在低展弦比透平静叶栅中叶片的弯曲作用_王仲奇.pdf

第? ?卷 第?期? ? ??年?月工 程热物理 学报??? ????????????? ??????? ??? ???????????? ?,????????,? ???在低展弦比透平静叶栅中叶片的弯曲作用‘王仲奇 韩万今徐文远赵 桂林?哈尔滨工业大学?摘要在平面叶栅低速风洞上,对具有直叶片、直线倾斜叶片和弯叶片的低展弦比矩形透平静叶栅进行了吹风实验,并通过实验结果的比较讨论了叶片弯曲对流场的改 善作用?一、引言自廿多年前提出“弯扭联合气动成型叶片”以来,大量的计算与实验结果表明?在透平叶栅中采用弯扭叶片,无论在设计或变工 况下均能减少二次流损失? ?一’??作者们进行的多是整机实验?整机实验可以得到符合实际 的结果,但是 由于费用贵,周期长,无法进行大量多方案实验研究,并受 测试条件限制 也测量不到流道内部?文献〔 ? ?虽曾探讨了叶片倾斜对低展弦比矩形透平静叶栅出口流场 的影 响,揭示 了锐角侧减 小二次流 损失的机理,而且推测?采用 压力面两端皆与端壁成锐角的弯叶片能在叶片表面形成顶部为正、根部为负梯度的沿叶高的静压分布,从而将锐角侧 的有益作用引人叶栅两侧?但是,到目前为止,尚无实验数据证实上述推测的正确性?本文对具有直叶片、直线倾斜叶片和弯叶片叶栅的 出口流场 和叶片表面静压分布进行了详细测量,研 究了叶片弯曲对气流参数沿叶高分布 的影 响,分析了弯叶片在端壁上倾斜角的 选择及叶片负荷、气流角、环量的变化等问题,这为高压 透平级,特别是调节级应用弯叶片提供 了依据?二、实 验模型实 验是在平 面叶栅低速风洞上进行的?共实验了 由七种叶片组成的矩形透平静叶栅,其中????,直叶片?图?,???????,????和????,倾斜 角分别为???,? ?“和? ??的直线倾斜叶片?图?,?? ????,,????和????为端壁上倾斜角分别等 于? ?“ ,?沪和??“的弯叶片?图?,??,堆迭线 的形状如图?,?所示?在叶片倾斜或弯曲的同时保持平行于端壁平面内的叶型 仍为最佳叶型?对于七种叶栅在零冲角下应用五孔束状测针测量了总压、静压 和气流方向沿节距和叶高的变化?在叶片表面沿叶高设置了?个测量站,每站沿叶型布置? ?个静压 测孔,用于测量叶片表面的静压分布?叶栅的其它 几何与气动参数为?叶弦??? ?? ??轴向弦长?????? ?? ??相对节距,?‘???? ?,?展弦比万???? ? ?国家自然科学基金资助项目本文曾于?,?,年? ?月在北京召开的工程热物理学会热机气动热力学学术会议上宣读工程热物理学报??卷几何进气角?。

几何出气角? ?,?? ?进口总压玲?? ,? ????表压??叶栅中部雷诺数? ????? ??? ?,?进口附面层厚度?????? ?? ? ?,月月?厂厂 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ?亡了?人人夫夫合分哥?? 直叶栅???直线倾斜叶栅?? ?弯叶片叶栅图?矩形透平静叶栅??? 弯叶片堆迭线形状三、实验结果讨论图?表明在低展弦 比直叶栅中端部横向二 次流损失在总损失中占相当大的比例,在本实验的条件下大约为? ? ,因此提高该类叶栅效率 的主要潜力是降低端部二 次流损失‘采用直线倾斜叶片后,在压力面与端壁成锐角侧?叶栅下侧?能量损失 系数大 为下降,与此同时在压力面 与端壁成钝角侧?叶栅上侧?能量损失 系数增长得很快?通常钝角侧损失的增长超过锐角侧损失的 减小,因此在矩形叶栅中应用直线 倾斜叶片不 仅不能 减少拭失,反而会引起损失的增加?但是直线倾斜叶片的实验结果给人 以启发?采用压力面与两端壁 均成锐角的弯叶片将使叶栅两侧的损失同时降低?图?表示 的实验结果说 明,叶片的弯曲确实在叶栅的两侧 减少了横向二次流损失·虽然叶栅中部损失稍 有增加,但属两侧损失的减小显著大于 中部的增加,在端部倾斜角分别为?。

和?? ?的弯叶片叶栅中,能量损失系数比直叶栅分别减少 了 ? ???外、? ???? 和 ? ???外?由图?看到的另一现象是直线倾斜叶栅锐角侧近端壁 处和叶栅中部损失系数都低于弯叶片相应 位置的损失系数,这一差别可 由静压 沿叶高的分布来解释?在直 线倾斜叶栅? 了六刃? 钩二力?? ?石璐毋声庐户印次火洲式八一’? ????? ’? ? ’?孔???曲图?能量损失系数节距平均值沿叶高的分布?直叶片,?倾斜叶片,火弯叶片??二? 图?叶片力分解图?期王仲奇等?在低展弦比透平静叶栅中叶片的 弯曲作用上端璧上端 壁‘兰当 目力?? 万习或 ?面丈夕??????一一一一斗杀下瑞壁下端璧?????? 图?沿叶高压力梯度形成示意图十、一表示水平分力形成的静压场,箭头由高压指向低压?、?表示垂直分力形成的静压 场,箭头指向同上流道内,叶片压力面和吸力面对气流的作用力垂直于各自的表面?略去粘性力的影响??这两个作用力都能分解为水平力和垂直力?两对力方向相反,大小为压力面的大于吸力面的?图??,因此气流承受一个指 向吸力面的 水平分力和一个朝下的垂直分力?图?,? ?形成流道内横向压力梯度的水平分力与气流经过流道时的离心惯性 力相平衡?同样,与垂直分力相平衡形成了沿叶高的负压梯度?图???在上、下对 称的弯叶片叶栅中,上、下两侧的叶片力的大小相等方向相反,分别与各自一侧的端壁成?角,因此它们的两个垂直分力大 小相等 方向相反,分别指向各自一侧 的端壁?与这两个分力相平衡形成了在叶顶为正、在叶根为负梯度的沿叶高的静压分布?叶片表面静压测量证实了上述分析?图???由此看来,前者沿整个叶高的负压梯度可能 比后者更有利于将叶栅下侧近端壁的附面层 吸入主流 区,在弯叶片叶栅中叶顶的正压样度和叶根的负压梯度均驱动两侧附面层流向中部,使中部能量损失有所提高?图?进一步表明附面层 的输运情况?在直叶栅中,高损失区分布在两端?在距端壁? ? 外叶高处,局部高损失区对应通道涡核心?在直线倾斜叶栅中高损失则集中于钝角侧? 件件件 ? ? ?、?、、?? ‘???·??·?万一?忍一?·?????乡一?·??歹图,叶片表面静压系数沿叶高的分布?直叶片?倾斜叶 片?弯叶片工程热物理学报??卷在弯叶片叶栅中随倾斜角的增大,近端壁处高损区缩小甚至消失,同时高损失区向叶栅中部迁移并沿节距方向扩 展?在直线倾斜叶栅锐角侧存在最佳倾斜角〔 ? ??实验数据表明?在本文实验条件下锐角侧的最佳倾斜角大约为? 夕”?同祥,对于 弯叶片也存在对应最小叶栅总损失的端部最佳倾斜角,它万??“左右?图???这说明与对 应的直线倾斜叶片比较,弯叶片的最佳倾斜角有所减小?当倾 斜角大于最佳倾 斜角时,端部损失下降的速度将低于中部损失增长的速度,叶栅总损失开始增加?最佳倾斜角与叶栅展弦 比、气流冲角、转折角及人口附面层厚度、湍流度等因素有关,对于 不同 的叶栅应 由实验来确定。

直叶片表面静压沿叶高几乎均布,除端壁附面层内出现叶片力亏损外,叶片负荷沿叶??直叶片??倾斜叶片? ?,? ??期王仲奇等?在低展弦比透平静叶栅中叶片的弯曲作用??奄叶片??二? ? ?乓? 夕一龟??弯叶片 ??”? ?图?能最损失系数等值线分布高也大致相等?叶片的倾斜与弯曲改变了叶片表面的静压分布,因此叶片负荷也发 生了相应变 化?与直叶片比较,直线倾斜叶片锐角侧负荷下降,而钝角侧负荷提高?图???对于弯叶片,在距端壁?,务叶高范 围内,由于吸力面压力的升高大于压力面,因而叶片负荷减小?由此可知,端壁上的横向压力梯度必然下降,这 也是 弯叶片减弱端壁二次 流的 另一原因?在大于? ?关叶高的区域内流 道的前半部分叶片负荷减小,流道的后半部分叶片负荷增大?愈接近叶栅中部,流道中负荷增加部分愈长?因此,沿整个叶高弯叶片的气动负荷可 能稍低于直叶片?由于直叶片在端壁至? ?多叶高的区域内相继出现气流角的极大值?? ???“?和极小值?? ??? ??,气流要无冲击地进人动叶流道,动叶片的扭曲势必很剧 烈?图???在短叶片级工程热物理学报?玉卷泛泛花一一一尸??合?????曰? ???图?总损失系数随倾斜角的变化?倾斜叶片,丫奄叶片? ? 一夕肠???、 ? ??????????????、?口一????盆?万?? ?? ?一? 呱、、??甸比、加一。

? ???一一笼、?一?一一? 味?卜??一工,‘、? 洲、??九??力????????刀图?静压系数沿叶型的分布?直叶片?倾斜叶片丫奄叶片中,一般动叶是按中径气动参数设计的,在动叶两端就形成了较大的冲角,不仅产生冲击损失,而且使动叶流道中高波动区扩大?对于直线倾斜叶片,锐角侧气流角较大,钝角侧王仲奇等?在低展弦比透平静叶栅中叶片的弯曲作用气流角较小,沿整个叶高气流角更加不均匀,从 为动叶提供良好进口条件 的观点来看,直线倾斜叶片也是不可取的?图帅?在弯叶片叶栅中,随端部倾斜角的增大,气流角的最大值减小并且位置移向端壁,气流角最小值也提高,所以沿整个叶高气流角更接近叶栅几何出气角???“?,这无论对动叶设 计还是 对非控制 涡设计透平 的改造都是有益 的?根据欧拉方程?二一????可知,? ?二的大小 能表示 气流 的做功能力.由图1 0可 见,对于宜叶片近端壁处气流的做功能力最低,叶栅中部气流的肠入、‘而歹,0 .5 00 . 751. 0图,气流角节距平均值沿叶高的分布 .直叶片O倾斜叶片x弯叶片做功能力最高.与 直叶片比较,直线倾斜叶栅锐角侧气流做功能力有所提高,而钝角侧明产产尹熬气气l l l,l l lo·250·5 0万0·75卜0图 1 0切向速度系数节距平均值沿叶高的分布 .直叶片O 倾斜叶片X弯叶片显 下降。

对于弯叶片,由于端壁附面层被吸人 主流,那 里的气流速度加快,因此气流的做功能力有较大的提高.叶栅中部气流 速度虽有所减慢,但气流角却 小于直叶片,因此气流的做功能力亦稍有提高.这样一来,沿整个叶高气流的做功能力都得到 了提高.在具有端壁最佳倾斜角的弯叶片叶栅中,气流沿叶高的做功能力差不多是相等的.四、结论 1.在低 展弦比透平静叶栅中,采 用弯曲叶片能形成在叶顶为正、在叶根为负梯度的沿叶高 的静压分 布,在这种静压分布 的作用下两端附面层被吸人主流,从而显著地减少 了端部二次流损失,使 能量损 失系数沿 叶高几乎均布.与直叶片比较损失系数可下降3 0一 4外左右.2.弯叶片在两端壁上的倾斜角有最佳值,它小于相应直 线倾斜叶片锐角侧的最佳倾斜角,并与叶栅的 展弦比,气流冲角、转折角及入口附面层厚度、湍流度等因素有关. 3.采用弯叶片能 提高 直叶栅 的最 小气流 角,降低最大气流 角,使气流角沿整个叶高更趋于叶栅的几何出气 角,这对动叶设计 和非控制涡 设计的透 平改造都有利. 4.采用 弯叶片能减小叶片两端的 气动负荷,从而降低端壁横向压力梯度,这对削弱端壁二次流是 有益的.虽然弯叶片的气动负荷稍低于直叶片,但气流 的做功能力却有明显提高.工程热物理学报11卷.考文献[l]Nagayamu,e:al·,“。

mputation and Experi ment of3一nSt ac kingEffec:nTurb in est a to r,,,日本机械学会论文集(B编),, 4卷,01号(昭‘ 3一s ),No. 5 7一7sA,pp. 1051一20,7.[2]Levin a,M.E,e t;l,“ Syn the ticMe thodRedueingRadia lDi f feren eofRe a c tio ninTu rb in eSt age s, , ,Jour朋】 ofc olleges and山ivers tites一 D了n am ies, No.岁,( May,l夕5 2),pp.61一6,(inRu ssian).r3]S hiJ ing., etal,“AnIn v e :ti,tio nfaHighlyLoadedTr a n ;。