叶片正弯对扩压叶栅气动性能的影响

叶片正弯对扩压叶栅气动性能的影响Ξ

王会社1,钟兢军1,王仲奇1,刘艳明1,袁　新2

(11哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001;

21清华大学热能工程系,北京100084)

摘　要:为了研究叶片不同正弯曲角度对压气机叶栅气动性能的影响,在平面叶栅低速风洞上,对具有可控扩散叶型(C DA)的直叶片和15°,20°,25°正弯曲叶片压气机叶栅进行了实验。获得了不同弯曲角度扩压叶栅出口流场的能量损失系数、涡量以及叶片表面静压系数等的分布。结果表明,叶片正弯曲20°时叶栅总损失降低最多,达16115%。正弯曲叶片吸力面形成“C”型压力分布,且这种分布随着叶片弯曲角度的增加而加强。

关键词:压气机叶片;压气机叶栅;叶型;气动特性

中图分类号:V232141 文献标识码:A 文章编号:100124055(2002)0420321204

E ffects of blade positive curving on aerodynamic

perform ance of compressor cascades

W ANG Hui2she1,ZH ONGJing2jun1,W ANG Zhong2qi1,LI U Y an2ming1,Y UAN X in2

(11School of Energy Science and Engineeriag,Harbin Inst1of T echnology,Harbin150001,China;

21Dept1of Thermal Engineering,Tsinghua Univ.,Beijing100084,China)

Abstract:　T o investigate the in fluence of the blade positive curved angle on the performance of compress or cascade,experi2 ments were conducted in a low speed wind tunnel with planar cascade1Rectangle compress or stator cascades consisting of four types of blades with controlled diffusion airfoils were tested1These include:straight blades,positive curved angle15°,20°,and25°blades1 The distribution of energy loss coefficient and v orticity at all cascade exits and static pressure coefficient on blade surface are ac2 quired1The results show that the loss of the curved blade cascade is reduced1When the degree of curved angle is20°,the loss of the cascade is least,and it is16115%less than the straight blade cascade1On suction surface of positive curved blade,the“C”type static pressure distribution is created,and this distribution is enhanced with the increase of the blade curved angle1 K ey w ords:　C ompress or blade;C ompress or cascade;Blade airfoil;Aerodynamic characteristic

1　引　言

未来推进系统对叶片的要求为:高负荷、大冲角范围和不分离的叶型附面层[1]。从寻求具有良好气动性能的压气机叶型的研究趋势看,可控扩散叶型(C DA)的优化设计是目前国外对亚声、跨声速压气机叶型研究的热点之一。C DA不仅在设计状态下气流总压损失较小,而且小损失工作范围也相应扩大。试验结果表明,采用C DA后,压气机的喘振裕度增加,级间匹配也有明显的改善[2]。叶片弯曲成型是降低叶栅二次流损失的重要方法和途径[3～5],其主要目的与C DA一致,又具有互补性。本文在正弯曲15°,20°和25°情况下对C DA进行了实验研究,并与相同工况下的C DA直叶栅进行了对照。

2　实验设备和测试系统

在大尺度低速平面叶栅风洞中,对四种叶片组成的扩压叶栅进行了实验研究,包括常规直叶片(zx)、压力面两端与端壁成15°(zw15),20°(zw20)和25°(zw25)的正弯曲叶片,四种叶栅均由11片C DA叶片

2002年8月

第23卷　第4期

推　进　技　术

JOURNA L OF PROPU LSI ON TECH NO LOGY

Aug12002

Vol123　No14

Ξ收稿日期:2001208230;修订日期:2002202228。基金项目:国家自然科学基金(50076009)、教育部全国优秀博士学位论文作者专项基金(199932)和“九七三”资助项目(G1999022307)。

作者简介:王会社(1974—),男,博士后,研究领域为发动机气动热力学。

组成,主要参数和进口条件如表1所示,叶片的弯曲积叠线见图1。图中h为相对叶高,x为相对弯量。进口边界层对称性较好,试验马赫数为012。

T able1　C ascade geometry and aerodynamic p arameters

Chord/mm8012

Chord/Pitch1167

G eometry inlet air angle/(°)38191

Augularity/(°)41109

Inlet chord Reynolds number615×105

Pitch/mm4810

Aspect ratio11997

G eometry outlet air angle/(°)-2118

Setting andle/(°)14127

Blade height/mm160

对四种叶栅在近零度冲角下用直径为216mm的5孔探针测量叶栅的出口流场,出口测量面距叶片尾缘5mm,测点设置为节距方向33个非等距点和沿叶高方向21个非等距测量高度,在靠近吸力面及尾缘加密,在边界层内加密。在对叶片表面进行静压测量时,沿叶高设置11个非等距测量高度,每个高度沿叶型排列31个非等距静压测孔,共341个测孔。

3　实验结果及分析

图2给出了近零冲角下直叶栅和正弯曲25°叶栅出口能量损失系数等值线的分布情况,其中h=h/ H,t h=t/H。h为测量高度,H为实际高度,t为流道内沿节距方向的测量距离。由图2(a)可见,直叶栅出口近吸力面和端壁所夹角区内,有一明显的高损失区,最高损失系数达019,叶栅中部低损失系数区变窄,整个叶栅出口按质量平均的总能量损失系数为0106443(图3)。两端角隅处损失系数偏高是由于通道涡输送的低能流体在此集聚的结果。图4为按质量平均能量损失系数(ξm)沿叶高的分布,可看出,直叶栅两端区的损失占叶栅出口总能量损失的50%左右。可见降低端区损失无疑会改善叶栅的气动特性。

但由于C DA直叶栅的二维设计,只考虑叶片中部最小的附面层增长和阻止附面层分离,认为整个叶片沿叶高方向适用同样的叶型,叶片端部的成型其实就是中部的简单扩展。将此叶型应用至三维环境时,端部流动的三维性很快超过了设计范围[6]。为达到C DA的峰值性能,须考虑流道中流动的三维性;为减少端部的损失影响,可将C DA叶片正弯曲。

由图2(b)和图4可以看出,在近两端壁区域内,正弯曲叶栅的损失系数值比直叶栅低,尾迹厚度比直叶栅窄且最高损失系数值区域位置有所升高。正弯曲叶栅中部(h=0115～0

185)高损失区域较直叶栅相

应区域稍有增宽,且损失系数值也略高。正弯曲叶栅

两端区损失的减小与两端倾斜有关,

两端的正倾斜,

在流道中形成从两端部分别指向叶栅中部的负压力

梯度,将两端区近吸力面处堆积的低能流体被迁移到

中部主流区,使根部区流动得到改善的同时又使中部

损失值增加,与理论分析[7]相符。

由图3可见,与直叶栅相比,三种正弯曲叶栅都

不同程度地降低了叶栅总损失,正弯曲角度为20°时,

整个叶栅出口按质量平均的总的能量损失系数为

0105375,与直叶栅相比,损失大约下降了16115%,

因为叶片弯曲后,叶栅端部损失下降较多,而中部损

失增加较少,总损失下降。当叶片弯曲角度由15°增

加到20°时,损失降低;当弯曲角度由20°增加到25°

时,损失迅速升高,因为随叶片弯曲角度的增加,叶栅

端部损失下降逐渐减缓,而中部损失增加加快。

Fig11　Stacking line of curved blade Fig12　E nergy loss coefficent contour at

cascade exit section

(a)S traight blade;(b)P ositive curved25°cascade

Fig13　Mass2averaged energy loss

coefficient vs1blade curved

angle at cascade exit section 223

　推　进　技　术2002年