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2007年4月第28卷 第2期推 进 技 术JOURNAL OF PROP ULSI O N TECHNOLOGYAp r 12007Vol 128 No 12采用弯叶片的不同折转角压气机叶栅流场气动性能3陈绍文,陈 浮,王可立,谷 君,王仲奇(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要:实验研究了叶片弯曲对不同叶型折转角环形扩压叶栅气动性能的影响,分析了叶栅出口总压损失和二次流速度矢量分布,并给出了壁面静压分布及壁面墨迹流动显示结果。
研究结果表明,叶型折转角越大损失分布的对称性越差,根部损失增加明显;弯曲角度和叶型折转角的增大将使得正弯叶栅吸力面反“C ”型静压分布加剧,60°叶型折转角叶栅中径处负荷随叶片弯曲角度变化的敏感性强,大弯角时气流易分离,导致总损失激增;综合来说,对比直叶栅,正弯15°叶栅在各种叶型折转角正弯叶栅中减小损失效果最好。
关键词:压气机;叶栅;叶片;气动力试验中图分类号:V2351113 文献标识码:A 文章编号:100124055(2007)022******* 3 收稿日期:2006203214;修订日期:2006209207。
基金项目:国家自然科学基金(50236020)。
作者简介:陈绍文(1979—),男,博士生,研究领域为叶轮机械内流动研究。
Aerodynam i c perfor mance study of curved co mpressor cascades with di fferent camber anglesCHEN Shao 2wen,CHEN Fu,WANG Ke 2li,G U Jun,WANG Zhong 2qi(School of Energy Science and Engineering,Harbin I nst .of Technol ogy,Harbin 150001,China )Abstract : The effects of dihedral on the aer odyna m ic perf or mance in annular comp ress or cascadeswith different ca mber angles has been experi m entally investigated .The distributi on of exit t otal p ressure l oss and secondary fl ow vect ors of the com 2p ress or cascades were analyzed .The static p ressure was measured by tapp ing on the cascade surfaces and ink 2trace fl ow visu 2alizati ons was als o conducted .The results show that with the increase of camber angle,the sy mmetry of the l oss distributi on is less sy mmetrical and the l oss at the hub increases more greatly .W ith the increase of ca mber angle and curved angle,opposite C 2shape static p ressure distributi on on sucti on surface of curved cascades become more acutely .The l oad near the m ids pan of comp ress or cascades with 60°ca mber angle is s o sensitive t o the curved angle changing and this easily results in the fl ow sepa 2rati on under large curved angle and the increase of t otal l oss .To su m up,compared with straight cascade,the efficiency of the curved cascade with 15°curved angle decreasing l oss is op ti m al in different ca mber angles .Key words : Comp ress or;Cascade;B lade;Aer odyna m ic test1 引 言推重比15～20或更高推重比发动机关键技术之一是提高压缩系统级负荷或压比,为了使得负荷或压比的增加不会引起压气机级数的增加,就需要研制更高载荷的叶片,加大叶片对气流的折转能力,而这将必然直接导致叶栅流道内三维分离的加剧,并引起二次流损失增加。
图1平面叶栅网格分布
数值模拟0km、10km和20km高度不同雷诺数条件下平面叶栅的气动性能，数值仿真计算工况如表2所示。
设置进口边界条件为速度，进口特征速度为20m/s。
由式（1）和式（2）可计算得到不同高度下的雷诺数。
萨特兰公式：
=1.7894×10-5（空气15°时的粘度）
雷诺数公式：
为气体密度，d为特征长度
图3给出了0km、10km以及20km的静压分布云图，攻角为-12°时压力面前缘位置存在较小的低压区，并且随着雷诺数减小，低压区面积增大，而高压区在叶片前缘的位置基本不变；攻角增至0°时，吸力面前缘出现低压区，
图4给出了不同雷诺数下的速度流线图。
由图可知，在较大负攻角与零攻角情况下，随着雷诺数的减小（飞行高度增大），吸力面尾缘分离区增大，可以看到在20km时出现明显的分离涡；在攻角为12°的情况下，吸力面尾缘在不同高度时均有清晰可见的分离涡，且随着雷诺数的降低，分离涡逐渐后移。
3结论
通过数值模拟分析不同高度下，雷诺数对对叶栅攻角损失性能和叶栅流场结构的影响，得出了以下几个结论：
①随着雷诺数减小，在-12°~12°攻角范围内，总压恢复系数整体逐渐降低，总压损失系数逐渐增大。
②攻角为-12°时压力面前缘位置存在较小的低压区，
表2仿真计算工况
图2不同高度下攻角与总压恢复系数的特性曲线图3平面叶栅的静压分布图图4平面叶栅的速度流线图
图1某增压发动机的Boost计算分析模型示意图
1.3发动机相关零部件尺寸参数定义
1.3.1空气滤清器
所建立的进排气系统模型中，空气滤清器的相关参数和特性如表2所示。
汽轮机基本工作原理简介通流部分－汽轮机本体做功汽流通道称为汽轮机的通流部分，它包括主汽门，导管，调节汽门，进汽室，各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。
汽轮机的级－是由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成的工作单元。
级的工作过程－蒸汽在喷嘴中降压增速，热力学能转变为汽流的动能；在动叶中一方面继续降压增速，热力学能转变为汽流的动能，另一方面汽流在动叶中改变运动方向，将动能转换成转子的旋转机械能。
前者属于反动能，后者属于冲动能级的工作过程蒸汽膨胀增速的条件－－是有合理的汽流通道结构，另一是蒸汽需具有一定的可用热能且有压差存在速度三角形：C:汽流的绝对速度 W:相对速度 U:圆周速度:旋转平面与 W 的夹角:旋转平面与 C 的夹角动叶进口速度三角形 ： W1=C1－u动叶出口速度三角形： W2=C2+u热力过程分析热力过程线――蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-s 图上的表示。
滞止参数－-相对于叶栅通道速度为零的气流热力参数。
用后上标为”0”来表示。
βα反动度——或反动率,表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度,定义为动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比,用Ω来表示。
即：00b m tn bh h hh h ∆∆Ω=≈∆∆+∆级的类型和特点纯冲动级――Ω＝０,汽流在动叶通道中不膨胀。
●结构特点：动叶为等截面通道；●流动特点：动叶进出口处压力和汽流的相对速度相等。
因压降主要●发生在静叶栅通道中,故又称为压力级。
反动级――Δhn=Δhb=Δht，动静叶中焓降相等.●结构特点：动、静叶通道的截面基本相同；●流动特点：动、静叶中增速相等.冲动级――膨胀主要发生于喷嘴中,一般Ω＝0.05～0.30复速级――由固定的喷嘴叶栅、导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅所组成的级称为复速级，又称双列速度级。
级的轮周功率和轮周效率轴向蒸汽的轴向力应是汽流轴向力、压差力的总和。
设动叶压差作用有效面积为Az ，则总的轴向力轴向力使汽轮机转子轴向产生移动，故采用轴向推力轴承对转子作轴向定位。
第一章汽轮机级的工作原理第四节叶栅的气动特性第一章汽轮机级的工作原理-第四节叶栅的气动特性第四节叶栅气动特性在蒸汽热能转变为轮周功的过程中，存在着喷嘴损失、动叶损失和余速损失。
前面已讨论了余速损失对轮周效率的影响，本节主要讨论流动损失，即讨论喷嘴损失和动叶损失产生的物理原因及影响因素，从而指明减少损失提高流动效率的途径。
涡轮叶栅的气动特性一般是通过风洞中的平面叶栅吹气试验获得的。
在二维流动动力学的基础上，结合三维流动的特点，进行了复叠吹气试验。
实践证明，将实验数据用于叶栅的设计、计算和分析，可以获得满意的结果。
叶栅试验通常是在各项参数变动相当大的条件下进行的，因此所得的结果不但是叶栅的设计工况特性，而且包括了其变工况特性。
从试验结果可以看到叶栅中各项损失在不同工况下的变化趋势和定量关系，这有助于分析级在变工况下的工作特性。
大量试验表明，叶栅的能量损失由叶型损失和端部损失组成。
叶栅的几何参数和蒸汽流动参数对能量损失的大小起着决定性的作用。
1、叶栅几何参数和蒸汽流动参数汽轮机叶栅一般分为冲动式叶栅和反动式叶栅两大类：反应叶栅如图1.4.11（a）所示，包括喷嘴叶栅和高反应的移动叶栅。
叶栅前部和后部之间存在静压差。
蒸汽通道的宽度从入口到出口显著减小，因此当蒸汽流过时，除了流动方向的变化外，还有加速度。
冲动式叶栅如图1．4．1(b)所示，它包括冲动式动叶栅和导向叶栅。
叶栅前后静压大致相等。
当蒸汽流过时，流动方向主要改变，没有加速。
然而，在实践中，为了减少流量损失，采用了一定程度的反作用，使蒸汽通道略微收缩。
？二1稍小2°-4°，根据喷嘴出口和动叶进口处的马赫数MA，每种类型的叶栅可分为亚音速（MA<0.8）、跨音速（0.8<MA<1.2）和超音速（MA>1.2）叶栅。
表征叶栅的主要几何参数(图1．4．1)有：平均直径dm、叶片高度l、叶栅节距t、栅宽度b、叶栅通道进口宽度a和出口宽度a1与a2、叶型弦长b和出口边厚度?。
汽轮机基本工作原理简介通流部分－汽轮机本体做功汽流通道称为汽轮机的通流部分，它包括主汽门，导管，调节汽门，进汽室，各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。
汽轮机的级－是由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成的工作单元。
级的工作过程－蒸汽在喷嘴中降压增速，热力学能转变为汽流的动能；在动叶中一方面继续降压增速，热力学能转变为汽流的动能，另一方面汽流在动叶中改变运动方向，将动能转换成转子的旋转机械能。
前者属于反动能，后者属于冲动能级的工作过程蒸汽膨胀增速的条件－－是有合理的汽流通道结构，另一是蒸汽需具有一定的可用热能且有压差存在速度三角形：C:汽流的绝对速度 W:相对速度 U:圆周速度:旋转平面与 W 的夹角:旋转平面与 C 的夹角动叶进口速度三角形 ： W1=C1－u动叶出口速度三角形： W2=C2+u热力过程分析热力过程线――蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-s 图上的表示。
滞止参数－-相对于叶栅通道速度为零的气流热力参数。
用后上标为”0”来表示。
βα反动度——或反动率,表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度,定义为动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比,用Ω来表示。
即：00b m tn bh h hh h ∆∆Ω=≈∆∆+∆级的类型和特点纯冲动级――Ω＝０,汽流在动叶通道中不膨胀。
●结构特点：动叶为等截面通道；●流动特点：动叶进出口处压力和汽流的相对速度相等。
因压降主要●发生在静叶栅通道中,故又称为压力级。
反动级――Δhn=Δhb=Δht，动静叶中焓降相等.●结构特点：动、静叶通道的截面基本相同；●流动特点：动、静叶中增速相等.冲动级――膨胀主要发生于喷嘴中,一般Ω＝0.05～0.30复速级――由固定的喷嘴叶栅、导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅所组成的级称为复速级，又称双列速度级。
级的轮周功率和轮周效率轴向蒸汽的轴向力应是汽流轴向力、压差力的总和。
设动叶压差作用有效面积为Az ，则总的轴向力轴向力使汽轮机转子轴向产生移动，故采用轴向推力轴承对转子作轴向定位。
