不同折轉角壓氣機葉柵中應用彎曲葉片的實驗與數值研究.pdf

1、提高航空渦輪發(fā)動機性能的重要途徑之一就是提高壓氣機部件的性能，葉片彎曲作為一種能夠有效改善葉柵氣動性能、降低作為壓氣機葉柵中主要能量損失來源的端壁損失的設計方法，已經得到廣泛的應用和研究。壓氣機通流部分的三維幾何形狀對壓氣機氣動性能的影響較大，隨著現代航空渦輪發(fā)動機推重比的不斷提高，研究如何在具有高負荷的壓氣機葉柵中繼續(xù)應用葉片彎曲設計思想，以最大限度的提高壓氣機的性能成為近年來的熱點。
　　本文首先采用基于遺傳算法的混合優(yōu)化算法

2、，對不同折轉角壓氣機葉柵進行了正彎曲優(yōu)化設計，得出了設計沖角下不同折轉角時彎高、彎角的最佳匹配方案，并以此為基礎確定了彎曲葉柵的實驗方案。在低速大尺度環(huán)形風洞中，對具有40°、50°和60°的三種葉型折轉角的葉柵進行了實驗研究，其中每種葉型折轉角葉柵又由四種直、彎葉柵組成，分別為常規(guī)直葉柵（STR）、15°正彎曲葉柵（PB15）、20°正彎曲葉柵（PB20）和25°正彎曲葉柵（PB25）。在設計零沖角和變沖角情況下，采用五孔探針對葉柵流

3、場進行了詳細測量，采用U型水排測量了端壁靜壓和型面靜壓分布，并利用墨跡顯示的方法對葉柵壁面流場進行了描繪。
　　數值計算和實驗結果均表明，在三種折轉角葉柵中，零沖角時葉片正彎都可以有效改善葉柵端部流動狀況并減小端部流動損失，且采用適合的彎高和彎角能夠最大限度降低葉柵總損失。實驗結果還表明，在大折轉角直葉柵吸力面呈現沿徑向的“C”型靜壓分布，這表明在大折轉角葉柵中采用較大彎高和彎角的正彎葉片時，葉柵內低能流體從葉柵端部向中部遷移的能

4、力更強，因此更容易導致中部流動的惡化。在非設計沖角下，隨著葉型折轉角的增大，葉柵中部損失對沖角的敏感性逐漸增強，最佳正彎角和彎高范圍逐漸縮小。在正沖角時，部分正彎葉柵端部流動不僅沒有被改善，還有惡化的趨勢，這與葉柵中部氣流嚴重分離和堵塞造成對端區(qū)低能流體的擠壓有關。
　　為了詳細研究葉柵流道內的分離流動和旋渦結構對氣動性能的影響，文中還對實驗條件下的正彎葉柵流場進行了數值模擬。結果表明，大折轉角葉柵流道內旋渦由多渦結構向單一渦結構

5、轉變的趨勢明顯，葉片正彎使得流道內近吸力面的渦系徑向摻混作用加強；葉展中部流動分離的加重導致集中渦系破裂，從而引起流道內氣流的嚴重堵塞，這是損失激增的主要原因，因此，要在高負荷壓氣機葉柵中應用正彎葉片，必須有效抑制中部流動的惡化。柵內三維流動隨負荷的增大而愈加劇烈，嚴重時發(fā)生較大分離，并容易引起損失激增，如何有效延緩三維分離的發(fā)生，降低因較強三維分離而引發(fā)的損失增大，對研究渦系之間摻混和相互作用有重要意義。
　　考慮到實驗中較厚的

6、進口附面層對流場的影響較大，文中對人工減薄進口附面層條件下的彎曲葉柵進行了數值模擬研究。結果表明，相比實驗進口附面層條件，當進口附面層較薄時，在多數工況情況下采用正彎葉片對葉柵氣動性能的改善程度都有所增大，而較大正沖角時，在較大折轉角葉柵中采用較大彎角的正彎曲葉片仍然引起損失激增。
　　為了更好地控制具有端壁不對稱特性的大折轉角壓氣機葉柵分離流，采用均勻設計法和響應面回歸，得到了在不同葉型折轉角葉柵中，葉片彎角和彎高以及稠度與葉柵