变稠度串列叶栅流场试验研究

对具有大小2种稠度后排叶片的高亚声速串列叶栅进行了试验研究,其中,大稠度叶栅后排叶片稠度为小稠度叶栅的2倍,其物理位置分为前排叶片尾迹区和主流区2种,小稠度叶栅只具有尾迹区的后排叶片。研究表明:对于大稠度叶栅而言,位于尾迹区附近的后排叶片较位于主流区的负荷更高、做功能力更强;本研究的小稠度叶栅性能优于大稠度叶栅,但大稠度的叶栅出口流场相对更为均匀。此类叶栅的设计应对后排叶片的物理位置和型面进行优化,并权衡其使用环境和目的。

叶栅试验技术综述

叶型设计是现代航空发动机和燃气轮机气动热力领域最基础的研究内容,叶栅试验是叶型设计方法探索、工程设计验证中经济快捷的重要工具,在现代航空发动机压气机和涡轮叶型气动设计研究中发挥了重要的作用。试验环境和条件的模拟是叶栅试验技术的核心和关键,随着叶型设计技术发展与叶型性能的进步,叶栅试验技术亟需在流场周期性、轴向密流比、三维效应、低雷诺数以及非定常效应等环境模拟方面进行拓展和完善,以便更准确可靠地获取叶型总性能的变化规律,为研究引起性能变化的流动机理和流场特征奠定基础。本文概述了叶栅试验技术发展历史,并对近年来技术研究新方向、新领域进行分析,以期为相关研究提供参考。

叶片表面粗糙度对前弯压气机叶片流动特性影响的试验研究

为了探究叶片表面粗糙度对叶型性能的影响规律,对压气机前弯叶片进行了变雷诺数多攻角工况的叶栅试验。不同粗糙度(Ra=3.0,6.2,12.3)叶片是在轮廓度有所保证的前提下,通过线切割机械加工、喷砂工艺改变表面粗糙度的方式获得。试验结果表明,粗糙度升高确实会诱发层流提前转捩,引起吸力面层流分离泡消失,除此之外,在低雷诺数(Re=9×10^5)下,Ra=3.0与Ra=6.2下叶片表面马赫数分布基本一致,到Ra=12.3时才会较明显表现出叶片吸力面峰值马赫数降低的现象。随着雷诺数升高,叶片表面马赫数分布随粗糙度变化的差异性逐渐显现,但当处于堵塞负攻角i=-6.4°下,粗糙度Ra≥6.2后,叶片性能却维持稳定。另外,粗糙度的增加会降低压力面的粘性损失,升高吸力面的粘性损失及尾迹掺混损失,因此随粗糙度升高,低雷诺数(Re=9×10^5)下总压损失随粗糙度升高呈先增后降的趋势。在高雷诺数(Re≥1.08×10^6),i=2.6°^-2.4°下粗糙度升高会导致损失升高,甚至发生严重的湍流边界层分离。与此同时,发现被研究叶型吸力面前缘(20%弦长前)马赫数分布对粗糙度并不敏感,不会因粗糙度的不同而发生变化。

探针支杆尾迹特性对压气机叶栅性能的影响

以圆柱状方向探针为研究对象开展了探针支杆尾部椭圆状修型,采用数值模拟与试验研究相结合的方法分析了探针支杆尾迹特性对压气机叶栅性能的影响。结果表明:探针支杆扰流会增大下游叶栅总压损失和对应叶片的尾迹损失;相比于其他安装位置,支杆安装在叶片通道中部时对下游叶栅气动性能的影响较小。当进口马赫数为0.50时,支杆尾部椭圆状修型可以延缓支杆表面附面层气流分离以大幅降低尾迹强度,从而减小尾迹对下游叶栅流场的干扰;当进口马赫数为0.87时,由于支杆表面出现激波与附面层干涉,使得附面层发生分离,此时进行支杆尾部椭圆状修型不能有效降低支杆尾迹强度,无法减小支杆尾迹对下游叶栅流场的干扰。

平面叶栅试验件加工工艺对性能测量影响的试验研究

针对近年来平面叶栅试验研究过程中出现的试验件加工问题,对直叶片加工工艺、有机玻璃栅板加工工艺以及成套叶栅试验件关键参数的检测方法进行了工艺试验和叶栅试验器试验验证。结果表明,综合考虑加工成本和粗糙度对性能的影响规律,建议高速高负荷叶栅叶片表面粗糙度应不低于Ra=1.6。航空有机玻璃的选材、加工工序、工艺以及装配使用不当会导致试验过程中出现应力纹和黑圈,从而对高速状态下的可视化测量造成不利影响。通过改进成套叶栅试验件关键参数的检测方法,试验件加工质量有了较大提升,有助于获得更为准确可靠的性能试验数据。