Application of Tandem Cascade to Design of Fan Stator with Supersonic Inflow

This article proposes a tandem cascade constructed to tackle the thorny problem of designing the high-loaded stator with a supersonic inflow and a large turning angle. The front cascade adopts a supersonic profile to reduce the shock wave intensity turning the flow into subsonic,while the rear cascade adopts a subsonic profile with a large camber offering the flow a large turning angle. It is disclosed that the losses would be minimized if the leading edge of the rear cas- cade lies close to the pressure side of the front cascade at a distance of 20% pitch in pitch-wise direction without either axial spacing or overlapping in axial direction. The 2D numerical test results show that,with the inflow Mach number of 1.25 and the turning angle of 52° ,the total pressure loss coefficient of the tandem cascade reaches 0. 106 ,and the diffusion factor 0. 745. Finally,this article has designed and simulated a high-loaded fan stage with the proposed tandem stator,which has the pressure ratio of 3.15 and the efficiency of 86.32% at the rotor tip speed of 495.32 m/s.

压气机叶片仿鲨鱼鳃开槽对叶栅气动性能的影响

基于鲨鱼鳃射流减阻的思想,采用数值方法,将仿鲨鱼鳃结构应用在压气机平面叶栅中。在叶片根部从压力面向吸力面开槽,采用单个进口、两个出口的开槽结构,以期在获得较大的出口射流的情况下实现对压气机叶片的减阻,达到提高叶栅气动性能的效果。在保证开槽结构的进出口宽度、出口起始位置、开槽内的隔板宽度、深度等几何参数不变的基础上,研究开槽进口起始位置、开槽高度对叶栅性能的影响。结果表明:合理的仿鲨鱼鳃开槽结构可以有效改变叶片吸力面根部角区的流动结构,抑制气流沿叶高方向的流动,从而降低流动损失;最佳方案为开槽结构位置位于48%~53%压力面弧长处,开槽高度为15%叶高,可以使压气机叶栅总压损失减小7.16%。

高负荷压气机静叶根部叶型气动性能实验研究

为研究高负荷压气机静叶根部流动状态,抽取该静叶根部叶型并模化成为平面叶栅进行吹风实验,冲角变化范围为-6°^+6°、进口马赫数变化范围为0.5~0.7。对叶栅出口截面气动参数进行了详细的测量,结果表明:非正冲角时叶展中部节距平均总压损失系数小于等于0.036,尾迹宽度和总压损失峰值随马赫数变化均不明显,正冲角时尾迹宽度和总压损失峰值急剧增加;端壁处的压力梯度随马赫数和冲角的增加而增加;0°冲角下随马赫数的增大,出口叶展中部截面二次流动能系数增加,二次流动得到加强,高能量损失区域增大并且尾迹略有变宽。

大弯角串列叶栅间隙效应数值研究

为了将串列叶栅更好地应用于高负荷核心压气机后面级,通过直列叶栅的方法,引入高度倾斜的附面层来流条件,对采用串列叶栅作为核心压气机后面级的静子进行变间隙数值模拟研究。比较低展弦比串列叶栅不同间隙、不同附面层来流条件的叶栅整体性能、尖部载荷及叶尖泄漏涡的发展情况。结果表明:随着间隙增大,叶尖区域堵塞加强,损失加大;倾斜附面层来流,低叶展总压损失得到明显改善;小间隙时叶尖产生两个间隙泄漏涡,前叶泄漏涡在叶栅通道中部消失,后叶泄漏涡在近前缘产生;随着间隙增大,泄漏涡绕卷起始点后移。

基于扇形叶栅的畸变流场对压气机静叶气动性能影响研究

随着飞机适航要求的提高,进口畸变对燃气轮机的影响也逐渐被重视起来。而飞行过程中燃气轮机所遇到的进口畸变经过动叶的传递后,往往会严重影响静叶进口气流角分布的均匀性,并恶化静叶的通流能力。为研究气流角畸变对静叶流场的影响,针对带有可调导叶的扇形叶栅,通过单独调整一片导叶角度而其它导叶角度不变的方式制造静叶进口畸变流场,并开展实验与仿真研究,分析该方法制造的畸变流场结构及其对静叶气动特性的影响。研究表明,采用的8号导叶旋转6°而其它导叶角度不变的方法可以改变静叶进口气流角、轴向速度、静压等参数的周向均匀度,实现静叶进口畸变流场。与均匀进口相比,气流角畸变度为3.22,气流角畸变度增加了1.14,并增加了静叶S8吸力面根部下通道涡的损失与影响范围,而对叶顶与中径处的影响相对较小。此外,受畸变流场影响的静叶流道总压恢复系数较均匀条件下略有下降。

基于大弯角扩压静子叶栅的组合流动控制方法研究

为更好地控制叶中尾缘分离及角区分离,优化叶片吸力面流动分离结构,提出了全叶高槽道加全弦长端壁抽吸的组合流动控制方案。此外,还设置了全叶高开槽方案与端壁抽吸方案,以探究全叶高槽道射流与端壁附面层抽吸的相互作用机理。以一大弯角扩压静子叶栅为研究对象,对三种流动控制方案进行了详细的性能分析及对比。结果表明:组合控制方案对于原型叶栅叶中尾缘分离及角区分离的综合控制效果最佳,能够在全攻角范围内分别将原型叶栅的总压损失、气流转折角及静压升系数平均增大-38.4%,3.1°及16.2%。相比于全叶高开槽方案,组合控制方案的端壁抽吸槽有效抑制了全叶高槽道出口前端壁二次流的发展,进一步削弱了角区分离。相比于端壁抽吸方案,组合控制方案的全叶高槽道则有效消除了尾缘分离,避免了叶中流场的恶化。总体看来,组合控制方案有利于最大程度地拓宽叶片的可用攻角范围,提高其扩压能力。

全叶高合成双射流对大折转角扩压叶栅的影响

为有效改善大折转角扩压叶栅性能,通过数值计算方法对合成双射流控制叶栅损失进行了研究。分别探究了合成双射流的射流槽位置、射流动量系数、激励频率对控制效果的影响。结果表明:合成双射流可以将原始叶栅流场的非对称分离结构变为对称结构,且合成双射流的周期性吹吸气特性可使吸力面表面的分离涡发生周期性脱落,从而显著降低通道内的损失。射流槽位置、射流动量系数存在有效控制范围,在有效控制范围内,控制效果明显。其中射流槽位置是影响控制效果的关键因素。当合成双射流施加在原始叶栅的分离涡强度较大且分离涡充分发展的位置时,控制效果最好。合理的激励频率可进一步提升控制效果。全叶高的合成双射流控制可使总压损失系数最大降低54.8%。

间隙变化对压气机静叶叶栅气动性能的影响

利用压气机平面叶栅试验,在大负攻角工况、设计工况和角区失速工况下,研究间隙变化对叶栅气动性能的影响,并分析内部流动变化与气动性能变化的关联。试验结果表明,不同工况下间隙变化对流场结构的影响不同,因而对叶栅性能的影响规律也不同。大负攻角工况下,不同间隙叶栅内在压力面前缘附近都存在一对由端壁向叶展中部发展的分离涡,间隙增大可以使叶栅总损失近似线性减小,并使间隙侧气流折转能力略微提升。设计工况下,无间隙侧吸力面角区存在轻微的角区分离,小间隙(0.2%展长)的引入首先会加剧间隙侧角区分离,当间隙进一步增大时,角区分离消失并形成泄漏涡结构。叶栅总损失随间隙增大呈先增大后减小再增加的趋势,角区分离的消除有助于提高间隙侧气流折转能力。角区失速工况下,间隙的引入可以削弱并移除间隙侧角区失速结构,从而使叶栅总损失下降,并在0.5%展长间隙时达到最小值,同时间隙侧气流折转能力得到增强。当间隙进一步增大时,叶栅损失变化不大。在间隙变化过程中,两侧端部流动结构产生相互影响,使两侧流场性能变化呈相反趋势。通过对比全工况范围内的气动性能,叶栅在选取0.5%展长间隙时整体性能最优。

局部及全叶高合成射流对高速压气机静叶栅流场结构的影响

数值研究了合成射流控制高速压气机静叶栅吸力面角区分离,对比分析了不同射流结构对叶栅内流场结构及气动性能的影响。研究结果表明:合成射流通过周期性地吹气和吸气推迟角区分离、降低总压损失,由于吹气和吸气阶段的作用效果不同,使得叶栅出口损失系数的改善效果呈现出周期性波动。合成射流对通道涡以及角区二次流的有效控制是其取得良好控制效果的关键,当冲角为2°时,局部、全叶高方案最大可使总压损失系数分别降低22.2%和23.8%。由于局部叶高方案无法控制叶展中部的流动,造成该区域的尾迹损失增大,从而导致其流动控制效果弱于全叶高方案。两种射流结构都具有良好的变工况适应特性,全叶高方案在大冲角时逐渐体现出其优势,当冲角为4°时,总压损失系数的改善幅度相比局部叶高方案提高了2.8%。

压气机静叶栅流场畸变试验可行性探索及流场分析

为了能够通过叶栅试验研究总压畸变对压气机静叶流场结构的影响,本文在已有研究成果的基础上,提出通过改变局部进口导叶安装角来实现静叶进口不均匀流场的试验方法,并采用数值模拟研究了不同条件下静叶流场变化情况。研究表明,采用可调导叶实现静叶前气流角周向不均匀的流场是可行的。随着4号导叶安装角的减小,静叶进口气流角、密流等参数趋于周向不均匀,但各参数不均匀的形式略有不同;流动损失主要由导叶尾迹和泄漏流引起,4号导叶安装角的减小使损失增大,从而加重了下游6号和7号静叶吸力面的分离,恶化了下游流场。

小尺寸多级轴流压气机级间干扰现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,利用Kulite动态压力传感器以及高频压力探针,测量不同转速下转子叶顶动态静压分布以及级间流场,并对测得的动态压力信号进行分析,研究多级压气机转/静干扰作用。结果表明:高转速下,首级转子叶顶测得的流场能够反映典型的超声叶栅流动特征,多级压气机存在的级间干扰作用只影响到首级转子出口流场;中等转速下,级间干扰作用非常显著,影响到首级转子进口,并随压气机节流级间扰动强度增大。对这些级间扰动的对应频率进行模态分析,从而获得了非定常级间扰动的传播速度和模态数。

某压气机静叶基元叶型优化设计及实验

为了得到更加适合压气机静叶的叶型以降低气动损失,提取了静叶中径处的叶型,通过平面叶栅实验获得了原叶型的损失特性,发现原叶型气动损失较高,需要通过合理匹配设计参数来降低损失。为此,搭建数值优化平台在约束空间内搜寻气动损失更低的叶型,目标函数的构建综合考虑了多个冲角下的总压损失系数以提升叶片的变工况性能。优化结果显示:目标函数值降低了约9%,进一步实验研究发现,在实验涉及的整个马赫数和冲角范围内优化叶型比原叶型具有更低的总压损失系数,设计工况总压损失系数较原型叶型下降了31.3%,提升了叶型在正冲角边界附近的抗失速能力,设计进口马赫数正4°冲角下气流折转角增加1°。通过对实验结果的深入分析,解释了叶型性能提升的机理,对工作在相似环境的叶型设计及多目标优化方向给出了建议。