孔隙射流對(duì)大折轉(zhuǎn)角壓氣機(jī)葉柵分離流動(dòng)影響的研究.pdf

1、在現(xiàn)代的航空壓氣機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中，設(shè)計(jì)者傾向于采用高負(fù)荷的葉片設(shè)計(jì)以達(dá)到減少發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片數(shù)，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸，提高推重比的目的。因此研究具有良好氣動(dòng)性能的高負(fù)荷葉柵對(duì)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　采用大折轉(zhuǎn)角葉柵可以增大負(fù)荷，但是在采用大折轉(zhuǎn)角的壓氣機(jī)葉柵中，葉柵內(nèi)流動(dòng)分離較為嚴(yán)重，尤其是隨著葉片負(fù)荷的增加，以及受到壓氣機(jī)葉柵內(nèi)部擴(kuò)壓流動(dòng)特性的影響，葉柵流道內(nèi)端壁和葉片吸力面附面層更容易發(fā)生分離，引起葉柵損失的增加以及氣動(dòng)性能的急劇

2、下降。因此控制和減小葉柵內(nèi)部分離流動(dòng)是設(shè)計(jì)大負(fù)荷高效率壓氣機(jī)的重要研究方向。
　　本文在低速風(fēng)洞中對(duì)帶有孔隙射流結(jié)構(gòu)的大折轉(zhuǎn)角平面壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。孔隙射流結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)在葉片靠近尾緣附近構(gòu)造穿透葉片的孔隙，利用從葉片壓力面到吸力面壓差，產(chǎn)生噴射效應(yīng)。三個(gè)單孔方案中孔隙的展向位置距離端壁分別為5％、15%、25%葉高，多孔方案是通過(guò)單孔方案的組合而確定，這樣總計(jì)八套葉柵實(shí)驗(yàn)方案。在設(shè)計(jì)零沖角和變沖角下，對(duì)八套葉柵

3、實(shí)驗(yàn)方案的壁面靜壓和葉柵流場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，并采用墨跡流動(dòng)顯示方法進(jìn)行流場(chǎng)顯示。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對(duì)實(shí)驗(yàn)葉柵進(jìn)行了較為深入的砑究，以獲得更詳細(xì)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)帶有孔隙射流的大折轉(zhuǎn)角壓氣機(jī)葉柵的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及孔隙射流控制流動(dòng)分離的機(jī)理進(jìn)行深入探討。此外，對(duì)一種端部射流結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析這種結(jié)構(gòu)對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響。
　　在設(shè)計(jì)零沖角下，研究結(jié)果表明，在葉片表面開(kāi)孔隙后，氣體在壓差

4、作用下，在吸力面形成射流，射流與附面層內(nèi)低能流體以及主流發(fā)生摻混，導(dǎo)致開(kāi)孔葉高附近損失增加，相應(yīng)葉高處氣流的折轉(zhuǎn)能力降低；同時(shí)射流給邊界層內(nèi)低能流體增加了能量，使得吸力面角區(qū)的低能流體能夠繼續(xù)向下游流動(dòng)，減少由于低能流體積聚而產(chǎn)生的損失；并且射流形成氣體柵欄的作用，抑制了端部低能流體向葉展中部的積聚，有助于降低葉展中部的損失?？紫渡淞鞯奈恢脤?duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響很大，當(dāng)孔隙位于5%葉高處時(shí)，葉柵總損失略有降低，相對(duì)于原型方案變化不大；在1

5、5%和25%葉高處開(kāi)孔，由于開(kāi)孔位置靠近葉展中部，射流導(dǎo)致葉展中部的損失明顯降低；單孔方案中最佳的開(kāi)孔位置位于25%葉高處，此處開(kāi)孔對(duì)葉片吸力面的附面層氣流加速的效果最明顯，有效降低了葉展中部的氣動(dòng)損失。通過(guò)對(duì)不同開(kāi)孔位置組合方式的合理選取，可以進(jìn)一步降低葉柵的氣動(dòng)損失，獲得比開(kāi)單孔方案更優(yōu)的葉柵氣動(dòng)性能，相對(duì)于開(kāi)單孔方案，開(kāi)多孔方案由于開(kāi)孔隙數(shù)量的增加，使得更多的高能流體流向吸力面，吸力面分離區(qū)內(nèi)低能流體的動(dòng)能明顯增加，顯著的減小葉片

6、中部由于低能流體積聚產(chǎn)生的損失，使得葉柵總損失降低。針對(duì)本文研究的葉柵，最佳方案是在15%和25%葉高處同時(shí)開(kāi)孔的方案。
　　在變沖角條件下，對(duì)于本文所研究的大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵，隨著沖角增加，葉柵損失逐漸增加，靠近葉片中部附面層明顯增厚。在非設(shè)計(jì)沖角下，孔隙射流控制附面層分離流動(dòng)的機(jī)理與設(shè)計(jì)零沖角下相似。在負(fù)沖角條件下，孔隙射流導(dǎo)致的損失增加要高于射流對(duì)吸力面分離流動(dòng)改善引起的損失降低，因此葉柵總的氣動(dòng)性能降低。在正沖角條件下，受到

7、葉片負(fù)荷增加和葉片表面附面層增厚的影響，附面層內(nèi)低能流體積聚增多，開(kāi)孔隙后，孔隙射流對(duì)附面層內(nèi)低能流體的加速作用增強(qiáng)，減弱了葉柵內(nèi)低能流體的積聚，較大幅度的提高了葉柵氣動(dòng)性能。相對(duì)于負(fù)沖角和零沖角，葉片中部的損失降低更明顯。在正沖角下，在15%和25%葉高處同時(shí)開(kāi)孔的方案對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的改善最大。
　　通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析我們發(fā)現(xiàn)，孔隙射流對(duì)于大轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵中部分離流動(dòng)的改善效果較好，俚是對(duì)于端壁分離流動(dòng)的控制效果并不明顯，端壁損

8、失仍然較大。為了達(dá)到控制和減小端壁分離流動(dòng)的目的，本文提出了一種端部射流結(jié)構(gòu)，通過(guò)在端壁開(kāi)孔，利用壓差在出氣口產(chǎn)生射流，以期達(dá)到減少低能流體在角區(qū)的積聚，從而降低端部損失。本文詳細(xì)研究了端部射流出氣孔的軸向位置和出氣孔與端壁的夾角對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響。數(shù)值研究結(jié)果表明，端部射流結(jié)構(gòu)出氣孔軸向位置對(duì)葉柵的氣動(dòng)性能影響較大，當(dāng)端部射流出氣孔位于分離點(diǎn)之后時(shí)，端部射流為附面層內(nèi)的低能流體增加能量，使其能夠繼續(xù)向下游移動(dòng)，減少了低能流體的積聚，