攻角对20叶片流场的影响

攻角对20叶片流场的影响

为了提高叶片机械的效率，叶片通过运动的两部分运动损失的产生和发展，应该得到叶片输出的二次流的损失。为了控制叶片表面的能量损失，我们进行了大量的理论分析和实验研究，并提出了改变闭合流的几何参数（预测送流元件和子日面形成法）。为了提高功能分布（可控漩涡型）和叶片弯曲的措施。以往的理论和实验结果表明，正曲线叶片的应用不仅可以减少圆形叶片的径向和向后流，而且可以提高设计和非设计条件下的级效率。二次流理论和实验结果表明，当粘性流通过叶网时，在叶网的根部和顶部产生了复杂的漩涡系统，主要由通道漩涡和马蹄漩涡组成。这些漩涡系统不仅会消耗能量，还会在吸收表面和端壁的吸能面中分离边界层。在大倾角下，由于rp角的增大，萧系数的规模增加，分离流量增加，端壁的二次流量迅速增加。叶片斜率和弯曲对具有不同攻击角度的矩形涡旋叶片的二次流量损失的影响详细研究了文献[1.3]。然而，到目前为止，还没有关于高马哈数条件下叶片在大倾角内的应用的系统数值模拟和实验报告。通过计算高马哈希数条件下20个叶片的大倾角内流场，讨论了叶片曲线的结构和损失的影响。结果表明，在大倾角范围内，叶片通过大倾角范围内的大弯曲叶片可以降低叶片输出流中的通道漩涡强度，并且假定两端壁的固定结构。正曲线叶片的能量损失越大，叶片的作用就越大。1计算参数选取计算方法采用具有TVD性质的三阶精度GODUNOV格式,湍流模型为B-L代数模型,具体方程及离散格式参见文献.文献通过与实验的对比验证了该计算程序可以很好地模拟高速及低速叶栅流场中的黏性现象.在本文计算中采用的叶型主要几何参数如表1所示.为了分析不同攻角下涡轮静叶栅中叶片弯曲对流场结构和损失的影响,作者对直叶片和正弯20叶片分别计算了7种方案,即攻角分别为0±10±20及±30.对于这14种计算方案除进口周向气流角按上述规律给定以外,给定进口总压为1.018105Pa,总温为433K,进口径向气流角为0,出口给定中径处背压为0.591105Pa.14种方案均采用了相同的网格分布原则.轴向周向及径向的计算站数均为824949.2弯叶片与正弯20叶片间的相互作用图1及图2给出了在攻角为-300及30情况下,直叶片和正弯20叶片近根部S1流面极限流线.从图中可以看出,叶片弯曲后对马蹄涡系所产生的影响.由图中鞍点的变化可得知随着叶片攻角的增加及叶片弯曲,鞍点生成位置向前,向叶栅流道内偏移.由于马蹄涡的生成与发展受来流附面层的厚度流向逆压梯度及端壁法向的滞止压力梯度的影响,叶片正弯后在前缘附近附面层将被加厚,前缘附近的流向逆压梯度及逆压梯度影响区都将变大.因此,弯叶片的马蹄涡起始分离点将向前向流道中部偏移.而随着攻角的增加,来流方向发生变化,使得马蹄涡起始分离点将向前向流道中部偏移.从图1及图2还可看出不同攻角条件下,弯叶片对通道涡生成位置的影响.通常,通道涡生成位置处于马蹄涡压力面分支与吸力面的交点附近.叶片正弯后,由于马蹄涡起始分离点及马蹄涡两个分支的分离线位置的前移,促使马蹄涡压力面分支提早到达吸力面,因此,在正弯叶片内通道涡将提早发生.攻角对于通道涡生成位置有着同样的影响,即随着攻角的增大,通道涡的生成位置更靠前.图3及图4给出了在攻角为-300及30情况下,直叶片和正弯20叶片近吸力面处的极限流线.众所周知,叶片正弯后将建立起由端部指向叶片中部的压力梯度,即端部压力将有所升高,这将促使通道涡抬升.由图3及图4可以看出叶片正弯后,尤其是在攻角为30情况下,通道涡分离线的位置抬高.而攻角的变化对于直叶片与正弯20叶片的影响是相同的,即随着攻角的增加,通道涡分离线位置抬高并向叶片中部移动,而且攻角越大,这种变化趋势就越明显.图5及图6给出在攻角为-300及30情况下,直叶片和正弯20叶片距前缘89%轴向弦长位置处吸力面根部附近S3截面涡量放大图,其中涡量的流向分量由二次流速度矢量的有限差分求得.各云图取同样的放大比例及同样的分布原则.由图可以看出由马蹄涡的压力面分支形成的通道涡在0攻角情况下在直叶片中形成,当攻角由0增加至30时,通道涡核心向叶栅中部移动,旋涡区扩展了近两倍.由于在保持端壁进口附面层厚度和湍流度不变的情况下,不同方案间通道涡位置和尺度的差别依赖于叶片负荷的大小,而正攻角下,叶片负荷增大,流道内横向压力梯度很高,引起剧烈的端部二次流.当攻角由0向负攻角变化时,通道涡向端壁靠近.由于负攻角减小了叶片负荷,流道内横向压力梯度减小,通道涡尺度较小.在相同的攻角情况下,弯叶片流道中的通道涡与直叶片相比尺度减小强度减弱.图7及图8给出与图5及图6相应的二次流矢量及损失分布云图.从图中可以看到通道涡的尺度及损失随着攻角的增大而增大,而采用弯叶片在所计算的攻角范围内涡的尺度及损失均有所减小.图9给出了在攻角为0和30情况下,直叶片与正弯20叶片出口周向质量平均能量损失系数沿叶高的分布(图中实线为直叶片,虚线为弯叶片).从图中可以明显看出,采用弯叶片后两端壁二次流损失明显减小,并且攻角越大能量损失系数减小得越多,而中部能量损失系数增加不大.由于正攻角对于直叶片与弯叶片的影响是当攻角增加时横向压力梯度增加,这导致了两端壁边界层中横向二次流强度的增加,因此在端部的能量损失系数增加.图10给出了直叶片与正弯20叶片出口质量平均能量损失系数随攻角的变化情况.从图中可以看出,攻角越大,采用弯叶片对于二次流损失减少的影响越强,即弯叶片具有更好的变工况特性.由图还可看出,对于直叶片在攻角为-10时损失最小,而正弯20叶片在攻角为10时损失最小,为使变工况条件下的损失最小,在应用弯叶片时还应选择最佳弯角.3非设计工况性能a.在较大攻角范围内,应用弯叶片可以减少涡轮静叶栅中的总体能量损失,且正攻角越大,应用弯叶片控制二次流的作用越大,即弯叶片具有更好的非设计工况性能.b.在较大攻角范围内,叶片正弯后马蹄涡起始分离点的位置向前向流道中间偏