展，在氣動性能和可靠性方面提出了更高的要求，其中 深入的理解和研究流動的非定常效應有著非常重要的意義。在各種非定常流動 的研究中，改變?nèi)~輪機械內(nèi)同名葉柵的周向相對位置，即c l o c k i n g 效應是近年 發(fā)展起來的控制葉列間干擾的方法之一。 本文的研究對象就是葉輪機內(nèi)固有的非定常流動現(xiàn)象葉列間相互干擾 引起的周期性非定常流動，它實質(zhì)上是一種中等尺度的非定常流動現(xiàn)象。作為 葉輪機本質(zhì)的非定常流動，它總是存在的，必須充分考慮到它的影響，從而設 計出更好的葉輪機械。 1 2c l o c k i n g 效應的研究現(xiàn)狀 1 , 2 1 國外開展的工作 w m k e r 【6 j 發(fā)現(xiàn)如果適當調(diào)整一個一級半的軸流壓氣機靜子的相對周向位置， 測量出的噪聲有顯著減少( 5 6 d b ) 。w a l k e r 的工作還表明，尾跡的周期性擾動 會在軸流葉輪機械的葉片表面產(chǎn)生周期性的非定常轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。c a p e c e 是最早指 出變動壓氣機靜靜、動動葉片的相對周向位置可獲得潛在的性能效益的研究 者之一。對于這些早期的研究，由于計算和測試手段的限制，人們很難取得大 的進展，也就不易揭示其內(nèi)在的物理機制。到了最近十年，計算技術和測試技 術都取得了長足的發(fā)展，人們在非定常方面的了解逐漸深入，對時序效應也作 了很多研究，并得到了一些有意義的結(jié)果。 e n g e l t t l 于1 9 9 5 年用數(shù)值模擬的方法研究了靜子時序效應對擁有一個靜子， 轉(zhuǎn)子靜予結(jié)構的渦輪的影響。文中研究了兩種時序效應結(jié)構：第一種是第二 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 級靜子與第一級靜予對齊，第二種是把第一種情況中第二級靜子偏移半個靜子 柵距，得出結(jié)論：在第二級靜子的出口處，總壓損失系數(shù)會有2 4 的差別，而且 認為這種差別絕大部分是由非定常造成的。 d o m e y 和s h a r m a 等在1 9 9 6 年也研究了時序效應對于渦輪性能的影響峭j 。 其研究表明當靜葉相對周向位置變化時，效率有0 5 的變化，并且當?shù)谝患?靜葉的尾跡打在第二級靜葉前緣上時出現(xiàn)最高效率，而最低效率出現(xiàn)在第一級 靜葉的尾跡在第二級靜葉通道中央流過時。 h u b e r 在1 9 9 5 年對一個各級葉片數(shù)修改至相等的2 5 級渦輪分別進行了實 驗一j 和數(shù)值模擬【l 圳研究。其研究顯示，不論在設計工況下還是在非設計工況下， 靜子的時序效應都使效率產(chǎn)生了o 3 的變化。在設計工況時，對不同徑向位置 進行了測量，最高的效率變化達到l 。葉中測得的效率變化在設計轉(zhuǎn)速時達 o 8 ，轉(zhuǎn)速更高時可達1 。文中指出，如果第一級葉片的尾跡能夠從葉尖到葉 根都調(diào)整到與第二級葉片前緣對準，則渦輪性能提高0 8 是可能的。數(shù)值模擬 研究表明前級葉片尾跡打在后級葉片前緣上時出現(xiàn)最高效率，而最低效率發(fā)生 在前級葉片的尾跡在后級葉片通道中央流過時。n s 模擬可以說明，靜子時序 效應使得渦輪效率提高的主要因素是改善了第二級轉(zhuǎn)子的性能，減小第二級葉 片表面脈動速度和減少大尺度的非定常流動是可以提高其性能的。 從己發(fā)表的文獻來看，對渦輪進行的時序效應研究，不論在高速下還是在比 較低的速度下，一般都能較明顯地測到效率的變化，這說明時序效應對渦輪的性 能有一定的影響。 s a r e n 等從1 9 9 4 年開始通過數(shù)值計算、理論分析和實驗手段對時序效應對 壓氣機性能的影響進行研究，得出結(jié)論：時序效應能夠用來提高性能和減少葉 片的非定常氣動負荷；其研究表明改變?nèi)~柵相對位置對流場特性的影響【“】。而 g t m d y b u r l e t 和d o m e y 1 2 坪0 用數(shù)值計算的方法研究了靜葉相對位置的改變對一 臺2 1 2 級壓氣機性能的影響，得到的數(shù)據(jù)表明級效率的改變在o 5 0 8 之 間。目前比較統(tǒng)一的觀點是：改變靜葉相對位置得到的最高效率對應著第一列 靜葉尾跡被輸運到第二列靜葉的前緣附近，最低效率則對應著第一列靜葉尾跡 被輸運到第二列靜葉的流道中央。 h s u 和w o 1 3 的研究發(fā)現(xiàn)，前面轉(zhuǎn)子對后面靜子的非定常影響以尾跡的影響 為主，勢流的影響不大：而后面轉(zhuǎn)子對前面靜子的影響以勢流影響為主。當前 排轉(zhuǎn)子的尾跡正好打在后面靜子的前緣上時，靜子前緣的非定常性最大；當后 排轉(zhuǎn)子的前緣和前排靜予的尾緣最近時，前排尾緣的非定常性達到最大過一個 微小的時間延遲后，其非定常性達到最小。因此，如果適當布置轉(zhuǎn)子一轉(zhuǎn)子的 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 相對周向位置，使靜子前緣的非定常力達到最大時，尾緣的非定常力達到最 小，則可以大幅度減少靜子上的非定常負荷，延長靜子葉片的使用壽命。 d o m e y l l 4 j 驗證了一個1 5 級的高速壓氣機在設計工況下，通過靜子的時序效應， 效率變化了0 6 0 7 。w a l k e r 1 5 于1 9 9 8 年對一個1 5 級的壓氣機所作的試驗 顯示，時序效應強烈地影響著下游葉片上的周期性轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。 為了更準確地建立壓氣機分析模型，d o m e y 1 6 】采用3 4 個i g v ，3 5 個轉(zhuǎn)子 葉片，3 4 個靜子葉片來實現(xiàn)全周向模擬，并與把葉片數(shù)簡化至相等的模擬進行 了比較。結(jié)果顯示，按實際葉片數(shù)建立模擬，對準確地預測與時序效應相關的 趨勢很有必要。全周向模擬的壓力變化比簡化模擬中的壓力變化更接近試驗數(shù) 據(jù)。 對多級軸流壓氣機時序效應的研究最先出現(xiàn)在對壓氣機噪聲的研究上。 w a l k e r 6 發(fā)現(xiàn)，如果適當調(diào)整一個一級半的軸流壓氣機靜子的相對周向位置，測 量出噪聲顯著減少( 5 6 d b ) 。他們由此得出結(jié)論，在相鄰兩級葉片之間的尾流 的干擾可以用來減少這些尾流中的速度虧損，并以次來減少噪聲的大小。靜子 時序效應對聲壓級的影響同樣在19 7 7 年得到了s c h m i & 和o k i i s l l i 的證實。他 們還進一步指出，在最高和最低噪聲狀態(tài)下，無法測出總壓損失和效率的改變。 b a r a i l k i e w i c z 和h a t h a w a y i l 7 j 于1 9 9 7 年在n a s a 的一臺低速4 級軸流壓氣機上 進行了時序效應影響實驗。結(jié)果顯示由于靜葉相對位置的改變而帶來的總體性 能的變化僅為o 2 ，第3 級靜子的總壓損失系數(shù)分別產(chǎn)生了5 和1 0 的變 化。g u n d y b l l r l e t 和d o m e y 在一個2 5 級的壓氣機中也對靜葉時序效應作了 數(shù)值研究，結(jié)果顯示效率變化的量級在o 5 0 8 。 上述壓氣機的時序效應研究也得到了性能有變化的結(jié)論，但只有很少幾篇 文獻顯示了在高速壓氣機中，時序效應導致了效率多于0 5 個百分點的變化， 大部分文獻顯示效率變化量級與測量誤差、裝配誤差量級相當。 1 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)葉列間干擾的非定常研究起步較晚，基本上以數(shù)值模擬為主。西工大 的周新海教授在跨音速壓氣機非定常數(shù)值模擬方面做了大量卓有成效的工作， 相繼開發(fā)了顯式時間推進方法、時間推進的l u s g s 隱式迭代法與雙時間步法 等一系列非定常粘流計算模式。他們發(fā)現(xiàn)采用非定常計算模式得到的結(jié)果更接 近于真實流動，并指出雙時間法與l u s g s 隱式解法相結(jié)合的非定常粘流計算 模式可以顯著地節(jié)省計算時間。 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 北航的陳矛章院士發(fā)展了一種研究葉輪機內(nèi)動、靜葉問的相互作用的新方 法擾動渦方法：為了計算葉片對擾動場的響應，采用拉格朗日方法追蹤擾 動渦團的對流流動過程，用確定性渦方法來描述流體的粘性擴散，并計算出軸 流葉輪機內(nèi)由于動靜葉相互作用而引起的非定常流動。模擬的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù) 吻合得相當好，而且相漂移周期性邊界條件的使用，將大大節(jié)約計算所需要時 間。周盛教授闡述了葉輪機械非定常流動研究進展。在a d m a c z y k 和r h i e 的連 續(xù)界面方法基礎上進一步提出了熵通量守恒界面方法。并首次提出了面向工程 問題，把時均方程應用于葉輪機多排時均流動模擬，將葉輪機非定常干擾( 以 轉(zhuǎn)靜干擾為代表) 時間平均效應納入設計體系，實現(xiàn)所謂的準四維設計體 系。在時間精確解方面，他們也做了大量的工作：從3 de u l e r 數(shù)值研究方法 到使用雙時間步法進行3 dn s 數(shù)值研究來得到一臺跨音風扇級轉(zhuǎn)靜干擾流動 的時間精確解。特別是文獻 1 8 綜述了近年來時序效應也就是c l o c k i n g 效應在 軸流葉輪機械內(nèi)的應用。他指出c l o c k i n g 效應在渦輪中比在壓氣機中所獲性能 收益更為顯著；對于壓氣機，在高速情況下比在低速情況下所獲性能收益更為 顯著。并給出了一個利用時序效應的初步工程模型。 在工程熱物理所，黃偉光研究員從1 9 9 8 年開始研究葉輪機械內(nèi)動靜葉的 干擾問題。采用基于“h 單通道積迭”的分區(qū)算法求解二維n s 方程得到非定常 流動的時間精確解。隨后此方法被應用到靜葉周向布局對渦輪葉柵性能的影響 研究中，結(jié)果證明存在著最佳靜葉周向位置使級性能最優(yōu)，并指出效率改變在 o 2 6 左右。西安交通大學的祁明旭使用n u m e c a 軟件研究了動靜干涉效應 對軸流透平級氣動性能的影響。結(jié)果表明，上游葉片排的尾跡區(qū)及二次渦是引 發(fā)下游葉柵通道流場強非定常特性的最主要因素，引起了脈動速度、型面壓 力、攻角以及損失的較大變化，從而對透平級性能產(chǎn)生較大影響。 哈爾濱工業(yè)大學的楊海濤和黃洪雁【19 】在2 0 0 3 年選取某重復級壓氣機平均 半徑處的型線，進行平面擴壓葉柵非定常數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)第二列靜葉的氣動性 能的改善是靜葉相對位置改變令整個級效率提高的關鍵因素，級最高的效率點 對應著時均分布的第一列靜葉尾跡恰好撞擊到第二列靜葉的前緣。 1 3c l o c k i n g 效應的應用 s h a r m a 2 川發(fā)現(xiàn)改變渦輪進口導葉與第二列靜葉的周向相對位置時，中徑附 近效率變化達到1 ，總效率變化約為0 5 ( 如圖1 - 1 ) 。 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 n 5 0 9 0 0 0 8 9 5 謄 8 0 8 9 0 擊 o s 7 d 口b 髓 0 3 6 0 1z3465 c l o c k i n gp e b l l l o n 圖1 - 1 不同c l o c k i n g 位置的渦輪效率 h u b e r 9 1 的實驗結(jié)果顯示不同雷諾數(shù)流動條件下，靜葉相對位置改變均使 機組效率改變o 5 的幅度；隨葉高變化s 1 截面效率變化曲線不同相，恰當組 合第- - y 0 靜葉時均尾跡從根部到頂部與第二列靜葉前緣點相交位置，渦輪效率 可能提高o 8 ；最低效率c l o c k i n g 位置時，可觀察到第二列靜葉附近較強的 非定常湍流波動。g r i f f i n 1 0 】用數(shù)值模擬的方法證實了上述發(fā)現(xiàn)，指出第二列靜 葉的性能提升是整個渦輪級效率提高的主要動力。最高效率對應第一列靜葉尾 跡恰好被輸運到第- n 靜葉前緣附近( 圖1 2a ) ，最低效率對應著第一列靜葉 尾跡被輸運到第二列靜葉葉柵流道中部( 圖1 - 2b ) 。e u l i t z 【2 l j 通過數(shù)值模擬方 法研究了靜葉c l o c k i n g 效應對1 5 級渦輪性能影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第二列靜葉出口 損失的變化達到2 4 。 1 9 9 8 年，c i z m a s 2 2 首次提出f u l l yc l o c k i n g 的概念，并在一臺三級透平實 現(xiàn)了靜葉之間，動葉之間同時達到相對位置的最佳配置。結(jié)果顯示動葉 c l o c k i n g 給機組帶來的效率波動是靜葉c l o c k i n g 的2 倍，而最終f u l l y c l o c k i n g 令整機效率提高的程度是單純調(diào)整靜葉相對位置后得到收益的2 4 5 倍。a m o n e 2 3 j 研究了不同雷諾數(shù)條件下一臺3 級低壓渦輪內(nèi)f u l l yc l o c k i n g 效 應，結(jié)果顯示得到了近似相同的效率變化圖。但無疑在低雷諾數(shù)條件下， e t 麗k i 喱礅噪更加明顯：效率改變可達到o 7 。作者認為，低雷諾數(shù)條件下流 動中的轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象是影響c l o c k i n g 效應的重要因素。d o m e y 2 4 1 研究c l o c k i n g 效 應對一臺四級工業(yè)透平性能的影響，數(shù)值模擬的結(jié)果顯示了改變靜葉相對位置 可以給該靜葉所在級帶來o 5 的效率變化，但是上游和下游各級的效率變化 就小得多了，整機的效率變化同樣保持在很小的尺度。他注意到靜葉c l o c k i n g 帶來的流場改變導致了動葉尾跡以不同的相對位置進入下游動葉流道，并稱之 為衍生c l o c k i n g 效應。從時均流場的分析來看，第- n 動葉的尾跡與第四列動 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 葉之間的相對位置是與第二列靜葉的尾跡與第三列靜葉之間的相對位置是反相 的。這個現(xiàn)象的存在使得c l o c k i n g 效應在整機內(nèi)的體現(xiàn)非常弱，只有約0 ，0 5 的效率收益。 a ) m a xe f f i c i e n c y 啦m ，i ne f f i c i e n c y 圖1 - 2 第二列靜葉的熵的時均分布“u 】 跨音速條件下，葉柵c l o c k i n g 的作用更多的體現(xiàn)在對非定常葉柵負荷與 激波損失的控制上。s a n d e r s 【2 5 】經(jīng)過理論分析發(fā)現(xiàn)：靜葉相對位置的改變可以 用于控制被動流動誘發(fā)的激振，存在著最佳配置可以完全消除非定常升力。 h u m m e l 【2 6 j 、m a r o n c i n i l 2 的研究表明，上游靜葉尾跡的通過將導致動葉尾緣激 波在不同周向位置上表現(xiàn)出不同的強度，正確布置第二級靜葉周向位置可以削 弱動葉激波干擾，數(shù)值模擬得到的軸向間隙改變帶來的效率變化為3 ，最佳軸 向間隙下c l o c k i n g 帶來的效率變化也是3 ，不同的軸向間隙時c l o c k i n g 的最 高效率和最低效率位置幾乎一致，最高效率都對應著被上游靜葉尾跡削弱的激 波系打到第二列靜葉前緣。c l o c k i n g 效應對葉型表面非定常擾動的影響顯而易 見，許多文獻都發(fā)現(xiàn)效率最低的c l o c k i n g 位置對應著較強的非定常干擾 9 , 2 5 , 2 7 。然而，d o r n e y 2 8 痢c i z m a s 2 9 1 卻發(fā)現(xiàn)效率最高的c l o c k i n g 位置伴隨著 葉型表面更多的非定常干擾。c i z m a s 推測最高效率c l o c k i n g 位置，進口導葉 增強了下游靜葉的壓力響應，從而加強了動靜葉之間的勢流干擾。這種發(fā)生在 最高效率處的耦合響應( 兩列靜葉之間) 無疑提高了葉型表面附面層內(nèi)低能流 體的能量，減少了葉型的損失。 r e i n m 6 1 l e r l 3 0 】研究了c l o c k i n g 效應對具有強烈的三維特征流動的影響。 結(jié)果顯示，不同的c l o c k i n g 位置時，來流靜葉尾跡與下游靜葉的相互作用， 將引起下游靜葉后湍流強度和絕對速度分布的改變，并導致下游靜葉后二次流 動的顯著變化。當徑向彎曲的上游靜葉尾跡區(qū)與下游靜葉前緣碰撞時，近似達 到最優(yōu)的c l o c k i n g 位置。實驗得到的效率變化約1 ，而數(shù)值模擬的結(jié)果為 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 0 7 。g o m b e r t 口”發(fā)現(xiàn)從根部到頂部，不同s 1 截面的效率隨c l o c k i n g 位置變 化的趨勢是不同相的，而且各參考葉高處的效率變化幅度大致相同( 圖卜3 ) 。 作者推測適當?shù)恼{(diào)整前兩級靜葉之間的徑向排列位置將可能給總效率帶來顯著 的提高，這與文獻 3 2 1 的觀點一致。j o u i n i 7 7 研究結(jié)果顯示從根部到頂部，不 同s 1 截面效率隨c l o c k i n g 位置交化的趨勢基本同相，而且效率的波幅也基本 一致，但頂部端區(qū)的二次流動和頂部的泄漏流動將會影響該處c l o c k i n g 的效 果( 圖卜4 ) 。 s t a t o r lc l r c u m f e r e n t l a dp o s i t i o n 0 5 m 舶 ；k “g 迄 、 鹽 ? s j泌 ，；。，。夕 1 警彭 矽、 彭 、 12 - 10 0 8 0 , 6 0 4 - 020 , 0d 2 0 4d60 , 81 01 王 c b c 岫p h a s e ( f r a c u o no f a i r f 日p i t c h ) 圖1 - 3 不同葉高處的c l o c k i n g 效應圈1 4 不同葉高處的c l o c k i n g 效應 葉柵相對位置改變對壓氣機性能的影響，最初側(cè)重于非定常效應控制多級 壓氣機氣動噪聲。w a l k e r 3 3 , 3 4 1 發(fā)現(xiàn)正確配置靜葉的相對位置可以降低氣動噪聲 5 - 6 分貝，相鄰葉列尾跡之間相互干擾可以降低尾跡中的速度虧損，進而減少 噪聲的產(chǎn)生。s a r e n 3 5 - 3 8 的研究發(fā)現(xiàn)改變?nèi)~柵相對位置可以提高機組運行性能 并減少葉型的非定常氣動力負荷。h s u 3 9 1 的實驗研究證實，適當調(diào)整動葉間的 相對位置將大幅度降低下游靜葉的非定常負荷。從效率收益的角度來衡量 c l o c k i n g 效應的話，渦輪中顯然更加明顯，特別采用了f u l l yc l o c k i n g 技術 之后。但在壓氣機中卻存在著兩種不同的觀點：一種觀點認為c l o c k i n g 效應 對壓氣機的性能的影響比較小( 特別是低速壓氣機) ，量級上可與制造和裝配 誤差相比1 1 7 , 4 0 ow a l k e r 4 0 】實驗研究了進口導葉c l o c k i n g 對下游靜葉邊界層的 和損失影響，并認為損失變化在量級上可以與實驗的不確定性相比。 b a r a n k i e w i c z l l 7 j 在臺四級的軸流壓氣機上進行靜葉c l o c k i n g 實驗，結(jié)果表 明靜葉相對位置改變帶來的機組性能的變化僅有0 2 左右( 圖卜5 ) ，第三列 靜葉總壓損失變化約1 0 ( 圖卜6 ) ，他認為葉型負荷加大的話，這些影響會相 應增加，即靜葉c l o c k i n g 效應給機組運行帶來的最大收益依賴于機組運行工 況。另一種觀點認為c l o c k i n g 效應在壓氣機中有一定效果。g u n d y b u r l e t 4 1 , 4 2 】 al自3j_z 矗暑_葛 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 利用數(shù)值模擬方法研究了靜葉相對位置改變對一臺2 5 級壓氣機性能的影響， 結(jié)果表明級效率改變在0 5 0 8 之間，且靜葉上被誘導出來的非定常干擾振幅 越大，帶來的效率增益也越大，這和文獻 2 8 ，2 9 中的結(jié)論是類似的。 h e l 4 3 】對一臺2 5 級跨音速壓氣機的數(shù)值實驗表明：靜葉c l o c k i n g 帶來的效 率變化低于o 1 ，而動葉c l o c k i n g 帶來的效率變化近乎于0 7 。亞音速和跨 音速的條件下，動葉c l o c k i n g 的效果完全相反。首先是不同c l o c k i n g 位置的 效率變化曲線完全異相。其次對于最高效率和最低效率，時均的流場信息也不 同。亞音速條件下最低效率對應時均的上游動葉尾跡通過下游動葉流道中央， 最高效率對應時均的上游動葉尾跡撞擊到下游動葉前緣，并與其附面層作用。 跨音速條件下，由于動葉通道激波的作用，最高效率對應時均的上游動葉尾跡 與下游動葉的通道激波干擾并通過流道中央，最低效率對應時均的上游動葉尾 跡與下游動葉的通道激波干擾，并緊貼吸力面通過葉柵流道。 圖1 - 5 不同c l o c k i n g 位置對應的壓氣機效率 0 0 00 0 50 1 00 1 5n 2 0o 2 5 所k m 舶m a s s a v e r a g a dl o s s c d e m d e m 圖1 - 6 不同c l o c k i n g 位置對應的 靜葉3 “總壓損失 勢流的相互作用完全是由葉列相對運動產(chǎn)生的壓力變化所引起的，尾跡的 相互作用是指上游葉列脫落尾跡與下游葉列及其尾跡之間的相互作用，它是作 用在葉片上非定常力的主要組成部分。當葉輪機械的級數(shù)增加時，尾跡傳輸?shù)?積累效應將使尾跡與尾跡和尾跡與葉片的作用變得十分復雜。眾多的研究表 明，同名葉柵相對周向位置的變化可以影響來自上游葉列的尾跡和不穩(wěn)定壓力 場與下游葉列的相互作用，進而對整個機組的運行效能產(chǎn)生顯著的影響。為了 解釋c l o c k i n g 效應改變機組性能的原因，人們發(fā)展了適用于二維環(huán)境的尾跡 前緣的干擾理論，但不同的文獻有著不同的觀點： ( 1 ) 上游葉列尾跡被輸運到下游同名葉列的前緣附近時，效率達到最 高；上游葉列尾跡被輸運到下游同名葉列流道中央的時，效率最低【9 ，”，2 3 印】。 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 ( 2 ) 最高效率點對應著上游葉列尾跡環(huán)繞下游同名葉列的前緣，然后遷 移到葉型吸力面；最低效率點則同于( 1 ) 中的描述。 ( 3 ) 最高效率點對應著上游葉列的尾跡碰到下游同名葉列的前緣，但略 有向葉型壓力面遷移的趨勢 2 2 1 ：最低效率點則同于( 1 ) 中的描述。 ( 4 ) 上游葉列尾跡被輸運到下游同名葉列的壓力面附近，效率達到最 高：上游葉列的尾跡被輸運到下游同名葉列的吸力面附近，效率最低【1 7 , 4 1 , 4 2 1 。 上述尾跡前緣干擾理論是一種時均意義上分析手段，它關注的是時均流 場表現(xiàn)，本質(zhì)上剔除了流動非定常性的影響。然而c l o c k i n g 效應作為控制葉列 問非定常干擾的一種手段，決定了其必然與非定常流動存在著聯(lián)系，由于非定 常流動現(xiàn)象的復雜性和極其豐富的內(nèi)涵，人們甚至還沒有形成一個系統(tǒng)的研究 體系對其進行分析和研究，迄今為止尚未有一個成型的理論可以用來準確描述 c l o c k i n g 效應的非定常機理。 1 4 彎葉片在葉輪機械內(nèi)的應用 彎曲葉片是在王仲奇院士在6 0 年代提出的，這種葉片的提出開創(chuàng)了葉輪 機械理論研究的新領域。經(jīng)過三十多年的氣動實驗、理論分析和數(shù)值計算等方 面的研究，這一代新型葉片成功地應用于航空發(fā)動機、蒸汽輪機、燃氣輪機 上，推動了熱力葉輪機械的發(fā)展。近十幾年來葉輪機械彎曲葉片的研究取得了 豐碩的成果?！胺磩佣染碚摗?4 4 1 和“附面層徑向遷移”【4 5 】揭示了彎曲葉片降低 損失的機理，“側(cè)型面”的提出【4 6 】，為葉輪機械設計者增加了一個新的自由度， 確立了葉片的“彎”“扭”聯(lián)合氣動成型的新的設計方法。大量理論和實驗研究發(fā) 現(xiàn)了葉片彎曲導致靜壓和氣流落后角沿葉高呈“c ”型分布的規(guī)律 4 5 , 4 6 ，為控制 附面層分離和變沖角特性提供了理論依據(jù)，近年來又出現(xiàn)了葉片的彎曲方向 ( 正彎曲還是反彎曲) 取決于流向壓力梯度的思想1 4 ”，這些新思想、新概念和 新方法得到了國內(nèi)外同行的認可。而i h p t e t 計劃中將彎曲葉片作為提高發(fā)動 機氣動性能的主要措施之一1 4 8 l ，這也是彎曲葉片具有良好發(fā)展前景的一個很好 的例證。 彎扭聯(lián)合氣動成型理論，也稱為附面層遷移理論，是王仲奇院士在1 9 8 1 年首次提出的1 4 5 1 。文獻 4 5 指出，決定葉柵內(nèi)能量損失的主要因素不是反力度 沿葉高的分布，而是葉柵流道內(nèi)，尤其是喉部以后靜壓沿葉高的分布。并進而 通過數(shù)值計算結(jié)果表明，在正彎曲葉柵內(nèi)( 即葉片壓力面與端壁成銳角的彎曲 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 葉片葉柵) 可以獲得在葉柵流道根部區(qū)域內(nèi)為負壓力梯度，而在頂部區(qū)域為正 壓力梯度的靜壓分布規(guī)律，即所謂的“c ”型靜壓分布準則。在此種壓力梯度 下，葉柵兩端的附面層被吸入到主氣流中，并被主流帶走，從而降低了兩端區(qū) 的能量損失。這就是附面層遷移理論的主要內(nèi)容。這種“c ”型壓力分布被許多 實驗結(jié)果所證實。為了使反力度沿葉高顯著地發(fā)生變化，從而提高間隙根部的 壓力，同時降低間隙頂部的壓力，以達到改善動葉根部區(qū)的流動狀況，減少動 葉頂部徑向間隙漏氣損失的目的，除葉片彎曲外，還應將葉片進行反扭曲，使 得間隙內(nèi)造成的流線反曲率可以導致反力度沿葉高的均化。這種將葉片的彎曲 和扭曲合理地匹配成型的方法，就稱之為“葉片的彎扭聯(lián)合氣動成型”。這種高 性能葉片的出現(xiàn)，使得葉輪機械葉片的發(fā)展進入了第三個階段，即從直葉 片一扭葉片一一彎扭葉片m 。此后，以王仲奇院士為首的課題組在哈爾濱工 業(yè)大學進行了大量的、卓有成效的研究工作，在彎扭葉片研究領域占領了國內(nèi) 的制高點。其中，韓萬金教授 4 6 】致力于彎曲葉片在渦輪葉柵中應用的實驗研 究，并結(jié)合拓撲分析，對葉柵中的漩渦結(jié)構進行深入的描繪，為研究具有彎扭 葉片的環(huán)形葉柵中漩渦結(jié)構的演化奠定了理論與實驗基礎。 采用彎曲葉片可有效控制膨脹葉柵和導向葉柵二次流，大大改善級特性 一”，從理論上講也應該是減少壓氣機葉柵端部損失，消除壁角分離的一條重要 途徑，但由于壓氣機葉柵中氣流的減速擴壓流動，沿流向的正壓力梯度，使得 附面層迅速增厚并易于分離，所以彎曲葉片有效地控制渦輪葉柵內(nèi)部二次流動 并不意味著將其經(jīng)過簡單技術移植，對擴壓葉柵就能奏效，因為這是兩類性質(zhì) 不同的流動。蘇杰先教授瞄0 j 指出，在壓氣機葉柵中氣流折轉(zhuǎn)角小，因而氣流的 離心力小，由它產(chǎn)生的徑向壓力梯度小，吸收端壁附面層的效應也小；另外由 于壓氣機中是擴壓葉柵，葉型損失比較大，低能流體吸到主流后還會影響到主 流區(qū)的流動，所有這些因素使得在壓氣機中采用彎曲葉片的效果可能不如透平 中明顯。 國內(nèi)外學者在壓氣機葉柵中采用傾斜和彎曲葉片的實驗研究方面已取得了 一定的成果。通過研究發(fā)現(xiàn)，對導向葉柵和擴壓葉柵，采用正彎曲葉片對中部 損失的影響取決于葉型中部吸力面上沿流向的壓力梯度，以及邊界層是否分 離，如果分離不嚴重或可以控制，、在這兩類葉柵中采用正彎曲葉柵是有利的。 否則對中部有嚴重邊界層分離的擴壓葉柵和導向葉柵，采用反彎曲葉柵對降低 總能量損失將會有利。雖然采用反彎曲葉片的利弊尚需進一步的研究和探討， 但無論是正彎還是反彎，都可以有效的控制葉柵流道內(nèi)的徑向壓力梯度和橫向 壓差，而葉柵中的能量損失主要由流道內(nèi)的三維壓力場( 徑向、橫向和流向的 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 壓力變化) 決定，所以采用彎扭葉片控制三維流場中的靜壓分布，是降低葉柵 能量損失，完善其氣動性能的強有力的手段。 俄羅斯b o g o d 等人【5 l j 利用多級壓氣機中典型的中亞音速級，研究了六種 不同彎曲型式的出口導葉柵。級的實驗顯示出對所有五種彎曲葉片級，總的氣 動特性有所改善，在優(yōu)化的工況范圍內(nèi)，級效率提高1 o 1 5 ；采用反彎曲 葉片的級的效率提高的最大值為2 0 3 o ，正彎曲葉柵在平均半徑處變得相對 過載，頂部的速度分布得到改善，而反彎曲葉柵則相反；導葉彎曲不僅影響此 排葉柵的功而且也改變了前一排動葉的特性；葉片尾跡由于導葉彎曲所引起的 不均勻流，流動特性會發(fā)生變化：反彎曲葉片葉柵的損失降低是最