王子楠 , 耿少娟, 張宏武,*
1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100190
2.中國(guó)科學(xué)院 工程熱物理研究所, 北京 100190
間隙變化對(duì)壓氣機(jī)靜葉葉柵氣動(dòng)性能的影響
王子楠1,2, 耿少娟2, 張宏武2,*
1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100190
2.中國(guó)科學(xué)院 工程熱物理研究所, 北京 100190
利用壓氣機(jī)平面葉柵試驗(yàn),在大負(fù)攻角工況、設(shè)計(jì)工況和角區(qū)失速工況下,研究間隙變化對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響,并分析內(nèi)部流動(dòng)變化與氣動(dòng)性能變化的關(guān)聯(lián)。試驗(yàn)結(jié)果表明,不同工況下間隙變化對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響不同,因而對(duì)葉柵性能的影響規(guī)律也不同。大負(fù)攻角工況下,不同間隙葉柵內(nèi)在壓力面前緣附近都存在一對(duì)由端壁向葉展中部發(fā)展的分離渦,間隙增大可以使葉柵總損失近似線性減小,并使間隙側(cè)氣流折轉(zhuǎn)能力略微提升。設(shè)計(jì)工況下,無(wú)間隙側(cè)吸力面角區(qū)存在輕微的角區(qū)分離,小間隙(0.2%展長(zhǎng))的引入首先會(huì)加劇間隙側(cè)角區(qū)分離,當(dāng)間隙進(jìn)一步增大時(shí),角區(qū)分離消失并形成泄漏渦結(jié)構(gòu)。葉柵總損失隨間隙增大呈先增大后減小再增加的趨勢(shì),角區(qū)分離的消除有助于提高間隙側(cè)氣流折轉(zhuǎn)能力。角區(qū)失速工況下,間隙的引入可以削弱并移除間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu),從而使葉柵總損失下降,并在0.5%展長(zhǎng)間隙時(shí)達(dá)到最小值,同時(shí)間隙側(cè)氣流折轉(zhuǎn)能力得到增強(qiáng)。當(dāng)間隙進(jìn)一步增大時(shí),葉柵損失變化不大。在間隙變化過(guò)程中,兩側(cè)端部流動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相互影響,使兩側(cè)流場(chǎng)性能變化呈相反趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比全工況范圍內(nèi)的氣動(dòng)性能,葉柵在選取0.5%展長(zhǎng)間隙時(shí)整體性能最優(yōu)。
壓氣機(jī); 平面葉柵; 靜葉; 氣動(dòng)性能; 非設(shè)計(jì)工況; 泄漏流
軸流壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件。如何在保證高效率和工作裕度的前提下,使壓氣機(jī)向高負(fù)荷方向發(fā)展,是當(dāng)前壓氣機(jī)設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)[1-2]。
在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中,可采取懸臂式或圍帶式2種不同的靜葉結(jié)構(gòu),不同的靜葉結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)壓氣機(jī)整體性能帶來(lái)不同的影響[3]。Swoboda[4]和Campobasso[5]等認(rèn)為采用懸臂式靜葉的壓氣機(jī)裕度較高,而采用圍帶式靜葉時(shí)整體效率較好。蔡睿賢[6]、Lange[7]等的試驗(yàn)則表明采用懸臂式靜葉的壓氣機(jī)整體性能較優(yōu)。Dong等[8]在單級(jí)壓氣機(jī)上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在近失速工況下,采用懸臂式靜葉損失更小。Yoon等[9]則認(rèn)為壓氣機(jī)反動(dòng)度是決定采用不同靜葉結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。
以上研究表明,針對(duì)不同壓氣機(jī)平臺(tái)及不同工況,不同靜葉結(jié)構(gòu)對(duì)壓氣機(jī)性能的影響機(jī)理并未有統(tǒng)一結(jié)論。需要進(jìn)一步研究靜葉內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的變化特性,以及流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化所引起的氣動(dòng)性能的改變。
壓氣機(jī)靜葉在壓氣機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,存在大負(fù)攻角工況[10-12]、設(shè)計(jì)工況和角區(qū)失速工況[13-14]等3種典型工況。其中大負(fù)攻角工況對(duì)應(yīng)于壓氣機(jī)啟停機(jī)和部分轉(zhuǎn)速運(yùn)行,而角區(qū)失速則會(huì)在壓氣機(jī)近失速工況時(shí)產(chǎn)生,不同工況下靜葉端部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有很大不同[15-16]。針對(duì)以上3種典型工況,本文利用壓氣機(jī)平面葉柵試驗(yàn),通過(guò)改變間隙大小來(lái)模擬壓氣機(jī)懸臂式及圍帶式靜葉結(jié)構(gòu),對(duì)比不同間隙大小對(duì)葉柵整體氣動(dòng)性能及典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響,為不同工況下靜葉流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及上下游葉片的匹配設(shè)計(jì)提供參考,并為相關(guān)工況的數(shù)值模擬工作提供對(duì)比數(shù)據(jù)。
試驗(yàn)采用的壓氣機(jī)平面葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)段示意圖及相關(guān)測(cè)量設(shè)備位置如圖1所示。來(lái)流總壓在試驗(yàn)段前的穩(wěn)壓箱內(nèi)測(cè)量,來(lái)流靜壓在柵前1倍軸向弦長(zhǎng)cax位置測(cè)量。葉柵出口氣流特性在柵后40%軸向弦長(zhǎng)位置S3截面通過(guò)七孔氣動(dòng)探針測(cè)量。
圖1 葉柵試驗(yàn)段及測(cè)量位置Fig.1 Cascade test section and measurement positions
試驗(yàn)中所有壓力值使用PSI9116型壓力掃描閥測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到,壓力測(cè)量誤差小于±2.5 Pa。由2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制氣動(dòng)探針在柵后測(cè)量截面移動(dòng),得到柵后性能云圖。利用油流法顯示葉柵內(nèi)不同位置的表面極限流線。
本試驗(yàn)中,進(jìn)口來(lái)流馬赫數(shù)Ma保持在0.2。在此條件下,利用總壓探針在柵前1倍軸向弦長(zhǎng)位置測(cè)量得到進(jìn)口邊界層厚度約占15%展長(zhǎng)。在來(lái)流展向中部,利用熱線風(fēng)速儀系統(tǒng),測(cè)量得到進(jìn)口主流湍流度約為0.5%。
本文所使用葉型為某高負(fù)荷壓氣機(jī)后部某級(jí)可控?cái)U(kuò)散葉型(Controlled Diffusion Airfoil,CDA)靜葉展向中部葉型。葉型示意圖如圖1所示,其關(guān)鍵幾何參數(shù)和葉柵試驗(yàn)氣動(dòng)參數(shù)如表1所示。為詳細(xì)研究間隙大小C變化對(duì)葉柵性能的影響,除零間隙外,本文還設(shè)置了4種不同的間隙大小,在間隙變化過(guò)程中,保持流道展向高度不變,最大間隙占葉柵流道展長(zhǎng)的2%。
表1 葉柵幾何和氣動(dòng)參數(shù)Table 1 Cascade geometry and aerodynamic parameters
首先在無(wú)間隙葉柵環(huán)境下,測(cè)量得到柵后S3全截面總壓損失系數(shù)隨攻角的變化特性,如圖2所示??倝簱p失系數(shù)ω為
(1)
式中:pt0、pd為進(jìn)口展向中部主流總壓和動(dòng)壓,pti為柵后S3截面的質(zhì)量平均總壓值。
圖2 無(wú)間隙葉柵總壓損失系數(shù)隨攻角變化特性Fig.2 Total pressure loss coefficient characteristic of non-clearance cascade with angle of attack variation
圖3 -5.6° 攻角下不同間隙葉柵柵后總壓損失系數(shù)云圖 Fig.3 Cascade outlet total pressure loss coefficient contours with different clearances at -5.6° angle of attack
圖2中無(wú)間隙葉柵特性線兩側(cè)總壓損失較大,而在中部可以保持一定范圍的低總壓損失區(qū),在此范圍內(nèi)葉柵損失基本不受攻角變化影響。其中,本文選取-5.6° 攻角作為低總壓損失設(shè)計(jì)工況,研究間隙變化所帶來(lái)的影響,首先測(cè)量得到設(shè)計(jì)工況下不同間隙葉柵總壓損失系數(shù)云圖,如圖3 所示。由于受探針體積限制,單個(gè)云圖測(cè)量范圍在展向上(圖高)涵蓋3%~97%展長(zhǎng)區(qū)域,在周向上(圖寬)涵蓋一個(gè)柵距區(qū)域,上端對(duì)應(yīng)無(wú)間隙側(cè)端壁(Non-clearance Side, NCS),下端對(duì)應(yīng)間隙側(cè)端壁(Clearance Side, CS)。各柵后云圖展向中部都存在高損失尾跡區(qū),其左側(cè)對(duì)應(yīng)壓力面?zhèn)?Pressure Side, PS),右側(cè)對(duì)應(yīng)吸力面?zhèn)?Suction Side, SS)。
設(shè)計(jì)工況下,端部高總壓損失區(qū)(ω>0.6)主要集中于吸力面?zhèn)冉菂^(qū)。在無(wú)間隙葉柵中,兩側(cè)端部高總壓損失區(qū)較小。當(dāng)葉柵引入間隙時(shí),無(wú)間隙側(cè)端部高總壓損失區(qū)形狀幾乎不變。但在間隙側(cè)端部,高總壓損失區(qū)形狀隨間隙變化發(fā)生明顯改變。當(dāng)存在0.2 mm間隙時(shí),間隙側(cè)端部高總壓損失區(qū)形狀與無(wú)間隙側(cè)相近,但面積有所增大。當(dāng)間隙進(jìn)一步增大時(shí),高總壓損失區(qū)形狀發(fā)生明顯變化,逐漸呈橢圓形。
對(duì)比不同間隙葉柵整體損失如圖4所示,帶間隙葉柵的整體損失均大于無(wú)間隙葉柵。在間隙增大的過(guò)程中,在0.2 mm處存在局部損失峰值,比無(wú)間隙葉柵損失提高近15%。當(dāng)間隙繼續(xù)增大時(shí),葉柵損失會(huì)有所下降,隨后又會(huì)增大。將柵后S3截面進(jìn)一步分為上下半展長(zhǎng),分析無(wú)間隙側(cè)和間隙側(cè)半個(gè)展長(zhǎng)區(qū)域總壓損失隨間隙的變化。在間隙變化過(guò)程中,葉柵整體性能變化規(guī)律與間隙側(cè)半展長(zhǎng)變化規(guī)律相似,而無(wú)間隙側(cè)半展長(zhǎng)區(qū)域流場(chǎng)損失幾乎不變。這說(shuō)明,設(shè)計(jì)工況下葉柵整體性能的變化主要由間隙側(cè)流場(chǎng)所主導(dǎo)。
圖5給出不同間隙葉柵,在柵后S3截面的總壓損失系數(shù)的展向分布對(duì)比。
圖4 -5.6° 攻角下間隙變化對(duì)葉柵總壓損失系數(shù)的影響Fig.4 Influence of clearance variation on cascade total pressure loss coefficient at -5.6° angle of attack
圖5 -5.6° 攻角下不同間隙葉柵總壓損失系數(shù)展向分布Fig.5 Spanwise distribution of cascade total pressure loss coefficient for different clearances at -5.6° angle of attack
圖5中縱軸0 mm位置對(duì)應(yīng)間隙側(cè)端壁,100 mm處對(duì)應(yīng)無(wú)間隙側(cè)端壁。在30%~100%展向范圍內(nèi),不同間隙葉柵總壓損失系數(shù)分布線幾乎重合,間隙變化主要影響間隙側(cè)端壁附近30%展長(zhǎng)區(qū)域,因此在圖5(b)中對(duì)該區(qū)域進(jìn)行局部放大。0~25%展長(zhǎng)范圍內(nèi),除0.2 mm間隙葉柵,在相同展向位置,葉柵損失隨間隙增大而增大。對(duì)比0.2 mm和0.5 mm間隙葉柵,在0~15%展長(zhǎng)范圍內(nèi),二者損失相近,但在15%~30%展長(zhǎng)范圍內(nèi),0.2 mm間隙損失更高。因此圖4中0.2 mm間隙葉柵的局部損失峰值是由于15%~30%展長(zhǎng)范圍內(nèi)損失增大所引起的。
與總壓損失系數(shù)展向分布相似,不同間隙下,無(wú)間隙側(cè)端部折轉(zhuǎn)角展向分布線變化較小,如圖6 所示。從展向中部到無(wú)間隙側(cè)端壁,折轉(zhuǎn)能力逐漸減弱,并在距端部約10%展長(zhǎng)位置產(chǎn)生最小折轉(zhuǎn)角,進(jìn)一步靠近端壁時(shí),折轉(zhuǎn)角又逐漸增大,從而使無(wú)間隙葉柵端部附近折轉(zhuǎn)角分布呈近似拋物線形。但在間隙側(cè)端部,間隙大小的變化對(duì)折轉(zhuǎn)角展向分布特性產(chǎn)生較大影響。當(dāng)存在0.2 mm間隙時(shí),在間隙側(cè)端壁附近30%展長(zhǎng)范圍內(nèi)折轉(zhuǎn)角進(jìn)一步下降。當(dāng)間隙增大到0.5 mm時(shí),間隙側(cè)端部折轉(zhuǎn)角相對(duì)0.2 mm間隙葉柵大幅提升,并且折轉(zhuǎn)角展向分布線形狀有明顯的改變,即從展向中部到間隙側(cè)端壁,折轉(zhuǎn)角先減小后增大,形成局部折轉(zhuǎn)角最大值,之后在端壁附近8%展長(zhǎng)區(qū)域又快速減小。
從0.5 mm到2.0 mm間隙變化過(guò)程中,間隙側(cè)折轉(zhuǎn)角展向分布特性相似,但隨著間隙的增大,在端壁附近的局部折轉(zhuǎn)角峰值逐漸增大,且峰值位置向展向中部移動(dòng)。在折轉(zhuǎn)角局部峰值展向位置以下,折轉(zhuǎn)能力下降更為明顯,下降幅值也變得更大。
圖6 -5.6° 攻角下不同間隙葉柵折轉(zhuǎn)角展向分布Fig.6 Spanwise distribution of cascade turning angle for different clearances at -5.6° angle of attack
相對(duì)于總壓損失系數(shù),折轉(zhuǎn)角展向分布特性受間隙變化影響更為明顯,并且當(dāng)圖3中間隙側(cè)端部高總壓損失區(qū)域形狀不同時(shí),間隙側(cè)折轉(zhuǎn)角展向分布特性線也會(huì)有很大不同,這預(yù)示著在間隙引入和增大過(guò)程中,間隙側(cè)端部流動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。
為進(jìn)一步顯示流道內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu),在葉片壓力面、吸力面表面及端壁進(jìn)行油流顯示,得到相應(yīng)位置處的表面極限流線圖,如圖7所示。
設(shè)計(jì)工況下,不同間隙葉柵壓力面的表面流線與主流方向一致,與端壁平行。表面極限流線的偏折主要出現(xiàn)在吸力面表面。圖中左側(cè)為前緣(Leading Edge, LE),右側(cè)對(duì)應(yīng)尾緣(Trailing Edge, TE),下端對(duì)應(yīng)間隙所在位置。需要說(shuō)明的是,不同間隙葉柵中都存在分離泡轉(zhuǎn)捩結(jié)構(gòu),造成弦向中部局部油流的堆積。另外在試驗(yàn)葉片尾緣由于尾跡區(qū)影響及葉片水平放置,也會(huì)有油流堆積,在吹風(fēng)結(jié)束后會(huì)有小幅回流現(xiàn)象,如圖7中尾緣附近區(qū)域所示,但并不影響整體結(jié)構(gòu)顯示。
圖7 -5.6° 攻角下不同間隙葉柵吸力面表面極限流線Fig.7 Blade suction-side surface limiting streamline patterns for different clearances at -5.6° angle of attack
在無(wú)間隙葉柵中,角區(qū)分離結(jié)構(gòu)會(huì)引起尾緣處流體向展向中部偏轉(zhuǎn)。在0.2 mm間隙葉柵中,間隙側(cè)尾緣處流體向展向中部的偏折依然存在,并且偏折程度有所加強(qiáng)。當(dāng)間隙增大到2.0 mm時(shí),間隙側(cè)端部流線特征發(fā)生明顯改變,間隙側(cè)流線向展向中部的偏折減弱,在間隙附近的流線甚至出現(xiàn)向端壁的偏折現(xiàn)象,而這一流動(dòng)特性與泄漏渦中流體繞渦核旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)特征是一致的。
為顯示端部流動(dòng)結(jié)構(gòu)在周向上的變化,圖8給出不同間隙葉柵的間隙側(cè)端壁表面極限流線圖。圖8為近似展向視角,上端對(duì)應(yīng)葉柵出口,下端對(duì)應(yīng)葉片前緣進(jìn)口,葉片左側(cè)為壓力面?zhèn)取T跓o(wú)間隙葉柵中,由于存在角區(qū)分離,使油流產(chǎn)生軸向回流,因此在吸力面角區(qū)滯留,但角區(qū)分離只局限于吸力面尾緣較小區(qū)域。
當(dāng)存在0.2 mm間隙時(shí),軸向回流不僅沒(méi)有消失,而且回流區(qū)域向流道周向中部移動(dòng)并有所增大,這說(shuō)明此時(shí)角區(qū)分離結(jié)構(gòu)不僅沒(méi)有消失,而且結(jié)構(gòu)有所增大。當(dāng)間隙繼續(xù)增大到0.5 mm時(shí),軸向回流消失,使油流在端壁表面的滯留現(xiàn)象消失,這說(shuō)明此時(shí)端部不存在角區(qū)分離結(jié)構(gòu)。端壁上從前緣到尾緣形成一條連續(xù)而清晰的分界線,并且從0.5 mm到2.0 mm間隙變化中都會(huì)存在。文獻(xiàn)[16]中在與本文相同的葉柵結(jié)構(gòu)環(huán)境下,通過(guò)數(shù)值模擬證明,這一分界線是由泄漏渦和端部附近二次流動(dòng)相互作用形成的。這說(shuō)明當(dāng)間隙增大0.5 mm后,角區(qū)分離結(jié)構(gòu)消失,并形成泄漏渦結(jié)構(gòu)。
圖8 -5.6° 攻角下不同間隙葉柵端壁表面極限流線 Fig.8 Cascade endwall surface streamline patterns for different clearances at -5.6° angle of attack
結(jié)合不同間隙葉柵吸力面表面和端壁極限流線結(jié)構(gòu)特性,以及柵后S3面高總壓損失區(qū)形狀,可以分析得出:在設(shè)計(jì)工況下,當(dāng)存在小間隙時(shí)(如0.2 mm),角區(qū)分離不僅沒(méi)有消失,而且結(jié)構(gòu)有所增大。當(dāng)間隙進(jìn)一步增大時(shí),不存在軸向回流現(xiàn)象,角區(qū)分離結(jié)構(gòu)消失,且間隙側(cè)端部形成泄漏渦結(jié)構(gòu),從而使折轉(zhuǎn)角展向分布特性以及柵后S3面高總壓損失區(qū)域形狀發(fā)生了較大的變化。要達(dá)到葉柵整體損失和折轉(zhuǎn)能力綜合最優(yōu),應(yīng)選擇具有輕微角區(qū)分離的0 mm間隙值或具有較好折轉(zhuǎn)角展向分布的0.5 mm間隙值,且要避免間隙過(guò)小所引起的局部角區(qū)分離加劇。
選取-20.6° 攻角作為大負(fù)攻角工況代表,測(cè)量得到不同間隙下的葉柵柵后總壓損失系數(shù)云圖,如圖9所示。
圖9 -20.6° 攻角下不同間隙葉柵柵后總壓損失系數(shù)云圖Fig.9 Cascade outlet total pressure loss coefficient contours with different clearances at -20.6° angle of attack
在不同間隙下,葉柵高總壓損失區(qū)域主要集中在展向中部的葉片尾跡區(qū)域和兩側(cè)端部區(qū)域。與設(shè)計(jì)工況不同的是,大負(fù)攻角下展向中部的高總壓損失區(qū)域有明顯的三維特征,其寬度在展向上并不均勻,并且在展向中部損失區(qū)域最寬。兩側(cè)端壁附近的高總壓損失區(qū)高度與來(lái)流邊界層厚度相當(dāng)。隨著間隙的增大,展向中部的高總壓損失區(qū)結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的變化,主要變化發(fā)生在間隙側(cè)端壁附近,在葉片尾跡兩側(cè)有一對(duì)渦結(jié)構(gòu)生成。在1.0 mm間隙時(shí),端壁附近的渦結(jié)構(gòu)最為明顯,而當(dāng)間隙繼續(xù)增大時(shí),渦結(jié)構(gòu)顯示出減小的趨勢(shì)。
圖10顯示隨著間隙的增大,葉柵整體損失幾乎呈線性減小,2.0 mm間隙葉柵相對(duì)無(wú)間隙葉柵總壓損失系數(shù)降低6%。無(wú)間隙側(cè)半展長(zhǎng)區(qū)域整體性能受間隙變化影響相對(duì)較小,而間隙側(cè)半展長(zhǎng)區(qū)域損失變化特性與葉柵整體特性相同。這說(shuō)明間隙增大主要降低了間隙側(cè)半展長(zhǎng)區(qū)域流場(chǎng)的損失。
圖10 -20.6° 攻角下間隙變化對(duì)葉柵總壓損失系數(shù)的影響Fig.10 Influence of clearance variation on cascade total pressure loss coefficient at -20.6° angle of attack
圖11中不同間隙葉柵的總壓損失系數(shù)展向分布也顯示,損失變化主要發(fā)生在間隙側(cè)半展長(zhǎng)區(qū)域內(nèi),而無(wú)間隙側(cè)總壓損失系數(shù)曲線在不同間隙下幾乎重合。對(duì)于無(wú)間隙葉柵,在20%~80%展長(zhǎng)區(qū)域,與圖9中高總壓損失區(qū)域分布特點(diǎn)相對(duì)應(yīng),總壓損失系數(shù)分布并不均勻,從端壁向展向中部移動(dòng),總壓損失系數(shù)先減小后增大,并在展向中部形成局部損失峰值,而在20%和80%展長(zhǎng)位置有明顯的局部最小損失點(diǎn)。隨著間隙的增大,主要降低了距間隙側(cè)端壁15%~50%展長(zhǎng)區(qū)域的總壓損失,其中在20%展長(zhǎng)位置總壓損失的減小幅度最大,在圖9中也可以觀察到此范圍內(nèi)高總壓損失區(qū)域在周向上隨間隙的增大而逐漸變小。
圖12給出間隙增大對(duì)葉柵折轉(zhuǎn)角展向分布的影響。在無(wú)間隙葉柵中,折轉(zhuǎn)角在展向中部分布較均勻,而在兩側(cè)端壁附近呈拋物線型衰減。當(dāng)間隙增大時(shí),各葉柵在無(wú)間隙側(cè)端壁附近折轉(zhuǎn)角分布特性相似。而在此之外的展向中部區(qū)域,折轉(zhuǎn)角隨間隙增大而增大,2.0 mm間隙葉展中部折轉(zhuǎn)角相對(duì)于無(wú)間隙葉柵增大近1°。在間隙側(cè)端壁附近,折轉(zhuǎn)角則大幅減小。
圖11 -20.6° 攻角下不同間隙葉柵總壓損失系數(shù)展向分布Fig.11 Spanwise distribution of cascade total pressure loss coefficient for different clearances at -20.6° angle of attack
圖12 -20.6° 攻角下不同間隙葉柵折轉(zhuǎn)角展向分布Fig.12 Spanwise distribution of cascade turning angle for different clearances at -20.6° angle of attack
以上現(xiàn)象說(shuō)明,在大負(fù)攻角工況下,間隙的存在不止會(huì)影響間隙附近流場(chǎng),還會(huì)影響更大展向范圍的氣動(dòng)性能。相對(duì)于設(shè)計(jì)工況,大負(fù)攻角工況下,間隙的增大對(duì)折轉(zhuǎn)角展向分布特性的影響相對(duì)較小。
與設(shè)計(jì)工況不同的是,大負(fù)攻角下流道內(nèi)主要的分離結(jié)構(gòu)存在于壓力面附近。圖13中顯示,無(wú)間隙葉柵流道內(nèi)部存在2個(gè)對(duì)稱的渦結(jié)構(gòu),并且渦結(jié)構(gòu)圍繞于壓力面前緣端壁附近的焦點(diǎn)(Focus Point)存在。該對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)在弦向上并不會(huì)占據(jù)全部葉柵流道,而是與尾緣附近有明顯的分界線。由于不同流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相互作用,在展向中部距尾緣25%cax處形成一個(gè)鞍點(diǎn)(Saddle Point)。在分離渦結(jié)構(gòu)外部區(qū)域,表面極限流線方向與主流方向基本一致,與端壁基本平行。
圖13 -20.6° 攻角下無(wú)間隙葉柵壓力面表面極限流線Fig.13 Blade pressure-side surface limiting streamline pattern of non-clearance cascade at -20.6° angle of attack
為了顯示圖13中分離渦結(jié)構(gòu)中流體的流動(dòng)方向,在壓力面弦向中部靠近端壁位置局部釋放油流,進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn),得到吹風(fēng)后局部表面極限流線結(jié)構(gòu)如圖14所示。圖中右側(cè)為進(jìn)口前緣,經(jīng)吹風(fēng)后,油流并沒(méi)有全部向下游尾緣處流動(dòng),而是有一部分流體向上游前緣處回流,結(jié)合圖13中整體表面極限流線結(jié)構(gòu),可知壓力面前部的渦結(jié)構(gòu)是分離渦,其在展向中部與主流流動(dòng)方向相反。由于圖14仍有部分流體向下游流動(dòng)與主流一致,而與分離渦流動(dòng)方向相反,可推知壓力面分離渦與流道其他區(qū)域流體有明確的分界線。
在分離渦的回流過(guò)程中,流體從端壁向展向中部流動(dòng),從而證明在圖13中,流道前部的分離渦結(jié)構(gòu)是從端壁向展向中部發(fā)展形成的,并且分離渦整體結(jié)構(gòu)在弦向上逐漸增大。結(jié)合圖9中高總壓損失區(qū)域的分布特點(diǎn),可推知圖13中前緣分離渦是造成葉柵流道高損失的主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖14 還顯示,在不同間隙下,葉柵壓力面間隙側(cè)回流結(jié)構(gòu)并不會(huì)消失,且整體結(jié)構(gòu)形狀幾乎一致,因此圖9中高總壓損失區(qū)域并沒(méi)有隨間隙增大而明顯變化,折轉(zhuǎn)角的展向分布特性也相似。
由于大負(fù)攻角下分離渦位于流道前部,因此與設(shè)計(jì)工況不同的是,在無(wú)間隙側(cè)吸力面角區(qū)完全沒(méi)有低速流體的堆積,即角區(qū)分離并未發(fā)生,如圖15所示。圖中按照流線發(fā)展方向,可將端壁分為2個(gè)子區(qū)域。一個(gè)為占流道大部分面積的主流區(qū)域,其流線基本依照流道的折轉(zhuǎn)方向從前緣向尾緣流動(dòng)。另一個(gè)為圖15中2條紅線所夾區(qū)域,受端壁附近渦結(jié)構(gòu)影響,其流線方向與主流區(qū)域相比有明顯偏折。因此隨著間隙的增大,該區(qū)域整體面積也存在先增大后減小的規(guī)律,與圖9中間隙側(cè)端部附近渦結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律相同。
圖14 -20.6° 攻角下不同間隙葉柵分離渦流動(dòng)方向顯示Fig.14 Flow orientation visualization of cascade separation vortexes for different clearances at -20.6° angle of attack
圖15 -20.6°攻角下不同間隙葉柵端壁表面極限流線Fig.15 Cascade endwall surface limiting streamline patterns for different clearances at -20.6° angle of attack
由于在大負(fù)攻角下,間隙增大對(duì)葉柵整體損失和折轉(zhuǎn)能力都有正面的影響,且內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)相似,所以應(yīng)盡量選取較大間隙值。
麻省理工學(xué)院的Lei等[14]明確地提出了角區(qū)失速的定義,并將其與角區(qū)分離進(jìn)行區(qū)分。他們認(rèn)為角區(qū)分離始終存在,但并不一定導(dǎo)致失速。當(dāng)存在壓力面PS和吸力面SS強(qiáng)壓差時(shí),在端壁和吸力面附近同時(shí)發(fā)生嚴(yán)重回流,才發(fā)生角區(qū)失速,如圖16所示[14]。
根據(jù)角區(qū)失速流動(dòng)結(jié)構(gòu)特征的定義,本文選取0.4° 攻角工況作為角區(qū)失速工況,得到該工況下不同間隙葉柵柵后總壓損失系數(shù)云圖,如圖17所示。此時(shí)無(wú)間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu)會(huì)引起較大的高總壓損失區(qū)。與設(shè)計(jì)工況類似,間隙的引入和變化會(huì)改變間隙側(cè)端部高總壓損失區(qū)形狀,并且在較小間隙(0.2 mm)下,間隙側(cè)高總壓損失區(qū)形狀依然與無(wú)間隙側(cè)相近。與大負(fù)攻角工況和設(shè)計(jì)工況都不同的是,在角區(qū)失速工況,隨著間隙的變化,兩側(cè)端部流場(chǎng)性能都有較大的變化,并且無(wú)間隙側(cè)和間隙側(cè)半展長(zhǎng)區(qū)域總壓損失系數(shù)隨間隙變化規(guī)律相反,如圖18所示。
圖16 角區(qū)失速結(jié)構(gòu)特征[14]Fig.16 Topological flow feature of corner stall[14]
結(jié)合圖17中的柵后兩端高總壓損失區(qū)形狀隨間隙變化特性分析,可以認(rèn)為,無(wú)間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu)隨間隙的增大,先增大后減小,造成該區(qū)域損失也先增大后減小。而在間隙側(cè)端部,隨著間隙的增大,間隙側(cè)半展長(zhǎng)區(qū)域損失先減小到最小值,之后隨著間隙的繼續(xù)增大,損失又有所回升。在兩側(cè)端部流場(chǎng)相互作用下,葉柵總損失在小間隙范圍內(nèi)下降明顯,最大降幅可達(dá)無(wú)間隙葉柵損失的6%,之后隨間隙增大基本保持不變。
圖17 0.4° 攻角下不同間隙葉柵柵后總壓損失系數(shù)云圖Fig.17 Cascade outlet total pressure loss coefficient contours with different clearances at 0.4° angle of attack
圖18 0.4°攻角下間隙變化對(duì)葉柵總壓損失系數(shù)的影響Fig.18 Influence of clearance variation on cascade total pressure loss coefficient at 0.4° angle of attack
圖19所示的總壓損失系數(shù)展向分布也反映了相似的兩側(cè)端部流動(dòng)結(jié)構(gòu)隨間隙變化的規(guī)律。在無(wú)間隙端部,由于不同間隙葉柵都存在角區(qū)失速結(jié)構(gòu),所以整體曲線形狀特性不變,但在相同展向位置總壓損失系數(shù)大小會(huì)隨間隙變化而有所改變。而在間隙側(cè),角區(qū)失速結(jié)構(gòu)會(huì)造成40%展長(zhǎng)范圍的高總壓損失區(qū)。在間隙增大到0.5 mm過(guò)程中,高總壓損失區(qū)域展向范圍逐漸減小至25%展長(zhǎng)。當(dāng)間隙繼續(xù)增大時(shí),高總壓損失區(qū)展向范圍基本不再變化,但在端部附近的25%展長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)總壓損失逐漸增大。
如圖20所示,在間隙增大過(guò)程中,無(wú)間隙側(cè)端部流動(dòng)整體折轉(zhuǎn)能力先減小后增大。這一變化規(guī)律與圖17中所顯示無(wú)間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu)大小變化相反,即角區(qū)失速結(jié)構(gòu)增大,折轉(zhuǎn)能力則降低。在間隙側(cè),間隙變化對(duì)折轉(zhuǎn)角展向分布特性的影響與設(shè)計(jì)工況相似。與0 mm間隙葉柵相比,0.2 mm間隙葉柵間隙側(cè)折轉(zhuǎn)角有所增大,除近端壁的局部區(qū)域,整體分布線形狀相似。當(dāng)間隙增大到0.5 mm時(shí),間隙側(cè)折轉(zhuǎn)能力得到大幅提升。當(dāng)間隙進(jìn)一步增大時(shí),在15%展長(zhǎng)位置以上的折轉(zhuǎn)角逐漸增大,但端壁附近的折轉(zhuǎn)能力則快速下降。
圖19 0.4° 攻角下不同間隙葉柵總壓損失系數(shù)展向分布 Fig.19 Spanwise distribution of cascade total pressure loss coefficient for different clearances at 0.4° angle of attack
圖20 0.4° 攻角下不同間隙葉柵折轉(zhuǎn)角展向分布Fig.20 Spanwise distribution of cascade turning angle for different clearances at 0.4° angle of attack
與設(shè)計(jì)工況相比,圖21、圖22所示0.4° 攻角下,吸力面和端壁表面極限流線都顯示出較大的回流結(jié)構(gòu),符合角區(qū)失速定義。
圖21中,角區(qū)失速結(jié)構(gòu)占據(jù)近40%展向范圍區(qū)域。這一流動(dòng)結(jié)構(gòu)特征造成了如圖19所示的大展向范圍的高總壓損失。當(dāng)存在0.2 mm間隙時(shí),無(wú)間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu)有所增大,而在間隙側(cè)角區(qū)流線向展向中部偏轉(zhuǎn)程度減小,角區(qū)失速結(jié)構(gòu)特征消失,且此時(shí)間隙側(cè)角區(qū)流動(dòng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。當(dāng)間隙增大到2.0 mm時(shí),間隙側(cè)吸力面表面沒(méi)有回流現(xiàn)象,表面極限流線形狀與圖7中設(shè)計(jì)工況下2.0 mm間隙葉柵相似。
圖21 0.4° 攻角下不同間隙葉柵吸力面表面極限流線Fig.21 Blade suction-side surface limiting streamline patterns for different clearances at 0.4° angle of attack
圖22中無(wú)間隙葉柵的端壁表面極限流線顯示角區(qū)失速結(jié)構(gòu)占據(jù)了較大的流道區(qū)域。不論在周向上還是弦向上,角區(qū)失速結(jié)構(gòu)都比圖8中所示的角區(qū)分離結(jié)構(gòu)要大很多,會(huì)對(duì)流道產(chǎn)生較大的堵塞效應(yīng)。當(dāng)存在0.2 mm間隙時(shí),盡管可以清晰地在葉片間隙處觀測(cè)到泄漏流,但仍存在較強(qiáng)的角區(qū)分離現(xiàn)象,使端壁油流產(chǎn)生較嚴(yán)重的軸向回流。不過(guò)此時(shí)分離結(jié)構(gòu)相比無(wú)間隙葉柵已有所減弱,從而使葉柵損失相比無(wú)間隙葉柵輕微降低,折轉(zhuǎn)能力有所回升。隨著間隙的進(jìn)一步增大,在0.5 mm間隙葉柵中,軸向回流消失,分界線形成,間隙側(cè)端壁表面極限流線顯示出典型的泄漏渦結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)間隙繼續(xù)增大時(shí),泄漏渦分界線向流道周向中部偏移,顯示出泄漏渦結(jié)構(gòu)周向范圍的增大,這與圖17中所顯示的0.5~2.0 mm間隙葉柵間隙側(cè)高總壓損失區(qū)周向變化一致。結(jié)合葉柵性能展向分布特性分析可知,當(dāng)泄漏渦結(jié)構(gòu)增大時(shí),會(huì)引起間隙側(cè)損失增大,并使間隙側(cè)端壁附近折轉(zhuǎn)能力下降。
由于間隙從0 mm增大到0.5 mm過(guò)程中,同一流道內(nèi)無(wú)間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu)增大會(huì)使無(wú)間隙側(cè)流動(dòng)損失增大??梢酝茢?,在0.5 mm間隙下,間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu)消除所帶來(lái)的間隙側(cè)流場(chǎng)性能提升程度大于無(wú)間隙側(cè)流動(dòng)性能的惡化程度,從而使得葉柵整體損失減小。而當(dāng)間隙繼續(xù)增大時(shí),泄漏渦結(jié)構(gòu)增大所帶來(lái)的損失增大與無(wú)間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu)減小所引起的損失降低程度相當(dāng),因此葉柵整體性能變化較小。
圖22 0.4° 攻角下不同間隙葉柵端壁表面極限流線Fig.22 Cascade endwall surface streamline patterns for different clearances at 0.4° angle of attack
綜上所述,角區(qū)失速工況下,間隙側(cè)角區(qū)失速的移除可以減輕流道內(nèi)堵塞效應(yīng),降低損失并提高間隙側(cè)折轉(zhuǎn)能力,但較大結(jié)構(gòu)的泄漏渦會(huì)極大地降低間隙側(cè)距端壁較近區(qū)域的折轉(zhuǎn)角。為優(yōu)化葉柵整體性能,應(yīng)選擇0.5~1.0 mm范圍內(nèi)的間隙大小。
為顯示除以上3種典型工況外,其他工況下靜葉葉柵氣動(dòng)性能的變化規(guī)律,在圖23、圖24中給出攻角從-20.6°增至4.4°時(shí),無(wú)間隙葉柵半展長(zhǎng)區(qū)域的總壓損失系數(shù)和折轉(zhuǎn)角展向分布。
圖23 不同攻角下無(wú)間隙葉柵總壓損失系數(shù)展向分布Fig.23 Spanwise distribution of total pressure loss coefficient at different angles of attack for non-clearance cascade
圖24 不同攻角下無(wú)間隙葉柵折轉(zhuǎn)角展向分布Fig.24 Spanwise distribution of turning angle at different angles of attack for non-clearance cascade
圖23顯示,在攻角從-20.6° 增大到-5.6° 的過(guò)程中,距端壁15%展長(zhǎng)范圍內(nèi),即進(jìn)口邊界層厚度內(nèi),葉柵性能相近。-20.6° 攻角總壓損失特性線從展向中部向端部出現(xiàn)彎曲,使20%展長(zhǎng)處出現(xiàn)最低損失點(diǎn)。隨著攻角增大,葉展中部損失逐漸減小,展向損失分布變得均勻。由于-10.6° 攻角和-5.6° 攻角都處于低總壓損失工作范圍,展向分布特性線幾乎重合。當(dāng)攻角從-5.6° 向4.4° 增大時(shí),高總壓損失區(qū)域由于角區(qū)失速的發(fā)生,迅速向展向擴(kuò)張,而端壁附近流動(dòng)損失則逐漸減小。
圖24中,在攻角從-20.6° 增大到-10.6° 的過(guò)程中,葉片折轉(zhuǎn)能力增強(qiáng),且折轉(zhuǎn)角展向分布相對(duì)均勻。隨著攻角的進(jìn)一步增大,盡管葉柵整體折轉(zhuǎn)能力增強(qiáng),但相對(duì)于展向中部,端部流體折轉(zhuǎn)能力迅速下降,并呈近似拋物線形分布。在發(fā)生角區(qū)失速的0.4° 攻角下,端部折轉(zhuǎn)角相對(duì)展向中部主流有近6° 的減小,而隨著攻角的進(jìn)一步增大,葉柵整體的折轉(zhuǎn)能力已不能提升。
以上結(jié)果表明,本文選取的3個(gè)典型攻角工況代表性地給出了葉柵在全攻角范圍內(nèi)的典型流動(dòng)狀態(tài),可以推斷在其他工況下,間隙的影響規(guī)律均可參照與之類似的典型工況的變化規(guī)律。
本文通過(guò)壓氣機(jī)靜葉平面葉柵試驗(yàn),以設(shè)計(jì)工況、大負(fù)攻角工況和角區(qū)失速工況為代表,對(duì)不同間隙葉柵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究,并分析了間隙變化對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響。
1) 設(shè)計(jì)工況下,在間隙增大的過(guò)程中,葉柵性能的變化由間隙側(cè)流場(chǎng)主導(dǎo),葉柵整體損失先增大后減小再增大。無(wú)間隙葉柵吸力面角區(qū)存在輕微角區(qū)分離,小間隙(0.2%展長(zhǎng))的引入首先會(huì)加劇角區(qū)分離,從而使葉柵整體損失相對(duì)無(wú)間隙時(shí)增大近15%,并使端部折轉(zhuǎn)能力下降。隨著間隙繼續(xù)增加到0.5%展長(zhǎng),角區(qū)分離消除,并形成泄漏渦結(jié)構(gòu),使葉柵中整體損失又有所減小,同時(shí)使端部折轉(zhuǎn)能力提升。當(dāng)間隙繼續(xù)增大時(shí),泄漏渦結(jié)構(gòu)增大使葉柵損失成近似線性增長(zhǎng)。角區(qū)分離的削弱和消除有助于提高端部氣流折轉(zhuǎn)能力。
2) 大負(fù)攻角工況下,無(wú)間隙葉柵流道前部壓力面附近在展向上存在2個(gè)對(duì)稱的分離渦結(jié)構(gòu),該分離渦是從端壁向葉展中部發(fā)展形成。除上下端壁外,柵后展向中部也是高損失集中的區(qū)域。引入間隙后,分離渦結(jié)構(gòu)不會(huì)消失,因此葉柵展向性能分布特性隨間隙變化較小。間隙的增大可以使葉柵整體損失近似線性減小,葉展中部的氣流折轉(zhuǎn)能力略微增強(qiáng)。
3) 角區(qū)失速工況下,間隙的引入可以削弱間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu),使間隙側(cè)流場(chǎng)損失減小,同時(shí)提升折轉(zhuǎn)能力。但當(dāng)間隙繼續(xù)增大時(shí),泄漏渦結(jié)構(gòu)的形成和增大又會(huì)使間隙側(cè)流動(dòng)損失增大。在此過(guò)程中,無(wú)間隙側(cè)端部角區(qū)失速結(jié)構(gòu)大小也會(huì)隨間隙變化而改變,并且無(wú)間隙側(cè)流場(chǎng)性能變化趨勢(shì)與間隙側(cè)相反。在兩側(cè)流動(dòng)結(jié)構(gòu)相互作用下,葉柵總損失在小間隙范圍內(nèi)下降明顯,并在0.5%展長(zhǎng)間隙時(shí)達(dá)到最小值,之后葉柵損失隨間隙增大變化很小。間隙側(cè)氣流折轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)與設(shè)計(jì)工況相近。
4) 綜合考慮減小損失和避免端部折轉(zhuǎn)能力大幅下降兩方面因素,初步建議在采用懸臂式靜葉時(shí),選取0.5%展長(zhǎng)大小間隙。進(jìn)一步的結(jié)論需要在三維造型葉片上開(kāi)展更深入的研究分析。
[1] 蔣洪德, 任靜, 李雪英, 等. 重型燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(29): 5096-5102.
JIANG H D, REN J, LI X Y, et al. Status and development trend of the heavy duty gas turbine[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(29): 5096-5102 (in Chinese).
[2] 劉永泉, 劉太秋, 季路成. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇/壓氣機(jī)技術(shù)發(fā)展的若干問(wèn)題與思考[J]. 航空學(xué)報(bào), 2015, 36(8): 2563-2576.
LIU Y Q, LIU T Q, JI L C. Some problem and thoughts in the development of aero-engine fan/compressor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(8): 2563-2576 (in Chinese).
[3] FREEMAN C. Effect of tip clearance flow on compressor stability and engine performance: VKILS-1985-05[R]. Brussels: VKILS, 1985.
[4] SWOBODA M, IVEY P C, WENGER U, et al. An experimental examination of cantilevered and shrouded stators in a multistage axial compressor: ASME-98-GT-282[R]. New York: ASME, 1998.
[5] CAMPOBASSO M S, MATTHESIS A, WENGER U, et al. Complementary use of CFD and experimental measurements to assess the impact of shrouded and cantilevered stators in axial compressors: ASME-GT-208[R]. New York: ASME, 1999.
[6] 蔡睿賢, 王錫剛, 彭惠君, 等. 靜葉內(nèi)圍帶對(duì)軸流式壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響及4500馬力機(jī)車燃?xì)廨啓C(jī)的熱力性能[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 1980, 1(1): 3-9.
CAI R X, WANG X G, PENG H J, et al. Influence of stator shroud on aerodynamic performance of axial-flow compressor and thermodynamic test results of a 4500 HP locomotive gas turbine[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 1980, 1(1): 3-9 (in Chinese).
[7] LANGE M, MAILACH R, VOGELER K. An experimental investigation of shrouded and cantilevered stators at varying clearance sizes: ASME-GT2010-22106[R]. New York: ASME, 2010.
[8] DONG Y, GALLIMORE S J, HODSON H P. Three dimensional flows and loss reduction in axial compressors[J]. Journal of Turbomachinery, 1987, 109(3): 354-361.
[9] YOON S, SELMEIER R, CARGILL P, et al. Effect of the stator hub configuration and stage design parameters on aerodynamic loss in axial compressors[J]. Journal of Turbomachinery, 2015, 137(9): 091001-1-091001-10.
[10] KEY N. PIV Study of negative incidence stator unsteady aerodynamics: AIAA-2002-0014[R]. Reston: AIAA, 2002.
[11] HOWARD J. Sub-idle modelling of gas turbines: altitude relight and windmilling[D]. Bedfordshire: Cranfield University, 2007: 23-30.
[12] ZACHOS P K, GRECH N, CHARNLEY B, et al. Experimental and numerical investigation of a compressor cascade at highly negative incidence[J]. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2011, 5(1): 26-36.
[13] HORLOCK J H, LOUIS J F, PERCIVAL P M E, et al. Wall stall in compressor cascades[J]. Journal of Basic Engineering, 1966, 88(3): 637-648.
[14] LEI V M, SPAKOVSZKY Z S, GREITZER E M. A criterion for axial compressor hub-corner stall[J]. Journal of Turbomachinery, 2008, 130(3): 031006-1-031006-10.
[15] MCDOUGAL N M. A comparison between the design point and near-stall performance of an axial compressor[J]. Journal of Turbomachinery, 1990, 112(1): 109-115.
[16] 王子楠, 高磊, 耿少娟, 等. 不同端壁間隙下壓氣機(jī)平面葉柵角區(qū)流動(dòng)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2015, 36(7): 1428-1432.
WANG Z N, GAO L, GENG S J, et al. Numerical and experimental investigation on corner flow structure in a planar compressor cascade with different clearances[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2015, 36(7): 1428-1432 (in Chinese).
王子楠男, 博士研究生。主要研究方向: 葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)。
Tel.: 010-82543134
E-mail: wangzinan@iet.cn
耿少娟女, 博士, 副研究員。主要研究方向: 葉輪機(jī)械氣動(dòng)力學(xué)。
Tel.: 010-82543094
E-mail: gengsj@iet.cn
張宏武男, 博士, 研究員, 博士生導(dǎo)師。主要研究方向: 葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)。
Tel.: 010-82543075
E-mail: zhw@iet.cn
*Correspondingauthor.Tel.:010-82543075E-mail:zhw@iet.cn
Influenceofclearancevariationonaerodynamicperformanceofacompressorstatorcascade
WANGZinan1,2,GENGShaojuan2,ZHANGHongwu2,*
1.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2.InstituteofEngineeringThermophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China
Inthispaper,alinearcompressorcascadeisusedtoexperimentallyinvestigatetheinfluenceofclearancevariationontheflowstructuresandcascadeaerodynamicperformanceatthehighlynegativeangleofattack,designconditionandcornerstallcondition.Theassociationbetweentheflowstructureandcascadeperformanceisalsoanalyzed.Theexperimentalresultsshowthattheinfluenceofclearancevariationonflowstructuresandcascadeperformanceisdifferentatdifferentworkingconditions.Athighlynegativeangleofattack,apairofthree-dimensionalseparationvortexesnearthepressure-sideleadingedgeisoriginatedfromtheendwallindifferentclearancecascades.Withtheincreaseofclearancesize,thecascadetotalpressurelossdecreases,andtheclearancesidecascadeturningabilityisslightlyincreased.Atdesigncondition,aslightcornerseparationexistsbetweenbladesuctionsurfaceandendwall.Bybringinginasmallclearance(0.2%span),cornerseparationisfirstaggravated.Astheclearancesizecontinuestoincrease,thecornerseparationcanbeeliminated,andleakagevortexisformed.Withtheincreaseofclearancesize,thecascadetotalpressurelossfirstincreases,thendecreasesandfinallygoesupagain.Theeliminationofcornerseparationwillimproveclearancesidecascadeflowturningability.Atcornerstallcondition,theintroductionandincreaseofclearancecanimpairandeliminatethecornerstallstructure,andthusthecascadelossdecreasesandreachestheminimumvaluewitha0.5%spanclearancesize.Butthecascadelossalmostremainsthesameasclearancecontinuestoincrease.Flowstructuresatbothenwallscaninfluenceeachotherasclearancevaries,andthechangetrendsofperformanceneartwoendwallsareopposite.Bycomparingtheoverallcascadeaerodynamicperformanceatallworkingconditions,the0.5%spanclearancecascadeshowsanoptimalperformance.
compressor;linearcascade;stator;aerodynamicperformance;off-designcondition;leakageflow
2015-12-09;Revised2016-01-14;Accepted2016-03-07;Publishedonline2016-03-151114
URL:www.cnki.net/KCMS/detail/11.1929.V.20160315.1114.002.html
NationalNaturalScienceFoundationofChina(50906080)
2015-12-09;退修日期2016-01-14;錄用日期2016-03-07; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間
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王子楠, 耿少娟, 張宏武. 間隙變化對(duì)壓氣機(jī)靜葉葉柵氣動(dòng)性能的影響J. 航空學(xué)報(bào),2016,37(11):3304-3316.WANGZN,GENGSJ,ZHANGHW.InfluenceofclearancevariationonaerodynamicperformanceofacompressorstatorcascadeJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(11):3304-3316.
http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn
10.7527/S1000-6893.2016.0066
V211.7
A
1000-6893(2016)11-3304-13