环形扩压叶栅弯叶片对流场性能的影响

收稿日期:2005-07-11;　修订日期:2005-12-26

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50236020)

作者简介:张永军(1977-),男,陕西榆林人,哈尔滨工业大学博士研究生.文章编号:1001-2060(2006)02-0169-06

环形扩压叶栅弯叶片对流场性能的影响

张永军,冯国泰,苏杰先,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:对比研究了直叶片叶栅与弯叶片叶栅吸力面角区和下端壁流场显示的不同表现,发现弯叶片对角区分离流结构影响较大,它对减小端区马蹄涡尺度和减弱横向二次流作用明显。将不同叶栅中三维流向涡(通道涡和集中脱落涡)沿流向截面内的位置与强度作为研究对象,细致地分析了在采用弯叶片前后涡位置和强度的变化,分析表明两种涡的位置受弯叶片影响较大;通道涡沿流向的强度变化受弯叶片影响较为明显,而集中脱落涡强度受弯叶片影响却很小。来流马赫数、叶型折转角和稠度在一定范围内对弯叶片作用有规律性影响:当马赫数为017时,最佳弯角弯叶片降低损失7%,而马赫数为0.2时,最佳弯角弯叶片降低损失仅4%。

关键词:压气机;弯叶片;低速;分离流;通道涡;集中脱落涡

中图分类号:TK474.8 文献标识码:A

1　引　言

在叶轮机械内部流场理论不断深入发展的今天,关于二次流理论、分离流结构和涡动力学的研究已经成为透平机械内部流场气动力学领域最为重要的前沿研究课题。前人对扩压叶栅内的流动分离和旋涡的发生、发展以及相互作用都进行了大量的研究,并取得了许多阶段性的成果[1～2]。一些研究发现在扩压叶栅中采用弯叶片是改善流动结构和提高喘振裕度的一种有效方法[3],而认识压气机弯叶栅内部流场分离流和涡系结构和特性,对于揭示弯叶片改善叶栅气动性能、减少流动损失和提高压气机喘振裕度具有重要意义[4]。然而以往对扩压叶栅内涡系的研究主要是以流场显示的手段来达到揭示常规直叶栅内涡系分布和形态的目的[2,4,6],对弯叶片流场结构的研究主要还是集中在涡轮叶栅[5],在扩压叶栅中对采用弯叶片后流场结构变化的深入分析较为少见,更缺乏机理性的论述[7]。本文使用数值计算的方法对环形压气机静叶栅在零攻角下直叶栅和不同弯角弯叶片叶栅内部流场显示的分离与涡位置和强度的变化进行了分析,以期能够获得弯叶片影响叶栅内部流场结构的规律和机理。

2　数值计算方法

本文数值模拟所使用的程序为NUMEC A公司开发的FI NE/T URBO流场求解器。采用B-L湍流模型,为了加速收敛计算使用了完全多重网格技术。考虑了进口边界层的径向总压分布,为保证径向各个截面的攻角相同,进气角沿径向是变化的(如图1),进口总温为294.34K,进口马赫数约为0.2和0. 7。其中进口马赫数为0.2时,采用NAC A65叶型

,出口为径向平衡分布,中径静压为101.325kPa;进口马赫数为017时,采用可控扩散叶型(C DA),出口给定流量。图2为计算所采用的网格,由于该叶栅的安装角较小,所以计算网格采用的是结构化的H 型网格,流向(z)、径向(x)和周向(y)网格数分别为129、65和65,共为545025个网格点。近壁面第一个网格点的离开壁面为10-5m。如图3所示,叶片积

图1　进口总压和进气角分布

第21卷第2期2006年3月

热能动力工程

JOURNA L OF E NGI NEERI NG FOR THERM A L E NERGY AND POWER

Vol.21,No.2

Mar.,2006

迭线为3段直线,直线之间由二次平滑曲线过渡连接,从叶顶到叶根直线高度分别是叶高的20%、40%和20%,过渡段高10%

。

图2　计算网格

图3　弯叶片积迭线的定义

表1　计算叶栅的几何参数(中径位置)

叶高h /m

0.1弦长b /m 0.08折转角θ/(°

)59.5,54.5,39.5内径r h /m

0.

2稠度b/t

1.1,1.4,

2.0

出口几何角βT 2

/(°)-9.75安装角βs /(°

)20

展弦比h/b

1.25

3　弯叶片对吸力面/端壁角区分离流

结构的影响

因弯叶片端壁横向压力梯度减小,在弯叶片两

端壁上前缘和尾缘鞍点位置都发生了变化,图4中前缘鞍点S l 向上游压力面一侧偏移而尾缘鞍点S t 靠近尾缘。这两种变化随着弯角的增大而愈加明显。结果使得从S l 出发的马蹄涡压力面分支分离线向流道中心区域偏移,而与其近乎平行且进入S t

的再附线却向吸力面倾斜,两条线的距离减小,这一变化表明弯叶片近两端壁马蹄涡压力面分支的尺度变小,横向二次流动减弱,二次流损失将有所减小[8]。图5中采用弯叶片后在吸力面上两端区附近的回流区大小变化并不明显,但是靠近集中脱落涡分离线的来流附面层却向叶展中部偏移,挤压了叶展中部的附面层的流道面积,使得这一区域的附面层提前发生了分离,在尾缘前出现的一个结点和一个鞍点就说明了分离已经发生。分离的提前导致了叶栅中部损失的增加,但相反使进入集中脱落涡的低能流体减少,减弱了近两端区分离的强度,使角区分离产生的损失减小。当进一步增加弯角,吸力面叶展中部的节点与鞍点同时向上游移动,分离进一步提前。弯叶片叶栅端区分离流动的改善将会减弱角区特别是吸力面/下端壁角区低能流体对通道的堵塞,进而减弱失速区(即低流量区)的发展,扩大叶栅的角区失速裕度,提高叶栅性能。尽管中径区域分离附面层的分离有所加剧,但由于流体速度较高,中径流动状况不会恶化。

图4　下端壁拓扑结构对比

图5　吸力面拓扑结构对比

?071? 热能动力工程2006年

4　弯叶片对流场涡结构位置的影响

在图6中是直叶片与5°和15°弯角弯叶片的上

下通道涡从产生位置到出口之间其展向和旋向位置沿流向的变化对比。其中展向位置定义为涡中心到下端壁的垂直距离与叶高的比,旋向位置分两部分定义:从涡产生到尾缘之间定义为涡中心到吸力面的垂直距离与中间展向节距的比;从尾缘到出口之间定义为涡中心到沿尾缘出口几何角延长线的垂直距离与中间展向节距的比。流向位置(横坐标)定义为流向位置到前缘距离与弦长的比。图6表明,随着通道涡的产生在其向下游运动的过程中无论是上通道涡还是下通道涡都向展向中间区域发展,如果从S 3(垂直于主流方向的截面

)中观察可以看出,上、下通道涡是以展向中间位置成对称分布的。图6通道涡展向位置曲线在80%弦长上游较为平滑,弯叶片的影响也很小,但是80%弦长下游通道涡的

展向位置开始波动。先看上通道涡,直叶片时上通道涡在尾缘附近突然靠向端壁,稍后又回到原来轨道上,这应该是靠近尾缘时,相邻通道之间发生掺混作用引起的。5°弯叶片时,这一尾缘附近的波动变得较直叶片时平缓,而15°弯叶片时,波动反而加剧,且幅度增大。再看下通道涡,5°弯叶片也平缓了尾缘附近的波动,与上通道涡不同的是15°弯叶片进一步平缓了波动,使下通道涡的位置更加稳定。与弯叶片对展向位置变化的影响较小相比,上下通道涡的旋向位置受弯叶片的影响较大。如图6所示,由于弯叶片改变了两端区的横向压力梯度,也影响了通道涡与压力面和吸力面的相对位置,大弯角弯叶

片时(15°

)通道涡靠近压力面一侧,小弯角弯叶片(5°)时通道涡在中间,而直叶片时通道涡靠近吸力面一侧,对上下通道涡来说弯叶片的这一作用是一样的。但是对上通道涡而言,弯叶片平缓了其旋向位置在尾缘附近的波动,而对下通道涡而言,弯叶片却加剧了这种波动。

图6　直叶片与两种弯叶片上、下通道涡位置沿流向的变化对比

对压气机叶栅而言,其流场中的涡系除通道涡

以外,尾缘集中脱落涡的尺度也较大,它对叶栅性能的影响很大。所以探讨弯叶片对集中脱落涡的位置是如何影响的,意义较大。如图7所示(集中脱落涡展向位置和旋向位置的定义与图6中的一样,这里

就不再赘述。),上、下集中脱落涡和通道涡一样是向

展向中间区域发展的,也是以展向中间位置成对称

分布的。从图7(a )和(b )的左图看出,采用弯叶片后,集中脱落的展向位置离展向中间点较直叶片时的大,这说明弯叶片控制了其展向发展。上、下集中脱落涡是从尾缘后产生的,它们对应着叶栅吸力面/端壁角区的两个大分离区,弯叶片控制了它们的展

?

171?第2期张永军,等:环形扩压叶栅弯叶片对流场性能的影响

向发展,从而也就控制了角区两个大分离区的展向发展,使叶栅性能得以提高。从图7(a)和(b)的右图看出,上、下集中脱落涡的旋向位置在流向下游的过程中偏离尾缘,当采用弯叶片(弯角为15°)后,集中脱落涡被限制在离尾缘较近的区域,这对于减弱尾缘低能区与流道高能流体的掺混是有利的

。

图7　直叶片与两种弯叶片上、下集中脱落涡位置沿流向的变化对比

5　弯叶片对流场涡结构强度的影响

图7是直叶片与两种弯叶片流场中下通道涡和

下集中脱落涡结构沿流向的发展过程中涡量的变

化。由于上通道涡和上集中脱落涡中涡量变化与下

通道涡和下集中脱落涡中的相似,所以本文只对下

通道涡和下集中脱落涡进行研究。在对涡结构中涡

量的跟踪之前,假设涡中心是沿着一条流线向下游

运动的,那么从某一S3截面中得到的涡中心点出

发,做一条流线并将其提取出来。将提取的流线作

为轨迹跟踪其上涡量的变化,并以流线起始点与跟

踪点之间的弦长作为横坐标,涡量作为纵坐标就得

到图7所示涡量沿涡发展方向的变化。

图7(a)表明通道涡量在向下游发展的过程中

经历了先增加后减弱的两个发展阶段,两阶段都受

弯叶片的影响较大,但弯叶片并没有从根本上影响

通道涡中涡量的变化趋势。弯叶片能够减小通道涡

中的涡量(涡强度),并随弯角的增大,减小的幅度越

大。通道涡涡量的减小将直接导致横向二次流减

弱,这就说明弯叶片对叶栅横向二次流的控制有一

定的作用。图7(b)表明集中脱落涡的涡强度也是

逐渐减弱的,由于集中脱落涡是从尾缘以后才产生,

说明被跟踪流线只有尾缘以后很短的一部分处在集

中脱落涡中,所以从图中可以看出进入集中脱落涡

以后,涡量很小,弯叶片对集中脱落涡中涡强度的影

响不大

。

图8　直叶片与两种弯叶片流场中涡结构涡量的变化

6　几何参数和进口马赫数对弯叶片

作用的影响

?

2

7

1

? 热能动力工程2006年

表2　弯叶片方案

马赫数Ma /叶型

折转角θ/(°)稠度b/t

弯角γ/(°)0.2/NAC A6559.5,54.5,39.5

1.1,1.4,

2.0

5,10,15,20,25,300.7/C DA

54.5

2.0

5,10,15,20,25,30

表2是本文所研究的弯叶片方案。下面来讨论不同来流条件和几何参数对弯叶片作用的影响。图9是能量损失系数在不同几何参数和进口马赫数条

件下随弯叶片弯角的变化关系,其中能量损失系数定义为:

ξ=

(p s /p 3)0.2587-(p s /p 30)0.2587

1-(

p s -p 30)0.2587

式中:p s —静压;p 3—当地总压;p 30—进口总压。从

图9(a )中可以看出,在来流马赫数较大(0.7)的情况下,损失随弯角有明显的变化,在最佳弯角10°时,叶栅损失下降近7%,而小马赫数(0.3)时损失下降仅为4%。在相同来流马赫数(0.2)条件下,弯叶片的作用也受叶型折转角和稠度大小的影响,如图9(b )大折转角(59.5°)叶栅内损失随弯叶片弯角变化较大,而最佳弯角也比小转角叶栅的大;同样在图9(c )中,在一定的范围内稠度的影响也有规律性,稠度越大弯叶片的作用明显,其最佳弯角也越大。

图9　来流马赫数和几何参数对弯叶片的影响

从前面的讨论中可以看到由于对角区分离和二次流涡系的有效控制,弯叶片在降低叶栅损失方面

会有一定效果,计算结果也证明了这一点。但是无论在何种条件下,对弯叶片弯角的选择并不是越大越好,而是总能找到一个最佳弯角使得叶栅损失最小。本文研究表明随弯角的增大弯叶片对角区分离和二次流的控制能力增强的幅度变缓,但是相应的叶型损失的增加幅度却增大。

7　结　论

通过对以上数值计算结果的分析,本文得出以

下结论:

(1)吸力面角区与端壁分离流的大小与强度受弯叶片的影响较大,在进口条件不变的情况下,弯叶片在一定程度上减弱了角区分离的强度,这对增加压气机叶栅喘振裕度有工程参考意义;

(2)上、下通道涡从产生向下游运动的过程中,都向叶展中间区域发展,并以展向中间位置成对称分布,弯叶片对通道涡展向位置的影响不大,但减小

了通道涡在尾缘附近的展向波动;

(3)弯叶片改变了通道涡与压力面和吸力面的相对位置,大弯角时(15°

)靠近压力面一侧,小弯角弯叶片(5°

)时在中间,而直叶片时靠近吸力面一侧,对上、下通道涡来说弯叶片的这一作用是一样的;(4)上、下集中脱落涡和通道涡一样是向展向中间区域发展的,也以展向中间位置成对称分布,分析表明弯叶片控制了上、下集中脱落涡的展向发展,从而也就控制了角区两个大分离区的展向发展,使叶栅性能得以提高。

(5)弯叶片能减小通道涡中的涡量(涡强度),并随弯角的增大,减小幅度越大,但其对通道涡涡量变化趋势没有明显影响;集中脱落涡的涡量较小,弯叶片对其影响很小。

(6)适当的来流马赫数、几何折转角和稠度对弯叶片的作用有规律性的影响。但在任何条件下,由于随弯角的增大弯叶片控制角区分离和二次流能力增强的幅度变小,而相应的叶型损失的增加幅度变大,因此弯角总是会存在一个最佳值使得叶栅损失最小。

?

371?第2期张永军,等:环形扩压叶栅弯叶片对流场性能的影响

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(辉　编辑)

理论研究

带冠轴流涡轮内旋涡—尾流—叶片的相互作用

《AS ME Journal of Turbomachinery》2005年10月号介绍了在一台二级带冠辆流涡轮第一列转子叶片出口处时间分辨的流场测量技术。

在涡轮第一级出口平面处观察到的二次流动旋涡、转子尾流和附近叶片之间不稳定的相互作用机理是最感兴趣的并作了详细的分析。

结果表明,不稳定的二次流动主要受转子轮毂通路旋涡和从上游静子叶列流出的二次流场支配。结果揭示了在轮毂端壁附近进入转子固有的通路旋涡的转子尾流层堆积的机理,并以流动简图的形式描述这个过程。

在第二次测量过程中,第一列静子叶片相对于第二列静子被计时半个叶片节距,以便变换两个静子本身固有的二次流场的相对位置。对于两种计时情况时间分辨数据的比较表明意想不到的结果。对于两种情况的定常流分布图几乎是一样的。

探针压力信号的分析指出高度的不稳定性,它是由流出的第一列静子二次流动场周期出现造成的。

(吉桂明　供稿)

单平面主动平衡技术消除弯曲转子振动故障的研究=A Study of the E limination of Vibration F aults Occur2 ring in a B ended R otor through the U se of a Single2plane Active B alancing T echnology[刊,汉]/LI U Jin2nan,HE Li2dong,SHE N Wei,et al(Diagnosis amd Self2healing Engineering Research Center under the Beijing University of Chemical Engineering,Beijing,China,P ost C ode:100029)//Journal of Engineering for Thermal Energy&P ower.-2006,21(2).-165～168

A rotor affected with bending is one of the major fault s ources leading to an increase in vibration level of a rotor.The causes of the bending occurring on various kinds of rotor are first analyzed.Then,it is proposed to use single2plane ac2 tive balancing techniques to eliminate the vibration fault of a bended rotor.M oreover,the feasibility of the proposed method is verified by tests.The results of the tests indicate that by using a single2plane active balancing device it is pos2 sible to reduce the vibration peak value of the bended rotor at a location of the first2order critical speed from550μm to below100μm,a reduction higher than80%.From this exam ple it can be seen that the technique under discussion can very effectively control the vibration caused by the bending of a rotor,dem onstrating its high value in engineering prac2 tice.K ey w ords:bended rotor,active balancing,single plane,vibration fault

环形扩压叶栅弯叶片对流场性能的影响=The Impact of Bow ed B lades of an Annular Diffuser C ascade on Flow Field Perform ance[刊,汉]/ZH ANG Y ong2jun,FE NG G uo2tai,S U Jie2xian,et al(C ollege of Energy Science& Engineering under the Harbin Institute of T echnology,Harbin,China,P ost C ode:150001)//Journal of Engineering for Thermal Energy&P ower.-2006,21(2).-169～174

A fter a contrast study of the different phenomena displayed at the suction2side corner zone and at the lower end2wall flow field by the straight2blade cascades and bowed blade ones it has been found that the bowed blades exercise a relatively great in fluence on the separation flow structure at the corner zone.The bowed blades can als o significantly lower the di2 mensions of horseshoe v ortex and weaken the transverse secondary2flow near the end2wall zone.With the location and in2 tensity of three2dimensional flow2oriented v ortices(passage v ortex and concentrated shed v ortex)in different cascades and in sections along the flow direction serving as an object of investigation a detailed analysis was conducted of the variation of v ortex location and intensity prior to and after the adoption of the bowed blades.The results of the analysis indicate that the location of tw o kinds of v ortex is subject to a relatively great in fluence of the bowed blades.The variation of the intensity of the passage v ortex along the flow direction due to the in fluence of bowed blades is com paratively evident while the in fluence of the bowed blades on the intensity of concentrated shed v ortex is very small.Mach number of an incident flow,the turning angle of a blade profile and s olidity exercise in a certain range a regular in fluence on the function of the bowed blades.At a Mach number of0.7the bowed blades with an optimal curved angle will lower losses by7%.When the Mach number is0.2,the above2mentioned blades can reduce the losses by only4%.K ey w ords:low speed,com2 press or,bowed blade,separated flow,passage v ortex,concentrated shed v ortex

燃煤可吸入颗粒物声波团聚效果的实验研究和数值分析=Experimental Study and Numerical Analysis of the Acoustic Agglomeration E ffectiveness of I nhalable P articles of Burned Coal[刊,汉]/Y AO G ang,ZH AO Bing, SHE N X iang2lin(Education Ministry K ey Laboratory of Clean C oal P ower G eneration under the S outheastern University, Nanjing,China,P ost C ode:210096)//Journal of Engineering for Thermal Energy&P ower.-2006,21(2).-175～178