【doc】冲角对不同掠型压气机叶栅扩压因子的影响

【doc】冲角对不同掠型压气机叶栅扩压因子的影响 冲角对不同掠型压气机叶栅扩压因子的影 响 第20卷第2期 2005年3月 热能动力一 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 J0URNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWER Vo1.20.No.2 Mar.,2005 .-?_.?生_龟r曳r?一羹?r?.jI 研究,试验与 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 .'一?一?簟一簟??一?? 文章编:100I2060(2005)02—0116—04 冲角对不同掠型压气机叶栅扩压因子的影响 陈浮,赵桂杰,宋彦萍,王仲奇 (哈尔滨工大学能源科学与J程学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:对直,前掠,弯掠和后掠叶片组成的压气机叶栅进行 了实验研究,结合叶栅出口能量损失分布和叶片表面静压系 数的分布及叶片负荷的变化,讨论了冲角变化对不同掠型压 气机叶栅扩压因子的影响以及叶栅扩压因子与叶栅能量损 失和叶片负荷的相互关系.结果表明,前掠和弯掠叶栅显着 改善了叶栅根部的流动,能够有效防止气流减速造成流动分 离的可能;这两种叶栅轴向逆压梯度长度和叶片负荷大小的 综合作用是其扩压因子在叶片两端部小于直叶栅的原因. 关键词:压气机;实验;扩压因子;弯掠叶片;冲角 中图分类号:TK32文献标识码:A 1引言 燃气轮机的启动,调节过程是变况过程,负荷 和外界大气条件变化时燃气轮机也是在变工况条件 下运行,在这些过程中,压气机的变工况性能决定了 发动机的运行状况.在轴流气机和满轮的发展过 程中,研究人员进行了大量的叶栅实验,并由此获得 了丰富的设计资料.人们进行叶栅实验的目的是控 制或监视几个叶栅流道的特性和参数以确保获得有 用的和精确的叶栅性能数据,如叶栅总压损失,叶栅 表面静压分布及叶片负荷,对压气机叶栅来说还包 括喘振裕度等性能参数作为高性能轴流压气机的设 计基础.在对压气机叶栅尤其是静叶栅性能参数的 分析过程中,变[『兄条件下叶栅的扩搓能力是一个 非常重要的参数.扩压因子是包括摹元级速度三角 形中各参数及叶栅几何参数的综合参数【J.因此, 研究二维压气机叶栅变工况条件下的扩压因子有助 于深入了解叶栅内流动特性l及叶栅几何和气动性能 参数之间的关联.压气机?.t-栅的扩压表现为叶栅中 流动的减速,叶栅总压损失的大小与叶片吸力面上 收稿日期:2(x)4—05—17;修订日期:20(~-一Il29 基金项目:围家自然科学纂金重点项Ej(50236020) 作者简介:陈浮(1970一),男,辽宁沈阳人,哈尔滨J:,火学教授 的速度减小成正比L2j.Reid和Moore指出,扩压因 子D应用在亚音速流场对叶片负荷的分析与跨音 速叶栅中损失的关联和失速裕度的分析是成功 的_3J.当D>0.6时,尾迹动量损失厚度增加,表明 在高负荷下叶片吸力面附面层分离并导致效率的下 降.因此,可将D=0.6作为压气机平面叶栅中的 允许负荷极限值.随着叶片三维成型技术的发 ,扭,掠必然引起叶栅扩压能力的变化, 展,叶片的弯 因此有必要对应用弯掠叶片的压气机在冲角变化时 扩压能力的变化作深入的研究. 2实验装置 实验任哈尔滨工业大学大尺度低速平面叶栅风 洞上进行,实验人口马赫数为0.22.在?5.,o三个 冲角下对由4种叶片组成的压气机平面叶栅——直 (STR),fj1=『掠(SVCT),弯掠(SCB)和后掠叶栅(SWB)进 行了壁面静测量,并采用五孑L探针测_r叶栅出 口的能量损失.叶型采用NACA65—24Al旷10系列,4 种叶片的积迭线形式见图1,叶栅几何参数见表1, 叶栅壁面静压测孔以及叶栅出口流场测点布置参见 史献f5,6]. 表1叶栅几何参数 弦Kb/mm128安装角卢b/(.)10.39 展弦比h:b1.25弯角Al_/(.)15 稠度1.6弯高L0h/%15 设计人I】气流角/(.)一28.21掠角A/(.)?30 设计出口气流角/(.)一8.1掠商L:h/%30 第2期陈浮,等:冲角对不同掠型压气机叶栅扩压因子的影响?117? 3扩压因子的计算 沿叶片吸力面的气流扩压和沿叶片吸力面的气 流减速是完全一致的.因此使用速度来定义扩压因 子D便于直接将其和速度三角形以及叶栅稠度联 系起来.通常扩压因子D的定义为: D:(1) WImax 式中:W为当地最大速度;W1?m人口最大速度;W2 为出口速度.其中分子表示气体流经叶栅的最大速 度降,也表征了轴向逆压梯度的大小. -匣lswFMid 囊 1swB视图 蓦至=二 SCB垂直于弦长 端壁 ]恒恒I 督ll 前缘lh A视图B视图 前掠SWFA=30.LIh=30% 后掠SWBA.=30.,/h=30% 弯掠scBA:15.L/h=15% A.;30.L/h=30% 图l实验叶片积迭线的定义 采用式(1)计算叶栅扩压因子时需要确定栅 前,栅后速度W.和W2,在实际计算中不够方便, 而且目前所使用探针的测量技术不能保证测量到叶 片表面当地最大速度一.通常情况下,叶片表面静 压负值最大的位置对应着叶片表面速度最大值所在 的位置,因此对式(1)进行变换并简化,得到扩压因 子的静压表达式: nP:一Pin—Pf,, 1.1=/二==———一 ,/P2一P 其中:P为栅前静压;Pi为当地最小静压;Pa为 大气压力.本文在处理实验数据过程中,采用式(2) 计算了4种叶栅沿叶高的扩压因子分布. 4结果与讨论 图2所示为冲角改变时4种叶栅扩压因子沿叶 高的分布情况.由图2可见,在零冲角时,后掠叶栅 的扩压因子在整个叶高范围内都大于直叶栅,而前 掠和弯掠叶栅的扩压因子在距两端壁20%叶高内 小于直叶栅,前掠叶栅在20%叶高位置超过了直叶 栅,在中部又有所减小;弯掠叶栅由端壁至中径的扩 压因子逐渐增大并最终在中径处大于直叶栅.冲角 变化对直叶栅的扩压因子影响不大,其扩压因子在 全叶高变化较小.冲角由负至正变化时,除后掠叶 栅外,其余3种叶栅在相同叶高位置的扩压因子都 有所减小,叶片根部与中径处扩压因子的差值也随 冲角的增加而逐渐增大,叶片中径附近扩压因子变 化平缓的范围也由20%,80%叶高逐渐缩小至 40%,60%叶高.在+5o冲角时,全叶高扩压因子 基本呈平滑曲线分布.而后掠叶栅的扩压因子在全 叶高表现出与其余3种叶栅截然不同的变化趋势: 在正冲角时,叶片两端30%叶高范围内的扩压因子 迅速增大并超过中径处的扩压因子,且两端部20% 叶高范围内扩压因子接近于压气机平面叶栅的允许 负荷极限值. 通常采用扩压因子作为叶片的负荷参数,它的 采用能给出一个考虑升力系数或其他参数对压气机 叶栅来说更好的损失预示方法,也是比采用附面层 方法更可靠的分析压气机叶栅损失的方法l7J.冲角 变化时,叶栅扩压因子的变化与叶片负荷和叶栅出 口的能量损失分布的改变密切相关.图3给出了零 冲角时4种叶栅出口能量损失系数等值线的分布. 与直,后掠叶栅相比,前掠和弯掠叶栅两端壁附近的 能量损失分布较为平缓,在径向能量损失的分布也 很均匀,而弯掠叶栅在端部的损失分布范围最小;尽 管弯掠叶栅中径处损失分布范围没有明显扩大,但 其能量损失系数值却较大.在对应着吸力面角区的 位置,没有出现直,后掠叶栅中损失的过度集中并向 主流区扩展的趋势.由损失分布等值线来看,前掠 叶栅在20%叶高位置的损失趋于集中,这也表明前 掠叶栅迁移端部低能流体的展向压力梯度没有像弯 掠叶栅那样一直持续到中径处,因而二者的扩压因 子就表现为前掠叶栅由端部起逐渐增大后又逐渐减 小,而弯掠叶栅的扩压因子却持续增大至中径处(见 图2).结合4种叶栅扩压因子在零冲角时的分布, 较小的扩压因子对应着较小的能量损失分布.由 此,弯掠叶栅根部附近的扩压因子在3个冲角下都 为最小,能量损失值及分布范围也较小.图4所示 为4种叶栅出口在冲角变化时节距平均能量损失系 数沿叶高的分布.由图4可见,随着冲角由负至正 ? 1l8?热能动力工程2005芷 . 冲. - 一 一娜B . ' -\ 图2巾角变化对扩压因子沿叶高分布的影响 图3零冲角时能量损失系数等值线分布(z/B=1.414) 图4节距平均能量损失系数沿叶高的分布(z/B=1.414) 增大,4种叶栅两端部附近的高损失分布范围也逐 渐由20%叶高向中径处扩展,在+5.冲角时高损失 分布范围已达到约33%叶高位置,其中后掠叶栅损 失增加的程度最为明显.相比于直叶栅,前掠,弯掠 叶栅的节距平均能量损失系数在这一叶高范围的变 化较小,尤其是弯掠叶栅,其损失系数在此叶高范围 内最小,而且在叶高方向的分布也始终较为平缓.3 种叶栅节距平均能量损失系数在两端部附近的分布 与同样叶高范围内扩压因子的分布是一致的.同样 在+5.冲角时,后掠叶栅35%II-{高范围内损失的迅 速增大也对应着扩压因子的增大,并明显超过了其 中径处的扩压冈子. 但足,前掠和弯掠叶栅中径处能量损失的大小 及分布趋势与扩压因子的变化并不一致.也就足 第2期陈浮,等:冲角对不同掠型压气机叶栅扩压因子的影响-119? 图5不同叶高处叶片表面静压系数沿轴向的分布 说,图3和图4中前掠,弯掠叶栅中径处能量损失的 增加并没有对应着扩压因子在该位置的显着增大. 对此结合叶片表面的负荷分布进行了分析,叶片吸 力面和压力面上静压系数包围的面积反映了相应叶 高位置处的叶片负荷的大小.扩压因子的定义表征 了叶栅轴向逆压梯度的大小,而逆压梯度是叶片表 面气流减速甚至分离的主要原因.由图5叶片表面 静压系数分布可见,在所有冲角下前掠,弯掠叶栅根 部附近的逆压梯度都明显小于直和后掠叶栅,同时 两种叶栅在此位置的扩压因子也较小.在中径处, 前掠,弯掠叶栅吸力面最负压力点前移造成其逆压 梯度相应延长,叶片吸力面上附面层的迅速增厚以 及由叶栅两端部迁移来的低能流体使得中径附近能 量损失增加.由叶片负荷来看,这两种叶片的负荷 仍稍小于其他两种叶栅,即其逆压梯度的延长并没 有引起负压峰值与叶片前,后缘之间静压差的增大, 因而在此位置表现出来的扩压因子仍然较小.因 此,吸力面逆压梯度的延长与较小的叶片负荷综合 作用的结果是前掠,弯掠叶栅中径处能量损失增加 而扩压因子没有相应增大. 5结论 (1)冲角由负至正增大时,4种叶栅在相同叶高 位置的扩压因子有所减小,但后掠叶栅在+5.冲角 时由于根部流动恶化直至分离而迅速增大; (2)前掠和弯掠叶栅的扩压因子在叶片两端部 小于直叶栅,结合叶栅出口损失分布来看这两种叶 栅改善了根部流动,在很大程度上能够提高叶栅的 失速裕度; (3)前掠和弯掠叶栅中径处损失的增大并没有 伴随着扩压因子的增大,吸力面逆压梯度延长和中 径处较小的叶片负荷是主要原因. 参考文献: [1]王仲奇,秦仁.透平机械原理[M].北京:机械工业版社, 1985. 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