高負(fù)荷吸附式壓氣機(jī)葉柵開槽方案實(shí)驗(yàn)研究1

1、高負(fù)荷吸附式壓氣機(jī)葉柵開槽方案實(shí)驗(yàn)研究1陳紹文，郭爽，陳浮，王仲奇 哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 (150001) E-mail：cswemailhit.摘要：在低速條件下對(duì)三種吸氣槽方案的高負(fù)荷吸附式壓氣機(jī)葉柵進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研 究。通過墨跡流場顯示法對(duì)葉柵壁面流場進(jìn)行了測量，利用五孔氣動(dòng)探針對(duì)葉柵出口截面進(jìn)行了掃掠，并對(duì)不同葉高的型面靜壓進(jìn)行了采集，詳細(xì)分析了全葉高吸氣方式和兩種局部吸氣方式對(duì)葉柵流場結(jié)構(gòu)和負(fù)荷能力的影響。結(jié)果說明，采用吸力面兩端吸氣對(duì)抑制角區(qū)別離 流動(dòng)、減弱通道渦強(qiáng)度和尺度、提高葉柵內(nèi)流動(dòng)性能的效果要優(yōu)于其它兩種方式，積聚在角 區(qū)的低能流體由于較大的吸氣量而被

2、大量吸除是性能改善的關(guān)鍵。 關(guān)鍵詞：高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵; 局部附面層吸除; 吸氣位置; 吸氣量; 實(shí)驗(yàn)研究 中圖分類號(hào)：V2311引言現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)開展要求不斷增加級(jí)負(fù)荷來減少壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)，因此研究高壓 比、高效率，有適當(dāng)?shù)拇裨６鹊木o湊型先進(jìn)壓氣機(jī)一直是國內(nèi)外學(xué)者工作的重點(diǎn)。加大氣 體在葉柵中的折轉(zhuǎn)能力可以有效提高級(jí)壓比或負(fù)荷，而這將必然導(dǎo)致葉柵內(nèi)三維別離加劇， 降低壓氣機(jī)氣動(dòng)性能。附面層吸除作為一種能有效延緩或抑制附面層別離、提高部件氣動(dòng)性 能的主動(dòng)流動(dòng)控制方法，其可行性和應(yīng)用前景得到了廣闊研究者的認(rèn)可。MIT的研究結(jié)果1-4 驗(yàn)證了附面層低能流體被吸除后能夠有效延緩別離，增強(qiáng)柵內(nèi)氣流的

3、折轉(zhuǎn)能力，并使得葉柵 通流能力以及擴(kuò)壓能力顯著提升，同時(shí)提高壓氣機(jī)的效率。Merchant5在具有高負(fù)荷葉型的 壓氣機(jī)中采用附面層抽吸技術(shù)，試驗(yàn)在附面層開始別離的位置進(jìn)行抽吸，以獲取更高的單級(jí) 壓比，結(jié)果顯示，當(dāng)抽吸量為進(jìn)口總流量的3.5%時(shí)，級(jí)壓比到達(dá)3.0。他同時(shí)指出，吸氣量 以及吸氣位置的選擇對(duì)于壓氣機(jī)中采用附面層吸除技術(shù)的設(shè)計(jì)具有重要意義。早在1965年，Peacock6就在壓氣機(jī)葉柵中采用附面層吸除來控制角區(qū)的三維別離，結(jié) 果顯示當(dāng)吸氣量為0.6%進(jìn)口流量時(shí)能有效抑制三維別離，但由于當(dāng)時(shí)研究人員對(duì)葉柵內(nèi)三 維別離的認(rèn)識(shí)還不夠深入，因此并未對(duì)其機(jī)理進(jìn)行深入分析和討論。隨著對(duì)葉柵內(nèi)，尤其

4、是 角區(qū)內(nèi)三維別離流動(dòng)的了解不斷深入，詳細(xì)研究附面層吸除流動(dòng)控制方法對(duì)抑制三維別離流 動(dòng)的機(jī)理提供了條件。Gbadebo7對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)三維別離流動(dòng)進(jìn)行了細(xì)致地研究，指出了角區(qū) 三維別離的特點(diǎn)，隨后在文獻(xiàn)8中采用附面層吸除方法對(duì)來控制三維別離流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和 數(shù)值研究，通過對(duì)葉柵壁面流譜和氣動(dòng)參數(shù)的分析和討論，研究了附面層吸除抑制三維別離 的機(jī)理，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出相對(duì)較少。國內(nèi)在這方面的研究剛剛起步，哈工大的宋彥萍等9、 北航的李秋實(shí)等10以及中科院工程熱物理研究所的牛玉川等11都對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了大量的 研究，其中牛玉川等11人在低速條件下，對(duì)具有22o折轉(zhuǎn)角的壓氣機(jī)平面葉柵氣動(dòng)性能進(jìn)行 了測試，實(shí)

5、驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用附面層抽吸對(duì)壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能的改善，指出了選擇適宜吸 氣位置和吸氣量的重要性，但由于葉柵負(fù)荷較低，改善效果并不明顯，且無法驗(yàn)證在高負(fù)荷 壓氣機(jī)中采用附面層抽吸的效果和特點(diǎn)。由此可見，高負(fù)荷壓氣機(jī)附面層吸除技術(shù)的相關(guān)機(jī) 理研究還有待進(jìn)一步深入開展。1本課題得到高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金工程編號(hào)：20060213007的資助。本文對(duì)全葉高開槽、兩端局部開槽和葉展中部局部開槽三種開槽方式對(duì)葉柵氣動(dòng)性能影響進(jìn)行深入研究，分析了葉柵壁面和流道內(nèi)的流動(dòng)情況，以探討開槽方式對(duì)附面層吸除效果 的影響。2實(shí)驗(yàn)方法及方案實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)推進(jìn)理論與技術(shù)研究所低速平面葉柵風(fēng)洞上進(jìn)行，進(jìn)口馬赫

6、數(shù)為0.2，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。整個(gè)系統(tǒng)是常規(guī)的，無附面層抽吸功能，實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口速度連續(xù)可 調(diào)。實(shí)驗(yàn)原型葉片ORI為自主設(shè)計(jì)的具有高負(fù)荷的壓氣機(jī)葉片，葉片全高160mm，葉柵 節(jié)距94mm，葉型折轉(zhuǎn)角到達(dá)60o。實(shí)驗(yàn)葉柵由7個(gè)葉片組成，其中4-6號(hào)葉片為空心開槽葉片， 可以自由更換和拆卸，圖2為葉柵示意圖。實(shí)驗(yàn)在葉柵吸力面上距離前緣60%軸向弦長位置 處進(jìn)行開槽，開槽方式為全葉高開槽方案A、兩端局部開槽方案B和葉展中部局部開 槽方案C三種，槽寬2.0mm，葉片開槽示意圖如圖3所示，在每個(gè)位置分別采取三個(gè)不同 的吸氣量包括葉柵進(jìn)口流量的0.5%，1.0%，1.5%進(jìn)行附面層抽吸，抽吸系統(tǒng)圖4由 真空泵、流量計(jì)、空心葉柵和管路組成，進(jìn)行吸除流量測量的流量計(jì)為渦街流量計(jì)，精度可 到達(dá)0.5%。圖1 低速風(fēng)洞示意圖圖2 實(shí)驗(yàn)葉柵示意圖Fig1 Schematic diagram of wind tunnel圖3 葉片開槽示意圖Fig3 Schematic diagram o