（動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)論文）采用彎葉片的重復(fù)級(jí)軸流壓氣機(jī)時(shí)序效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究.pdf

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 未來(lái)新型航空飛行器以高飛行速度、強(qiáng)機(jī)動(dòng)性能、遠(yuǎn)航程、低噪音污染 為主要發(fā)展目標(biāo)，這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要?dú)鈩?dòng)部件一風(fēng)扇壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能 和可靠性提出了更高要求，其中深入的研究先進(jìn)葉片造型設(shè)計(jì)技術(shù)和葉柵內(nèi) 部流動(dòng)的非定常效應(yīng)有著非常重要的意義。在各種葉片造型設(shè)計(jì)和非定常流 動(dòng)的研究中，彎曲葉片設(shè)計(jì)和改變壓氣機(jī)內(nèi)同名葉柵的周向相對(duì)位置，即 c l o c k i n g 效應(yīng)是近年發(fā)展起來(lái)的控制葉柵內(nèi)部流動(dòng)狀況及葉列間干擾的行之 有效的方法。大量的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)地位的端壁損失，較好地控制葉柵附面層流動(dòng)；c l o c k i n g 效應(yīng)則可 以有效減小葉列間干擾的負(fù)效應(yīng)和改善機(jī)組效率。 本論文對(duì)采用直、彎靜葉的熏復(fù)級(jí)壓氣機(jī)性能及c l o c k i n g 效應(yīng)進(jìn)行了 大量、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，利用總壓探針及五孔探針詳細(xì)測(cè)量了不同靜葉型式 及設(shè)計(jì)參數(shù)下壓氣機(jī)總性能及第一級(jí)、第二級(jí)出口流場(chǎng)，探討了c l o c k i n g 效應(yīng)改善壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)狀況的機(jī)理及其應(yīng)用。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多數(shù)工況下，采用彎曲靜葉的重復(fù)級(jí)壓氣機(jī)壓比特性基 本沒(méi)有變化，而效率則比直靜葉時(shí)明顯提高，且隨流量減小而趨勢(shì)顯著，而 且對(duì)近喘振點(diǎn)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(jī)c l o c k i n g 效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著兩列靜葉 周向相對(duì)位置的變化，存在具有最低、最高壓氣機(jī)效率的c l o c k i n g 位置； 設(shè)計(jì)工況下，采用彎葉片壓氣機(jī)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(duì)節(jié)距且差值為o 5 9 ，而直葉片時(shí)的兩個(gè)c l o c k i n g 位置則為 1 1 8 、1 2 1 8 相對(duì)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(yīng)的影響，壓氣機(jī)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(jī)彎曲葉片設(shè)計(jì)中，如果能夠充分利用c l o c k i n g 效應(yīng)控制 葉列間非定常干擾的能力，壓氣機(jī)性能會(huì)得到進(jìn)一步的提升，二者的優(yōu)勢(shì)結(jié) 合是進(jìn)一步提高壓氣機(jī)性能的一個(gè)極具潛力的技術(shù)途徑。 關(guān)鍵詞壓氣機(jī)；彎葉片；時(shí)序效應(yīng)；非定常 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分一壓氣機(jī)的研究始 終占有重要的地位，對(duì)壓氣機(jī)的研究是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作的核心。要深入了 解壓氣機(jī)中流動(dòng)的物理過(guò)程、驗(yàn)證理論分析方法的實(shí)用性、解決工程應(yīng)用中的 實(shí)際問(wèn)題、檢驗(yàn)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，以及提供有關(guān)損失、沖角和落后角等參數(shù) 之間相互關(guān)系的數(shù)據(jù)，都要求在壓氣機(jī)的研究過(guò)程中進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究。因 此，壓氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究是研究壓氣機(jī)的基礎(chǔ)和必要環(huán)節(jié)。 在以往的葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系中，人們一直采用針對(duì)定常流動(dòng)的設(shè)計(jì)理 論。然而，由于流體的粘性和存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的葉片排，即使是在設(shè)計(jì)工況下， 葉輪機(jī)內(nèi)的流動(dòng)也是高度非定常的。這樣，定常氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系就與實(shí)際的非定 常流動(dòng)形成了巨大的反差一流動(dòng)是高度非定常的，而針對(duì)非定常流動(dòng)過(guò)程所建 立的氣動(dòng)設(shè)計(jì)工程體系反而是以定常流動(dòng)基本假設(shè)為前提的。因此，國(guó)內(nèi)外葉 輪機(jī)界專家學(xué)者普遍認(rèn)為，葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系從定常向非定常轉(zhuǎn)變是主要發(fā) 展趨勢(shì)，非定常蘊(yùn)含著很大的潛力l l l 。 1 1 葉輪機(jī)內(nèi)的非定常流動(dòng) 葉輪機(jī)械內(nèi)多排動(dòng)靜葉片交錯(cuò)排列，流動(dòng)具有強(qiáng)烈的非定常性，葉柵流道 中湍流的產(chǎn)生、擴(kuò)散與耗散，噪聲的產(chǎn)生與傳播，葉片表面流動(dòng)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(dòng)和顫振等都屬于葉輪機(jī)械內(nèi)的非定常流動(dòng)。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(qiáng)非線性相互作用，與葉輪機(jī)效率、級(jí)負(fù)荷、機(jī)組的可 靠性等密切相關(guān)。因此，深入理解和研究非定常流動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)進(jìn)一步提高葉輪 機(jī)械性能具有重要意義【2 圳。 軸流葉輪機(jī)械內(nèi)的非定常性流動(dòng)按照起源可劃分為動(dòng)靜葉相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的 周期性非定常擾動(dòng)、葉排對(duì)于強(qiáng)迫作用的響應(yīng)、氣一固耦合、失這和喘振、進(jìn) 氣畸變等【4 】。根據(jù)非定常流動(dòng)現(xiàn)象尺度與葉片弦長(zhǎng)或葉列軸向間隙的比例關(guān) 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(dòng)現(xiàn)象【5 】。由 于現(xiàn)代葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)越來(lái)越趨向于尺寸和重量上的減少，勢(shì)必增加內(nèi)部流動(dòng)非 定常效應(yīng)影響的重要性，因此基于非定常流動(dòng)現(xiàn)象的研究工作逐漸成為熱點(diǎn)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(dòng)、旋轉(zhuǎn)失速、喘振等) 的非定常現(xiàn)象對(duì)葉輪機(jī)械總體性能的影響已經(jīng) 被大量實(shí)例驗(yàn)證，而且可以通過(guò)某些定性的特征來(lái)獲知。但是對(duì)于中等尺度 ( 葉列間勢(shì)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(dòng)機(jī)總體性能之間的關(guān)系尚不清楚，缺乏必要的定量信息進(jìn)行收益的預(yù)估。 當(dāng)審視現(xiàn)有多級(jí)葉輪機(jī)的實(shí)物和圖紙時(shí)，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(dāng)動(dòng)，動(dòng)或靜 靜葉片的相對(duì)周向位置變動(dòng)時(shí)，其氣動(dòng)性能也產(chǎn)生了變化。這種現(xiàn)象被稱為時(shí) 序效應(yīng)( c l o c k i n ge f f e c t ) 。按照定常設(shè)計(jì)體系理論，這種周向位置的不同定位 是不會(huì)對(duì)葉輪機(jī)氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響的。 現(xiàn)代葉輪機(jī)械的發(fā)展，在氣動(dòng)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(dòng)的非定常效應(yīng)有著非常重要的意義。在各種非定常流動(dòng) 的研究中，改變?nèi)~輪機(jī)械內(nèi)同名葉柵的周向相對(duì)位置，即c l o c k i n g 效應(yīng)是近年 發(fā)展起來(lái)的控制葉列間干擾的方法之一。 本文的研究對(duì)象就是葉輪機(jī)內(nèi)固有的非定常流動(dòng)現(xiàn)象葉列間相互干擾 引起的周期性非定常流動(dòng)，它實(shí)質(zhì)上是一種中等尺度的非定常流動(dòng)現(xiàn)象。作為 葉輪機(jī)本質(zhì)的非定常流動(dòng)，它總是存在的，必須充分考慮到它的影響，從而設(shè) 計(jì)出更好的葉輪機(jī)械。 1 2c l o c k i n g 效應(yīng)的研究現(xiàn)狀 1 , 2 1 國(guó)外開(kāi)展的工作 w m k e r 【6 j 發(fā)現(xiàn)如果適當(dāng)調(diào)整一個(gè)一級(jí)半的軸流壓氣機(jī)靜子的相對(duì)周向位置， 測(cè)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(dòng) 會(huì)在軸流葉輪機(jī)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(dòng)壓氣機(jī)靜靜、動(dòng)動(dòng)葉片的相對(duì)周向位置可獲得潛在的性能效益的研究 者之一。對(duì)于這些早期的研究，由于計(jì)算和測(cè)試手段的限制，人們很難取得大 的進(jìn)展，也就不易揭示其內(nèi)在的物理機(jī)制。到了最近十年，計(jì)算技術(shù)和測(cè)試技 術(shù)都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，人們?cè)诜嵌ǔ７矫娴牧私庵饾u深入，對(duì)時(shí)序效應(yīng)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(shí)序效應(yīng)對(duì)擁有一個(gè)靜子， 轉(zhuǎn)子靜予結(jié)構(gòu)的渦輪的影響。文中研究了兩種時(shí)序效應(yīng)結(jié)構(gòu)：第一種是第二 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 級(jí)靜子與第一級(jí)靜予對(duì)齊，第二種是把第一種情況中第二級(jí)靜子偏移半個(gè)靜子 柵距，得出結(jié)論：在第二級(jí)靜子的出口處，總壓損失系數(shù)會(huì)有2 4 的差別，而且 認(rèn)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(shí)序效應(yīng)對(duì)于渦輪性能的影響峭j 。 其研究表明當(dāng)靜葉相對(duì)周向位置變化時(shí)，效率有0 5 的變化，并且當(dāng)?shù)谝患?jí) 靜葉的尾跡打在第二級(jí)靜葉前緣上時(shí)出現(xiàn)最高效率，而最低效率出現(xiàn)在第一級(jí) 靜葉的尾跡在第二級(jí)靜葉通道中央流過(guò)時(shí)。 h u b e r 在1 9 9 5 年對(duì)一個(gè)各級(jí)葉片數(shù)修改至相等的2 5 級(jí)渦輪分別進(jìn)行了實(shí) 驗(yàn)一j 和數(shù)值模擬【l 圳研究。其研究顯示，不論在設(shè)計(jì)工況下還是在非設(shè)計(jì)工況下， 靜子的時(shí)序效應(yīng)都使效率產(chǎn)生了o 3 的變化。在設(shè)計(jì)工況時(shí)，對(duì)不同徑向位置 進(jìn)行了測(cè)量，最高的效率變化達(dá)到l 。葉中測(cè)得的效率變化在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá) o 8 ，轉(zhuǎn)速更高時(shí)可達(dá)1 。文中指出，如果第一級(jí)葉片的尾跡能夠從葉尖到葉 根都調(diào)整到與第二級(jí)葉片前緣對(duì)準(zhǔn)，則渦輪性能提高0 8 是可能的。數(shù)值模擬 研究表明前級(jí)葉片尾跡打在后級(jí)葉片前緣上時(shí)出現(xiàn)最高效率，而最低效率發(fā)生 在前級(jí)葉片的尾跡在后級(jí)葉片通道中央流過(guò)時(shí)。n s 模擬可以說(shuō)明，靜子時(shí)序 效應(yīng)使得渦輪效率提高的主要因素是改善了第二級(jí)轉(zhuǎn)子的性能，減小第二級(jí)葉 片表面脈動(dòng)速度和減少大尺度的非定常流動(dòng)是可以提高其性能的。 從己發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)渦輪進(jìn)行的時(shí)序效應(yīng)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(cè)到效率的變化，這說(shuō)明時(shí)序效應(yīng)對(duì)渦輪的性 能有一定的影響。 s a r e n 等從1 9 9 4 年開(kāi)始通過(guò)數(shù)值計(jì)算、理論分析和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)時(shí)序效應(yīng)對(duì) 壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行研究，得出結(jié)論：時(shí)序效應(yīng)能夠用來(lái)提高性能和減少葉 片的非定常氣動(dòng)負(fù)荷；其研究表明改變?nèi)~柵相對(duì)位置對(duì)流場(chǎng)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(jì)算的方法研究了靜葉相對(duì)位置的改變對(duì)一 臺(tái)2 1 2 級(jí)壓氣機(jī)性能的影響，得到的數(shù)據(jù)表明級(jí)效率的改變?cè)趏 5 0 8 之 間。目前比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)是：改變靜葉相對(duì)位置得到的最高效率對(duì)應(yīng)著第一列 靜葉尾跡被輸運(yùn)到第二列靜葉的前緣附近，最低效率則對(duì)應(yīng)著第一列靜葉尾跡 被輸運(yùn)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(duì)后面靜子的非定常影響以尾跡的影響 為主，勢(shì)流的影響不大：而后面轉(zhuǎn)子對(duì)前面靜子的影響以勢(shì)流影響為主。當(dāng)前 排轉(zhuǎn)子的尾跡正好打在后面靜子的前緣上時(shí)，靜子前緣的非定常性最大；當(dāng)后 排轉(zhuǎn)子的前緣和前排靜予的尾緣最近時(shí)，前排尾緣的非定常性達(dá)到最大過(guò)一個(gè) 微小的時(shí)間延遲后，其非定常性達(dá)到最小。因此，如果適當(dāng)布置轉(zhuǎn)子一轉(zhuǎn)子的 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 相對(duì)周向位置，使靜子前緣的非定常力達(dá)到最大時(shí)，尾緣的非定常力達(dá)到最 小，則可以大幅度減少靜子上的非定常負(fù)荷，延長(zhǎng)靜子葉片的使用壽命。 d o m e y l l 4 j 驗(yàn)證了一個(gè)1 5 級(jí)的高速壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)工況下，通過(guò)靜子的時(shí)序效應(yīng)， 效率變化了0 6 0 7 。w a l k e r 1 5 于1 9 9 8 年對(duì)一個(gè)1 5 級(jí)的壓氣機(jī)所作的試驗(yàn) 顯示，時(shí)序效應(yīng)強(qiáng)烈地影響著下游葉片上的周期性轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。 為了更準(zhǔn)確地建立壓氣機(jī)分析模型，d o m e y 1 6 】采用3 4 個(gè)i g v ，3 5 個(gè)轉(zhuǎn)子 葉片，3 4 個(gè)靜子葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)全周向模擬，并與把葉片數(shù)簡(jiǎn)化至相等的模擬進(jìn)行 了比較。結(jié)果顯示，按實(shí)際葉片數(shù)建立模擬，對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)與時(shí)序效應(yīng)相關(guān)的 趨勢(shì)很有必要。全周向模擬的壓力變化比簡(jiǎn)化模擬中的壓力變化更接近試驗(yàn)數(shù) 據(jù)。 對(duì)多級(jí)軸流壓氣機(jī)時(shí)序效應(yīng)的研究最先出現(xiàn)在對(duì)壓氣機(jī)噪聲的研究上。 w a l k e r 6 發(fā)現(xiàn)，如果適當(dāng)調(diào)整一個(gè)一級(jí)半的軸流壓氣機(jī)靜子的相對(duì)周向位置，測(cè) 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(jí)葉片之間的尾流 的干擾可以用來(lái)減少這些尾流中的速度虧損，并以次來(lái)減少噪聲的大小。靜子 時(shí)序效應(yīng)對(duì)聲壓級(jí)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(shí)。他 們還進(jìn)一步指出，在最高和最低噪聲狀態(tài)下，無(wú)法測(cè)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(tái)低速4 級(jí)軸流壓氣機(jī)上 進(jìn)行了時(shí)序效應(yīng)影響實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示由于靜葉相對(duì)位置的改變而帶來(lái)的總體性 能的變化僅為o 2 ，第3 級(jí)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(gè)2 5 級(jí)的壓氣機(jī)中也對(duì)靜葉時(shí)序效應(yīng)作了 數(shù)值研究，結(jié)果顯示效率變化的量級(jí)在o 5 0 8 。 上述壓氣機(jī)的時(shí)序效應(yīng)研究也得到了性能有變化的結(jié)論，但只有很少幾篇 文獻(xiàn)顯示了在高速壓氣機(jī)中，時(shí)序效應(yīng)導(dǎo)致了效率多于0 5 個(gè)百分點(diǎn)的變化， 大部分文獻(xiàn)顯示效率變化量級(jí)與測(cè)量誤差、裝配誤差量級(jí)相當(dāng)。 1 2 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)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(jī)非定常數(shù)值模擬方面做了大量卓有成效的工作， 相繼開(kāi)發(fā)了顯式時(shí)間推進(jìn)方法、時(shí)間推進(jìn)的l u s g s 隱式迭代法與雙時(shí)間步法 等一系列非定常粘流計(jì)算模式。他們發(fā)現(xiàn)采用非定常計(jì)算模式得到的結(jié)果更接 近于真實(shí)流動(dòng)，并指出雙時(shí)間法與l u s g s 隱式解法相結(jié)合的非定常粘流計(jì)算 模式可以顯著地節(jié)省計(jì)算時(shí)間。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 北航的陳矛章院士發(fā)展了一種研究葉輪機(jī)內(nèi)動(dòng)、靜葉問(wèn)的相互作用的新方 法擾動(dòng)渦方法：為了計(jì)算葉片對(duì)擾動(dòng)場(chǎng)的響應(yīng)，采用拉格朗日方法追蹤擾 動(dòng)渦團(tuán)的對(duì)流流動(dòng)過(guò)程，用確定性渦方法來(lái)描述流體的粘性擴(kuò)散，并計(jì)算出軸 流葉輪機(jī)內(nèi)由于動(dòng)靜葉相互作用而引起的非定常流動(dòng)。模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 吻合得相當(dāng)好，而且相漂移周期性邊界條件的使用，將大大節(jié)約計(jì)算所需要時(shí) 間。周盛教授闡述了葉輪機(jī)械非定常流動(dòng)研究進(jìn)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(chǔ)上進(jìn)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(wèn)題，把時(shí)均方程應(yīng)用于葉輪機(jī)多排時(shí)均流動(dòng)模擬，將葉輪機(jī)非定常干擾( 以 轉(zhuǎn)靜干擾為代表) 時(shí)間平均效應(yīng)納入設(shè)計(jì)體系，實(shí)現(xiàn)所謂的準(zhǔn)四維設(shè)計(jì)體 系。在時(shí)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(shí)間步法進(jìn)行3 dn s 數(shù)值研究來(lái)得到一臺(tái)跨音風(fēng)扇級(jí)轉(zhuǎn)靜干擾流動(dòng) 的時(shí)間精確解。特別是文獻(xiàn) 1 8 綜述了近年來(lái)時(shí)序效應(yīng)也就是c l o c k i n g 效應(yīng)在 軸流葉輪機(jī)械內(nèi)的應(yīng)用。他指出c l o c k i n g 效應(yīng)在渦輪中比在壓氣機(jī)中所獲性能 收益更為顯著；對(duì)于壓氣機(jī)，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(gè)利用時(shí)序效應(yīng)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(kāi)始研究葉輪機(jī)械內(nèi)動(dòng)靜葉的 干擾問(wèn)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(dòng)的時(shí)間精確解。隨后此方法被應(yīng)用到靜葉周向布局對(duì)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(jí)性能最優(yōu)，并指出效率改變?cè)?o 2 6 左右。西安交通大學(xué)的祁明旭使用n u m e c a 軟件研究了動(dòng)靜干涉效應(yīng) 對(duì)軸流透平級(jí)氣動(dòng)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(chǎng)強(qiáng)非定常特性的最主要因素，引起了脈動(dòng)速度、型面壓 力、攻角以及損失的較大變化，從而對(duì)透平級(jí)性能產(chǎn)生較大影響。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊海濤和黃洪雁【19 】在2 0 0 3 年選取某重復(fù)級(jí)壓氣機(jī)平均 半徑處的型線，進(jìn)行平面擴(kuò)壓葉柵非定常數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)第二列靜葉的氣動(dòng)性 能的改善是靜葉相對(duì)位置改變令整個(gè)級(jí)效率提高的關(guān)鍵因素，級(jí)最高的效率點(diǎn) 對(duì)應(yīng)著時(shí)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(yīng)的應(yīng)用 s h a r m a 2 川發(fā)現(xiàn)改變渦輪進(jìn)口導(dǎo)葉與第二列靜葉的周向相對(duì)位置時(shí)，中徑附 近效率變化達(dá)到1 ，總效率變化約為0 5 ( 如圖1 - 1 ) 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不同雷諾數(shù)流動(dòng)條件下，靜葉相對(duì)位置改變均使 機(jī)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(dāng)組 合第- - y 0 靜葉時(shí)均尾跡從根部到頂部與第二列靜葉前緣點(diǎn)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(shí)，可觀察到第二列靜葉附近較強(qiáng)的 非定常湍流波動(dòng)。g r i f f i n 1 0 】用數(shù)值模擬的方法證實(shí)了上述發(fā)現(xiàn)，指出第二列靜 葉的性能提升是整個(gè)渦輪級(jí)效率提高的主要?jiǎng)恿ΑＷ罡咝蕦?duì)應(yīng)第一列靜葉尾 跡恰好被輸運(yùn)到第- n 靜葉前緣附近( 圖1 2a ) ，最低效率對(duì)應(yīng)著第一列靜葉 尾跡被輸運(yùn)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(guò)數(shù)值模擬方 法研究了靜葉c l o c k i n g 效應(yīng)對(duì)1 5 級(jí)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(dá)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(tái)三級(jí)透平實(shí) 現(xiàn)了靜葉之間，動(dòng)葉之間同時(shí)達(dá)到相對(duì)位置的最佳配置。結(jié)果顯示動(dòng)葉 c l o c k i n g 給機(jī)組帶來(lái)的效率波動(dòng)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(jī)效率提高的程度是單純調(diào)整靜葉相對(duì)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(tái)3 級(jí)低壓渦輪內(nèi)f u l l yc l o c k i n g 效 應(yīng)，結(jié)果顯示得到了近似相同的效率變化圖。但無(wú)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(dá)到o 7 。作者認(rèn)為，低雷諾數(shù)條件下流 動(dòng)中的轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象是影響c l o c k i n g 效應(yīng)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(yīng)對(duì)一臺(tái)四級(jí)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(duì)位置 可以給該靜葉所在級(jí)帶來(lái)o 5 的效率變化，但是上游和下游各級(jí)的效率變化 就小得多了，整機(jī)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(lái)的流場(chǎng)改變導(dǎo)致了動(dòng)葉尾跡以不同的相對(duì)位置進(jìn)入下游動(dòng)葉流道，并稱之 為衍生c l o c k i n g 效應(yīng)。從時(shí)均流場(chǎng)的分析來(lái)看，第- n 動(dòng)葉的尾跡與第四列動(dòng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 葉之間的相對(duì)位置是與第二列靜葉的尾跡與第三列靜葉之間的相對(duì)位置是反相 的。這個(gè)現(xiàn)象的存在使得c l o c k i n g 效應(yīng)在整機(jī)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(shí)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(duì)非定常葉柵負(fù)荷與 激波損失的控制上。s a n d e r s 【2 5 】經(jīng)過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)：靜葉相對(duì)位置的改變可以 用于控制被動(dòng)流動(dòng)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(guò)將導(dǎo)致動(dòng)葉尾緣激 波在不同周向位置上表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度，正確布置第二級(jí)靜葉周向位置可以削 弱動(dòng)葉激波干擾，數(shù)值模擬得到的軸向間隙改變帶來(lái)的效率變化為3 ，最佳軸 向間隙下c l o c k i n g 帶來(lái)的效率變化也是3 ，不同的軸向間隙時(shí)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(duì)應(yīng)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(yīng)對(duì)葉型表面非定常擾動(dòng)的影響顯而易 見(jiàn)，許多文獻(xiàn)都發(fā)現(xiàn)效率最低的c l o c k i n g 位置對(duì)應(yīng)著較強(qiáng)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(cè)最高效率c l o c k i n g 位置，進(jìn)口導(dǎo)葉 增強(qiáng)了下游靜葉的壓力響應(yīng)，從而加強(qiáng)了動(dòng)靜葉之間的勢(shì)流干擾。這種發(fā)生在 最高效率處的耦合響應(yīng)( 兩列靜葉之間) 無(wú)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(yīng)對(duì)具有強(qiáng)烈的三維特征流動(dòng)的影響。 結(jié)果顯示，不同的c l o c k i n g 位置時(shí)，來(lái)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(qiáng)度和絕對(duì)速度分布的改變，并導(dǎo)致下游靜葉后二次流 動(dòng)的顯著變化。當(dāng)徑向彎曲的上游靜葉尾跡區(qū)與下游靜葉前緣碰撞時(shí)，近似達(dá) 到最優(yōu)的c l o c k i n g 位置。實(shí)驗(yàn)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(shì)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(cè)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整前兩級(jí)靜葉之間的徑向排列位置將可能給總效率帶來(lái)顯著 的提高，這與文獻(xiàn) 3 2 1 的觀點(diǎn)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(shì)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(dòng)和頂部的泄漏流動(dòng)將會(huì)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(yīng)圈1 4 不同葉高處的c l o c k i n g 效應(yīng) 葉柵相對(duì)位置改變對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，最初側(cè)重于非定常效應(yīng)控制多級(jí) 壓氣機(jī)氣動(dòng)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(duì)位置可以降低氣動(dòng)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(jìn)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(duì)位置可以提高機(jī)組運(yùn)行性能 并減少葉型的非定常氣動(dòng)力負(fù)荷。h s u 3 9 1 的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，適當(dāng)調(diào)整動(dòng)葉間的 相對(duì)位置將大幅度降低下游靜葉的非定常負(fù)荷。從效率收益的角度來(lái)衡量 c l o c k i n g 效應(yīng)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(shù) 之后。但在壓氣機(jī)中卻存在著兩種不同的觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為c l o c k i n g 效應(yīng) 對(duì)壓氣機(jī)的性能的影響比較小( 特別是低速壓氣機(jī)) ，量級(jí)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(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)口導(dǎo)葉c l o c k i n g 對(duì)下游靜葉邊界層的 和損失影響，并認(rèn)為損失變化在量級(jí)上可以與實(shí)驗(yàn)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(tái)四級(jí)的軸流壓氣機(jī)上進(jìn)行靜葉c l o c k i n g 實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表 明靜葉相對(duì)位置改變帶來(lái)的機(jī)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(rèn)為葉型負(fù)荷加大的話，這些影響會(huì)相 應(yīng)增加，即靜葉c l o c k i n g 效應(yīng)給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)的最大收益依賴于機(jī)組運(yùn)行工 況。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為c l o c k i n g 效應(yīng)在壓氣機(jī)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 利用數(shù)值模擬方法研究了靜葉相對(duì)位置改變對(duì)一臺(tái)2 5 級(jí)壓氣機(jī)性能的影響， 結(jié)果表明級(jí)效率改變?cè)? 5 0 8 之間，且靜葉上被誘導(dǎo)出來(lái)的非定常干擾振幅 越大，帶來(lái)的效率增益也越大，這和文獻(xiàn) 2 8 ，2 9 中的結(jié)論是類似的。 h e l 4 3 】對(duì)一臺(tái)2 5 級(jí)跨音速壓氣機(jī)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明：靜葉c l o c k i n g 帶來(lái)的效 率變化低于o 1 ，而動(dòng)葉c l o c k i n g 帶來(lái)的效率變化近乎于0 7 。亞音速和跨 音速的條件下，動(dòng)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(duì)于最高效率和最低效率，時(shí)均的流場(chǎng)信息也不 同。亞音速條件下最低效率對(duì)應(yīng)時(shí)均的上游動(dòng)葉尾跡通過(guò)下游動(dòng)葉流道中央， 最高效率對(duì)應(yīng)時(shí)均的上游動(dòng)葉尾跡撞擊到下游動(dòng)葉前緣，并與其附面層作用。 跨音速條件下，由于動(dòng)葉通道激波的作用，最高效率對(duì)應(yīng)時(shí)均的上游動(dòng)葉尾跡 與下游動(dòng)葉的通道激波干擾并通過(guò)流道中央，最低效率對(duì)應(yīng)時(shí)均的上游動(dòng)葉尾 跡與下游動(dòng)葉的通道激波干擾，并緊貼吸力面通過(guò)葉柵流道。 圖1 - 5 不同c l o c k i n g 位置對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)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(duì)應(yīng)的 靜葉3 “總壓損失 勢(shì)流的相互作用完全是由葉列相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dāng)葉輪機(jī)械的級(jí)數(shù)增加時(shí)，尾跡傳輸?shù)?積累效應(yīng)將使尾跡與尾跡和尾跡與葉片的作用變得十分復(fù)雜。眾多的研究表 明，同名葉柵相對(duì)周向位置的變化可以影響來(lái)自上游葉列的尾跡和不穩(wěn)定壓力 場(chǎng)與下游葉列的相互作用，進(jìn)而對(duì)整個(gè)機(jī)組的運(yùn)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(yīng)改變機(jī)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(xiàn)有著不同的觀點(diǎn)： ( 1 ) 上游葉列尾跡被輸運(yùn)到下游同名葉列的前緣附近時(shí)，效率達(dá)到最 高；上游葉列尾跡被輸運(yùn)到下游同名葉列流道中央的時(shí)，效率最低【9 ，”，2 3 印】。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(diǎn)則同于( 1 ) 中的描述。 ( 3 ) 最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(shì) 2 2 1 ：最低效率點(diǎn)則同于( 1 ) 中的描述。 ( 4 ) 上游葉列尾跡被輸運(yùn)到下游同名葉列的壓力面附近，效率達(dá)到最 高：上游葉列的尾跡被輸運(yùn)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(shí)均意義上分析手段，它關(guān)注的是時(shí)均流 場(chǎng)表現(xiàn)，本質(zhì)上剔除了流動(dòng)非定常性的影響。然而c l o c k i n g 效應(yīng)作為控制葉列 問(wèn)非定常干擾的一種手段，決定了其必然與非定常流動(dòng)存在著聯(lián)系，由于非定 常流動(dòng)現(xiàn)象的復(fù)雜性和極其豐富的內(nèi)涵，人們甚至還沒(méi)有形成一個(gè)系統(tǒng)的研究 體系對(duì)其進(jìn)行分析和研究，迄今為止尚未有一個(gè)成型的理論可以用來(lái)準(zhǔn)確描述 c l o c k i n g 效應(yīng)的非定常機(jī)理。 1 4 彎葉片在葉輪機(jī)械內(nèi)的應(yīng)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(kāi)創(chuàng)了葉輪 機(jī)械理論研究的新領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)三十多年的氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值計(jì)算等方 面的研究，這一代新型葉片成功地應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī) 上，推動(dòng)了熱力葉輪機(jī)械的發(fā)展。近十幾年來(lái)葉輪機(jī)械彎曲葉片的研究取得了 豐碩的成果?！胺磩?dòng)度均化理論” 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(jī)理，“側(cè)型面”的提出【4 6 】，為葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)者增加了一個(gè)新的自由度， 確立了葉片的“彎”“扭”聯(lián)合氣動(dòng)成型的新的設(shè)計(jì)方法。大量理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā) 現(xiàn)了葉片彎曲導(dǎo)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(lái)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(guó)內(nèi)外同行的認(rèn)可。而i h p t e t 計(jì)劃中將彎曲葉片作為提高發(fā)動(dòng) 機(jī)氣動(dòng)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(gè)很好 的例證。 彎扭聯(lián)合氣動(dòng)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(xiàn) 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(jìn)而 通過(guò)數(shù)值計(jì)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(fù)壓力梯度，而在頂部區(qū)域?yàn)檎?壓力梯度的靜壓分布規(guī)律，即所謂的“c ”型靜壓分布準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。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(shí)降低間隙頂部的壓力，以達(dá)到改善動(dòng)葉根部區(qū)的流動(dòng)狀況，減少動(dòng) 葉頂部徑向間隙漏氣損失的目的，除葉片彎曲外，還應(yīng)將葉片進(jìn)行反扭曲，使 得間隙內(nèi)造成的流線反曲率可以導(dǎo)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(dòng)成型”。這種高 性能葉片的出現(xiàn)，使得葉輪機(jī)械葉片的發(fā)展進(jìn)入了第三個(gè)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(xué)進(jìn)行了大量的、卓有成效的研究工作，在彎扭葉片研究領(lǐng)域占領(lǐng)了國(guó)內(nèi) 的制高點(diǎn)。其中，韓萬(wàn)金教授 4 6 】致力于彎曲葉片在渦輪葉柵中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研 究，并結(jié)合拓?fù)浞治?，?duì)葉柵中的漩渦結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gòu)的演化奠定了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 采用彎曲葉片可有效控制膨脹葉柵和導(dǎo)向葉柵二次流，大大改善級(jí)特性 一”，從理論上講也應(yīng)該是減少壓氣機(jī)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(jī)葉柵中氣流的減速擴(kuò)壓流動(dòng)，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(dòng) 并不意味著將其經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單技術(shù)移植，對(duì)擴(kuò)壓葉柵就能奏效，因?yàn)檫@是兩類性質(zhì) 不同的流動(dòng)。蘇杰先教授瞄0 j 指出，在壓氣機(jī)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(yīng)也??；另外由 于壓氣機(jī)中是擴(kuò)壓葉柵，葉型損失比較大，低能流體吸到主流后還會(huì)影響到主 流區(qū)的流動(dòng)，所有這些因素使得在壓氣機(jī)中采用彎曲葉片的效果可能不如透平 中明顯。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在壓氣機(jī)葉柵中采用傾斜和彎曲葉片的實(shí)驗(yàn)研究方面已取得了 一定的成果。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)導(dǎo)向葉柵和擴(kuò)壓葉柵，采用正彎曲葉片對(duì)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(yán)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(duì)中部有嚴(yán)重邊界層分離的擴(kuò)壓葉柵和導(dǎo)向葉柵，采用反彎曲葉柵對(duì)降低 總能量損失將會(huì)有利。雖然采用反彎曲葉片的利弊尚需進(jìn)一步的研究和探討， 但無(wú)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(chǎng)( 徑向、橫向和流向的 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 壓力變化) 決定，所以采用彎扭葉片控制三維流場(chǎng)中的靜壓分布，是降低葉柵 能量損失，完善其氣動(dòng)性能的強(qiáng)有力的手段。 俄羅斯b o g o d 等人【5 l j 利用多級(jí)壓氣機(jī)中典型的中亞音速級(jí)，研究了六種 不同彎曲型式的出口導(dǎo)葉柵。級(jí)的實(shí)驗(yàn)顯示出對(duì)所有五種彎曲葉片級(jí)，總的氣 動(dòng)特性有所改善，在優(yōu)化的工況范圍內(nèi)，級(jí)效率提高1 o 1 5 ；采用反彎曲 葉片的級(jí)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(duì) 過(guò)載，頂部的速度分布得到改善，而反彎曲葉柵則相反；導(dǎo)葉彎曲不僅影響此 排葉柵的功而且也改變了前一排動(dòng)葉的特性；葉片尾跡由于導(dǎo)葉彎曲所引起的 不均勻流，流動(dòng)特性會(huì)發(fā)生變化：反彎曲葉片葉柵的損失降低是最