不同折轉(zhuǎn)角壓氣機(jī)葉柵中應(yīng)用彎曲葉片的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究.pdf

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

2、，對(duì)不同折轉(zhuǎn)角壓氣機(jī)葉柵進(jìn)行了正彎曲優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了設(shè)計(jì)沖角下不同折轉(zhuǎn)角時(shí)彎高、彎角的最佳匹配方案，并以此為基礎(chǔ)確定了彎曲葉柵的實(shí)驗(yàn)方案。在低速大尺度環(huán)形風(fēng)洞中，對(duì)具有40°、50°和60°的三種葉型折轉(zhuǎn)角的葉柵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其中每種葉型折轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)零沖角和變沖角情況下，采用五孔探針對(duì)葉柵流

3、場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，采用U型水排測(cè)量了端壁靜壓和型面靜壓分布，并利用墨跡顯示的方法對(duì)葉柵壁面流場(chǎng)進(jìn)行了描繪。
　　數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在三種折轉(zhuǎn)角葉柵中，零沖角時(shí)葉片正彎都可以有效改善葉柵端部流動(dòng)狀況并減小端部流動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，在大折轉(zhuǎn)角直葉柵吸力面呈現(xiàn)沿徑向的“C”型靜壓分布，這表明在大折轉(zhuǎn)角葉柵中采用較大彎高和彎角的正彎葉片時(shí)，葉柵內(nèi)低能流體從葉柵端部向中部遷移的能

4、力更強(qiáng)，因此更容易導(dǎo)致中部流動(dòng)的惡化。在非設(shè)計(jì)沖角下，隨著葉型折轉(zhuǎn)角的增大，葉柵中部損失對(duì)沖角的敏感性逐漸增強(qiáng)，最佳正彎角和彎高范圍逐漸縮小。在正沖角時(shí)，部分正彎葉柵端部流動(dòng)不僅沒有被改善，還有惡化的趨勢(shì)，這與葉柵中部氣流嚴(yán)重分離和堵塞造成對(duì)端區(qū)低能流體的擠壓有關(guān)。
　　為了詳細(xì)研究葉柵流道內(nèi)的分離流動(dòng)和旋渦結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)性能的影響，文中還對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下的正彎葉柵流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，大折轉(zhuǎn)角葉柵流道內(nèi)旋渦由多渦結(jié)構(gòu)向單一渦結(jié)構(gòu)

5、轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)明顯，葉片正彎使得流道內(nèi)近吸力面的渦系徑向摻混作用加強(qiáng)；葉展中部流動(dòng)分離的加重導(dǎo)致集中渦系破裂，從而引起流道內(nèi)氣流的嚴(yán)重堵塞，這是損失激增的主要原因，因此，要在高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵中應(yīng)用正彎葉片，必須有效抑制中部流動(dòng)的惡化。柵內(nèi)三維流動(dòng)隨負(fù)荷的增大而愈加劇烈，嚴(yán)重時(shí)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(qiáng)三維分離而引發(fā)的損失增大，對(duì)研究渦系之間摻混和相互作用有重要意義。
　　考慮到實(shí)驗(yàn)中較厚的

6、進(jìn)口附面層對(duì)流場(chǎng)的影響較大，文中對(duì)人工減薄進(jìn)口附面層條件下的彎曲葉柵進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，相比實(shí)驗(yàn)進(jìn)口附面層條件，當(dāng)進(jìn)口附面層較薄時(shí)，在多數(shù)工況情況下采用正彎葉片對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的改善程度都有所增大，而較大正沖角時(shí)，在較大折轉(zhuǎn)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(duì)稱特性的大折轉(zhuǎn)角壓氣機(jī)葉柵分離流，采用均勻設(shè)計(jì)法和響應(yīng)面回歸，得到了在不同葉型折轉(zhuǎn)角葉柵中，葉片彎角和彎高以及稠度與葉柵