孔隙射流對大折轉角壓氣機葉柵分離流動影響的研究.pdf

1、在現代的航空壓氣機設計當中，設計者傾向于采用高負荷的葉片設計以達到減少發(fā)動機的葉片數，縮短發(fā)動機尺寸，提高推重比的目的。因此研究具有良好氣動性能的高負荷葉柵對壓氣機設計有著重要的現實意義。
　　采用大折轉角葉柵可以增大負荷，但是在采用大折轉角的壓氣機葉柵中，葉柵內流動分離較為嚴重，尤其是隨著葉片負荷的增加，以及受到壓氣機葉柵內部擴壓流動特性的影響，葉柵流道內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性能的急劇

2、下降。因此控制和減小葉柵內部分離流動是設計大負荷高效率壓氣機的重要研究方向。
　　本文在低速風洞中對帶有孔隙射流結構的大折轉角平面壓氣機葉柵氣動性能進行了實驗研究?？紫渡淞鹘Y構的實現是通過在葉片靠近尾緣附近構造穿透葉片的孔隙，利用從葉片壓力面到吸力面壓差，產生噴射效應。三個單孔方案中孔隙的展向位置距離端壁分別為5％、15%、25%葉高，多孔方案是通過單孔方案的組合而確定，這樣總計八套葉柵實驗方案。在設計零沖角和變沖角下，對八套葉柵

3、實驗方案的壁面靜壓和葉柵流場進行了詳細測量，并采用墨跡流動顯示方法進行流場顯示。在實驗研究的基礎上，采用數值模擬方法對實驗葉柵進行了較為深入的砑究，以獲得更詳細的流場結構。結合實驗結果和數值模擬結果，對帶有孔隙射流的大折轉角壓氣機葉柵的內部流場結構以及孔隙射流控制流動分離的機理進行深入探討。此外，對一種端部射流結構進行數值模擬研究，分析這種結構對葉柵氣動性能的影響。
　　在設計零沖角下，研究結果表明，在葉片表面開孔隙后，氣體在壓差

4、作用下，在吸力面形成射流，射流與附面層內低能流體以及主流發(fā)生摻混，導致開孔葉高附近損失增加，相應葉高處氣流的折轉能力降低；同時射流給邊界層內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，減少由于低能流體積聚而產生的損失；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θ~柵氣動性能的影響很大，當孔隙位于5%葉高處時，葉柵總損失略有降低，相對于原型方案變化不大；在1

5、5%和25%葉高處開孔，由于開孔位置靠近葉展中部，射流導致葉展中部的損失明顯降低；單孔方案中最佳的開孔位置位于25%葉高處，此處開孔對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損失。通過對不同開孔位置組合方式的合理選取，可以進一步降低葉柵的氣動損失，獲得比開單孔方案更優(yōu)的葉柵氣動性能，相對于開單孔方案，開多孔方案由于開孔隙數量的增加，使得更多的高能流體流向吸力面，吸力面分離區(qū)內低能流體的動能明顯增加，顯著的減小葉片

6、中部由于低能流體積聚產生的損失，使得葉柵總損失降低。針對本文研究的葉柵，最佳方案是在15%和25%葉高處同時開孔的方案。
　　在變沖角條件下，對于本文所研究的大折轉角擴壓葉柵，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。在非設計沖角下，孔隙射流控制附面層分離流動的機理與設計零沖角下相似。在負沖角條件下，孔隙射流導致的損失增加要高于射流對吸力面分離流動改善引起的損失降低，因此葉柵總的氣動性能降低。在正沖角條件下，受到

7、葉片負荷增加和葉片表面附面層增厚的影響，附面層內低能流體積聚增多，開孔隙后，孔隙射流對附面層內低能流體的加速作用增強，減弱了葉柵內低能流體的積聚，較大幅度的提高了葉柵氣動性能。相對于負沖角和零沖角，葉片中部的損失降低更明顯。在正沖角下，在15%和25%葉高處同時開孔的方案對葉柵氣動性能的改善最大。
　　通過對實驗結果的分析我們發(fā)現，孔隙射流對于大轉角擴壓葉柵中部分離流動的改善效果較好，俚是對于端壁分離流動的控制效果并不明顯，端壁損

8、失仍然較大。為了達到控制和減小端壁分離流動的目的，本文提出了一種端部射流結構，通過在端壁開孔，利用壓差在出氣口產生射流，以期達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葉柵氣動性能的影響。數值研究結果表明，端部射流結構出氣孔軸向位置對葉柵的氣動性能影響較大，當端部射流出氣孔位于分離點之后時，端部射流為附面層內的低能流體增加能量，使其能夠繼續(xù)向下游移動，減少了低能流體的積聚，