掠弯叶片前缘曲线同流场结构的关联

在全三维反问题还不成熟的条件下 ,由二维反问题和三维正问题组成的准三维设计体系中 ,叶片的前缘是由给定的积迭轴和基元叶型特征决定 ,具有任意性 ,难于对其加以控制。因此本文试图把掠弯叶片的前缘空间曲线作为设计自由度 ,增加到设计体系中 ,实现设计中前缘空间曲线同流场结构的关联 ,利用前缘形状控制流场中的激波结构和二次流的迁移 ,改善流场结构。并以一个高负荷跨音单级风扇的气动设计为例 ,对这一改进进行了验证。

不同掠弯扩压叶栅变工况气动性能比较

实验研究了变工况条件下由不同掠弯叶片组成的平面扩压叶栅出口总压损失及二次流矢量分布,并给出了叶片表面墨迹流动显示结果。研究表明弯掠叶栅能够最大程度地改善角区流动,避免流动分离,叶栅出口总压损失对冲角变化不敏感,正冲角下总损失增加较小且吸力面角区也不存在明显的分离。通过增大中径处的设计冲角或进行弯掠匹配优化进一步提高变工况性能的潜力巨大,对提高压气机性能具有实际价值。

复合掠弯轴流增压设计技术

提高增压比是未来涡扇发动机实现低耗油率需求的关键途径,而级数少、重量轻、长度短的高负荷轴流增压系统一直是研究重点。小展弦比复合掠弯能够有效控制超声速流动损失以及大折转角下的流动分离,是高负荷设计技术的重点发展方向。本文在大前掠带箍风扇基础上,开展了高负荷两级风扇超跨声速级间流动匹配研究,发展了全新的小展弦比、三维掠弯设计方法;基于试验结果完成了一维、二维特性模型修正,采用优化方法建立了全工况性能匹配调节规律,并完成了优化调节试验验证。以此为基础,为进一步提高负荷,开展小展弦比串列叶片前段减速增压、后段折转增压概念原理设计和试验验证;运用数值模拟方式进行了动叶自循环吸附验证;完成了低反力度气动布局设计和静叶吸附的试验验证。最后,初步讨论了可变流量Flade叶片构型面临的高效率全超声速动叶设计、环内壁低损失超声速流动控制等技术挑战,以及柔性叶片和智能材料相融合的造型设计方法。

叶片弯、扭、掠造型规律对透平级气动性能的影响

基于动、静叶的最佳匹配原则,以改型后的某高压透平首级为研究对象,对静叶分别进行弯、扭、掠改型,并通过正交优化试验得到与静叶处于最佳匹配的动叶扭转规律,采用数值模拟的方法研究了不同的造型对流场的调控机理以及对透平气动性能的影响。结果表明:静叶正弯、反扭、后掠改型并匹配优化后的扭动叶,透平级总静效率和总总效率均有所提升,静叶中后部径向压力梯度和叶片出口熵增减小,静叶、动叶出口总压损失系数也减小。

矿用除尘器的对旋弯掠叶片分析

以矿用对旋除尘器为研究对象,针对弯掠叶片利用CFD数值模拟分析不同的叶片类型对除尘器的气动性能的影响,然后设计正交试验分析不同的弯掠角度对除尘器的影响,通过MATLAB软件进行回归分析,得到最优角度组合。结论:相同工作条件,弯掠叶片可以达到最好的工作状态,实现最佳做工通过正交试验,得到弯掠叶片的最佳角度组合,气动性能提升,为今后除尘器制造提供理论支持。

基于STAR CCM+的轴流叶片弯掠对气动性能影响的研究

轴流叶片弯掠设计可以改善风机流场,优化轴流风机的气动性能。为了探究叶片弯掠设计对风机气动性能的影响,用控制曲线描述轴流风机翼型参数和弯掠值沿着叶高方向的变化,实现了轴流叶形的参数化。在STAR CCM+软件中建立CFD模型,对不同弯掠组合的轴流风机的气动性能进行数值模拟,对叶片表面静压分布以及风机静压-风量性能曲线进行了分析,讨论了轴流叶形弯掠设计对风机气动性能的影响,为轴流风机的优化提供了依据。

叶片弯、掠对压气机端壁流动的影响

通过壁面静压测量、流场显示及气动探针测量研究了不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅特性。结果表明,前掠 叶栅流道中横向压力梯度减弱,型面压力沿叶展呈反“C”型,有利于减弱角区低能流体堆积,但中径处损失有所增加; 弯掠叶片强化了上述趋势,其降低端部损失和延缓角区分离的能力更强,应从优化设计角度对其进行深入研究。

周向弯曲方向对弯掠叶片气动-声学性能影响的实验

以具有相同几何参数的常规径向叶片、周向前弯和周向后弯叶片为研究对象,对旋转动叶片周向弯曲后叶轮的气动和声学性能进行了对比试验研究。同时采用五孔探针半对向测量方法研究了周向弯曲后出口气流参数沿叶高的分布规律。结果表明,与原型径向叶轮相比,在保持叶片几何参数不变,仅引入周向弯曲后,无论周向前弯还是后弯,均导致叶轮的效率和压升降低。叶片周向前弯可以有效地降低气动噪声,大幅度地增加风扇的喘振裕度。在相同的周向弯曲角度下,采用周向前弯技术明显优于周向后弯。此外,研究表明弯掠叶片径向力对于气流参数沿叶高的分布具有较大的影响。周向前弯叶轮改善了叶顶附近的流动状况,但中部叶高区域的损失增加。对于周向后弯叶轮,虽然叶片中部损失减小,但两端部损失增加明显。

冷却用弯掠轴流风机的变型设计与数值分析

采用Navier-Stokes方程和标准κ-ε湍流模型,对已有的某弯掠轴流风机进行数值模拟,并与实验结果进行对比,验证了数值方法的准确性。为满足给定的性能要求,以该风机弯掠叶片为基础,利用变型设计方法得到四种结构的叶轮并对其进行数值模拟和性能预测。比较分析Z=5时3种结构叶轮出口轴面全压分布云图及叶顶径向回转流面上流线分布图:叶顶前缘高压随叶片安装角的增加而增大;回转流面上流线分布均匀,叶顶吸力面前缘存在小的涡流区域,且随叶片安装角增加而增大。

弯掠叶片对轴流泵驼峰及空化性能的影响

以高速轴流泵为研究对象,通过改变叶片在轴面的积迭线得到弯掠叶片.分别对弯掠叶片高速轴流泵和原型叶片高速轴流泵进行全三维流道整机数值模拟,得到其外特性曲线,并针对设计工况和出现'驼峰区'时对应的失速工况施加空化模型进行数值模拟,研究叶片的弯掠对其空化性能的影响及叶片表面压力分布规律.模拟结果对比表明:合理的弯掠叶片可有效改善原型叶片轴流泵出现的'驼峰区',控制叶顶二次流的发生及发展,回收端壁二次流的能量损失,从而改善轴流泵在驼峰区的运行性能;同时,弯掠叶片提高了轴流泵在失速工况的空化性能,改变其叶片进口处梯度分布,避免了流体在壁面较易产生的分离流动;但在设计工况时其空化性能劣于原型叶片轴流泵,叶片表面压力分布也显示,原型叶片的表面压差大于弯掠叶片的表面压差,因此在设计工况时原型叶片的做功能力优于弯掠叶片.

前缘弯掠风扇叶尖涡的数值分析与PIV实验

本文采用三维Navier-stokes方程、κ-ε两方程湍流模型和SIMPLE算法,对空调用前缘弯掠开式斜流风扇转子叶尖涡的三维流动特性进行了数值分析与PIV实验测量。结果表明:沿子午面流动的主气流与从叶顶外侧吸入的气流之间的卷吸作用导致在吸力面叶顶区域产生了叶尖涡。叶尖涡从25％叶顶弦长位置到50％弦长位置不断发展,同时沿吸力面向下游移动;叶尖涡随后逐渐向压力面移动;叶尖涡从75％叶顶弦长位置至转子下游逐渐耗散,沿着一条与叶轮旋向相反的斜线向转子下游发展,大致持续到转子下游65％叶顶弦长位置。计算结果和PIV的实测结果吻合,表明用 CFD工具可以预测流场,同时为前缘弯掠开式斜流转子在大型中央空调室外机上的应用和风机系统的优化设计及其降噪提供了重要的内流数据。

弯掠动叶扩大稳定工作范围的实验研究

本实验利用两组轴流试验风机，每组分别为一台是常规（径向）动叶，另一台为弯掠动叶。一组保持它们具有（除弦长外）相同的几何参数和相同的转速（弯掠动叶中径处弦长增加量为２０．４％）；另一组具有相同的风机最高压比及其相对应的流量。在这两种条件下对每组风机进行了气动—声学性能的实验，其结果表明：具有弯掠动叶的轴流风机不仅改善了气动—声学性能，而且还大幅度地扩大了稳定工作范围。根据实验结果，对弯掠动叶扩大轴流风机稳定工作范围的机理进行了讨论。

冲角变化对弯掠压气机叶栅壁面静压分布的影响

实验研究了冲角变化对不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅壁面静压分布的影响。结果表明,变冲角时弯掠叶栅端部横向、径向及流向压力梯度分布改善,正冲角时端壁与吸力面附面层相互作用减弱,避免了低能流体在吸力面角区的积聚及分离,同时也使得中径附近损失有所增加,但其总损失没有明显增大;负冲角时弯掠叶栅中径附近的损失增加在总损失中占主导地位,气动性能下降。在较大正冲角时弯掠叶栅仍能保持角区流动的稳定,若增大中径处的设计冲角能够获得更好的气动性能。

弯掠动叶对跨声压气机非定常气动负荷的影响

对一单级跨声压气机设计工况采用弯掠动叶前、后的非定常流场进行了数值模拟,深入分析了动叶弯掠对压气机叶片非定常气动负荷的影响。结果表明:动叶弯掠后,动、静叶的气动力和气动力矩时均值由于叶片负荷大小及分布的不同变化而产生不同程度的改变;由于动叶对下游静叶的尾迹和二次流干扰远强于动叶所受到的下游静叶的势流干扰,静叶的气动负荷发生较大波动;弯掠动叶减轻了端壁损失并且减弱了顶部泄漏涡强度和根部角区分离,从而减弱了对下游静叶的非定常干扰,这使得静叶各气动参数的波动幅值显著降低。

前缘弯掠(扭)斜流转子叶尖脱落涡的PIV研究

应用PIV技术测量了一开式前缘弯掠 (扭 )斜流转子的叶尖脱落涡的结构及其发展演化趋势 .测量结果表明 ,叶尖脱落涡产生于叶片顶部区域 ,沿着一条与转子旋转方向相反的斜线向下游发展 .叶尖脱落涡的强度随叶轮转速的提高而增强 ,随背压的提高而减弱 ,当背压增加到一定程度时 ,叶尖脱落涡消失 .实验结果为前缘弯掠 (扭 )

轴流式弯掠动叶变工况气动──声学性能的实验研究

本文介绍了变工况下，两台具有相同几何参数（动叶弦长除外）的轴流试验风机进行的气动一声学性能的实验研究。一台动叶是常规（径向）动叶，另一台是弯掠动叶（其弦长在中往处增加２０．４％。实验表明：在相同转速条件下，弯掠动叶轴流风机与径向动叶风机相比，不仅提高了气动效率（３％左右），降低了气动噪声（２～４ｄＢ（Ａ）（在最高效率点处，弯掠动叶与径向动叶相比压升增加了１３．１％，流量增加了５％），而且还大幅度地扩大了稳定工作范围（２０％左右）。弯掠动叶在旋转失速工况下性能曲线平坦，并且其旋转失速特征参数明显不同于径向动叶。弯掠动叶的总声压级和噪声频谱也表明了弯掠动叶具有低噪声的特点。

高负荷弯掠叶片力学模型与应力抑制研究

几何构型对叶片应力的影响规律是高负荷弯掠叶片应力优化的关键。建立了带有弯掠与扭曲结构特征参数的叶片力学模型,研究了掠形与扭转构型对叶片应力分布的影响。结果表明:弯掠造成的附加弯矩与叶型截面形心位置紧密相关,弯曲应力极值可能出现在叶型前缘、尾缘和叶背中部三个区域;扭转造成的附加扭矩的大小由叶尖到叶根逐渐增加,在叶片自然扭曲率较小时,附加扭矩为负方向,其作用致使叶片解扭;对于典型弯掠叶片,其离心力作用下的径向力载荷决定着自身的截面平均应力水平,而附加弯矩和扭矩载荷决定着截面的应力分布形式。在给定的叶型条件下,可通过掠形方式的调整使附加弯矩与扭矩相抵消,降低叶片峰值应力30%以上。

跨音速压气机叶栅中稠度对弯掠叶栅流场影响的数值分析

将一跨音速静叶栅数值计算结果与实验结果进行了比较,结果表明计算与实验结果吻合较好。为了讨论跨音速压气机中弯掠叶片的适用条件,在0°攻角下,稠度为1.75、1.50和1.25,对0～30°弯掠叶流场进行了数值分析,结果表明大稠度弯掠叶片的效果较为明显。弯掠叶片使前缘激波转化为斜激波,并减弱了通道激波的强度,因而降低了叶栅激波损失。可以验证在跨音速条件下稠度的大小是否在静叶栅中使用弯叶片的一个重要的参考因素。

前缘弯掠斜流转子叶顶间隙流动特性数值分析

本文对前缘弯掠斜流转子叶顶间隙内的流动特性进行了数值分析。结果表明:叶顶间隙气流与主流发生卷吸而生成泄漏涡。泄漏涡作用的区域具有较低的压力分布。在叶片通道内,泄漏涡沿着与转子旋向相反的方向朝相邻叶片的压力面移动。大间隙时的泄漏涡比小间隙时强烈。低流量时泄漏涡的作用区域比高流量时大。在各种流量特性下,叶顶尾缘近吸力面区域都存在着二次间隙流。

弯扭掠三维叶片综合流型与流场结构优化的设计思想及应用——弯扭掠叶片设计体系与设计思想研究之二

重点研究了弯扭掠三维叶片的设计思想与应用,讨论了弯、扭、掠之间和弯、扭、掠与回转面之间互相匹配的原则。透平级的气动设计是多参数、多流型的综合优化的过程,在三维叶片设计中,必须认真研究弯。扭、掠、转与回转面之间的关系,认真研究流场结构的优化。讨论了l/b比较小的跨声速高压燃气涡轮静叶采用弯掠的匹配的规律,并介绍了扭掠叶片的设计体系与设计思想的应用。