叶根倒角对跨音轴流压气机气动性能的影响

为了获得叶根倒角对跨音轴流压气机气动特性影响规律,研究充分考虑了加工工艺及气动影响两方面,用倒角半径及最小角度两个参数确定倒角几何。研究基于Rotor37分析倒角参数对叶片几何的影响,并从整体性能及内部流场细节两方面对转子气动特性变化进行详细分析,获得了倒角参数变化对气动性能的影响规律。研究结果表明,相对于最小角度,倒角半径是影响转子性能的主要因素;倒角的存在不仅使得叶片根部马蹄涡的分布发生改变,且影响了出口通道涡的强度和尺度。此外倒角存在改变了叶根处的压力分布,使得前缘来流附面层有所增厚,导致根部的做功能力及转子性能下降。

叶根倒角对小型轴流风扇静特性的影响

以小型轴流风扇为原型,对其压力面侧叶根沿中弧线的不同方位进行倒角,分别建立了1/3倒角模型(距离前缘1/3中弧线)、2/3倒角模型(距离前缘2/3中弧线)和全倒角模型(沿整个中弧线)。采用RNGκ-ε湍流模型、SIMPLE算法、二阶精度的迎风差分格式等数值方法分析风扇的内部流场特性。结果表明:1/3倒角和2/3倒角模型会提高风扇的静压和效率,但1/3倒角模型的性能更优;全倒角对风扇的静压没有多大影响,但是会使风扇效率降低;压力面侧的叶根局部倒角促使流道中流体再分配,从而改善了吸力面侧叶顶和叶根的低压区以及压力面侧叶根附近的高压区,进而避免了产生二次流的可能性;同时叶根倒角会增加压力面叶中附近的高压区面积,使风扇的做功能力增强。

叶根倒角对微小型离心压气机气动性能的影响

为了研究叶根倒角对微小型离心压气机流场及气动性能的影响,对1个带有分流叶片的微小型离心压气机进行数值模拟及理论分析。结果表明:叶根倒角最小角度对主叶片及分流叶片表面的静压分布影响不大,压气机总压比几乎不变,但效率提高明显,最大可提高0.99%。压气机效率的提高,一方面是由于通道涡的削弱减小了损失;另一方面是主叶片吸力面根部附近低速区减小和流线弯曲程度降低,提高了根部附近的流通能力,减少了横向流动,从而减小了二次流的损失。另外,叶根倒角最小角度变大,降低了叶片出口处气流的不均匀性,从而减小了损失。

叶根倒角模拟件设计

为了避免涡轮叶片叶根倒角低周疲劳开裂故障的发生,需借助叶根倒角特征模拟件对叶根低周疲劳强度进行考核。基于几何等效相似和载荷工况等效原则,设计了一种真实叶根倒角的特征模拟件。特征模拟件的榫头/叶身沿着周向投影宽度比例、缘板外侧与榫头外侧距离、缘板厚度、倒角半径等重要几何参数均与真实叶片一致。基于线弹性本构,采用Abaqus软件计算了特征模拟件在等效载荷工况下的应力分布。计算结果表明,特征模拟件的最大应力为187.6 MPa,出现在凸台过渡区倒角处,最危险点第一主应力方向为l_(1)=0.1141、m_(1)=0.9873、n_(1)=-0.1103,均与真实叶片对应部位的应力情况吻合,说明该叶根倒角特征模拟件设计合理,可用于考核真实涡轮叶片倒角的低周疲劳强度。

叶根倒角对轴流压气机转子两端区流动结构的影响研究

为了揭示叶根倒角对跨音速转子的气动性能影响规律,以NASA的Rotor67转子为研究对象,采用数值方法研究了叶根倒角对跨音速轴流压气机角区分离和工作裕度的影响机制。结果表明:叶根倒角的引入改善了叶片倒角区前缘附近的来流攻角适应性及该区域的叶型几何曲率分布特征,进而提升叶根吸力面的抗分离能力。带有倒角结构的转子叶片在其叶根倒角未覆盖区的叶型中后段周向压力梯度大于原型叶片,有利于克服气流沿吸力面流动时产生的离心力,进而抑制了尾缘附近的分离现象,使得该区域效率提升了3.90%以上。倒角的存在借助于径向平衡约束,重塑了叶尖区域的沿程叶表静压分布,并减小了尖区的入口轴向速度,直接导致叶尖区域主流流体的通流能力明显削弱,并诱发相对更强的间隙泄漏流,从而使得跨音转子提前发生失速,压气机工作裕度降低了19%以上。

叶根前缘倒角对低压涡轮转子叶片强度的影响

针对某型航空发动机低压涡轮转子叶片在叶根前缘倒角处发生应力集中的问题,研究了叶根前缘倒角半径对低压涡轮转子叶片强度的影响。研究结果表明,随着叶根前缘倒角半径的增加,低压涡轮转子叶片根部前缘倒角处应力集中效应降低,可作为减少低压涡轮转子叶片疲劳破坏和断裂失效的措施。叶片表面气动力载荷、离心力载荷是导致低压涡轮转子叶片根部前缘倒角处应力集中的主要原因。其中,气动力载荷引起的应力占总等效应力的78%,离心力载荷引起的应力占总等效应力的22%,温度场载荷引起的应力可忽略。

叶根几何参数和来流参数对叶片端壁传热影响的研究

针对典型燃气透平Pack-B叶片,建立了叶片端壁传热特性的数值模型。在验证了数值模型的基础上,研究了叶根几何参数和来流参数对叶片端壁传热特性的影响。结果表明:随着叶根倒角半径的增大,叶片端壁前缘区域的传热减弱,而端壁尾缘区域的传热增强;随着叶根倒角最小角度的增大,端壁前缘区域传热略有增强,而端壁尾缘区域的传热有所减弱;来流湍流度为1%时,由于端壁区域二次流结构发生显著变化,使得其端壁前缘区域和中部区域的传热明显高于湍流度为4%、6%和10%的情况,而其他区域的传热随着来流湍流度的提高而增强;随着来流雷诺数的增大,整个端壁的传热均增强。