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弯曲静叶时序效应对压气机性能的影响




卷第 年
1

1


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热 物 理
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弯 曲静 叶时 序效 应对 压 气机 性 能 的影 响
陈 浮 顾忠华 谢海逸 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


5 1

00

1 0
两 列 静 叶 时 序 位 置 小 同 导致 胀





本 文 实 验 研 究 了 弯 曲静叶 栅时 序效应 对 某 低速 轴流 压 气 机 性 能影 响
,

结 果 表明
4

,

气 机效 率发 生显 著变 化
,

且 变 化 幅度 随流 量增加 而 加 大
住6%
;

;

设计 点处
。 18

,

时 序位 置 为
8

/18 和

12
.

8 相 对节 距 时 具 有 最低 /1





_

高 压 气机 效 率 差 值约 为

最 大流 量处

,

时序 位置 为

/



/ 1 8 时 效率 差值 约 为

2 7%

出 口 流场测 鼠 显 小

,

[

寸 序 游静 叶尾 迹 被输 运 到下 游 叶列 流道 中不 同周 向位 置 并 与该 列 叶 栅 不 同 区 域 低能 流 体 的掺 混是 导致 压 气机 性 能 随 静 叶 l了
位 置 不 同而 变化 的 主 要原 因


关键 词

压 气 机 ; 弯 曲静 叶 ; 时 序效 应 ; 尾迹 干 涉
:

中图分 类号

T K 47 47

文 献 标识 码

:

A

文章编 号

:

0 2 5 3一 2 3 1 X

( 2 0 0 7 ) 0 2一 0 0 3 7



0 3

EFF E C T S O F

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1





下 游 叶片 边 界层 产 生 的 非 定 常 相 互 干 扰 可 能 是 时 序

效 应 引 起 压 气 机气 动性 能 变化 的 主 要 原 因



因此
、 。

,

利 用 叶 片 弯 曲控 制 多级 压 气机 静 叶栅 吸 力 面 角
区 失 速 以 有效 提 高效 率 和 压 比 的 压 气 机 设 计 方 法 已

探 索 时 序 效应控 制 弯 曲 叶 列 间 非 定 常 干 扰 效 应



高气 动 性 能 的物 理 机 制 成 为本 研 究领域 的 新 课题
重 复 级 压 气 机总 性 能 及 流场 结 构 的影 响
,

经 被 各 国 科研 人 员 所 认 可

] [ l

,

并 取 得 了 良好效 果



本 文 实验 研 究 了 弯 曲静 叶 栅 时序 效应 对 某 低速 利 用 气动
,

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] [ z

的 实验 研 究 表 明 静 叶弯 曲 在 端壁 区
2%


域 产 生 的 径 向气 动 分 力 可 显 著减弱 角 区 分 离及 其径

8 个 不 同 时序 位 置 时 的 探 针测 量 了两 列 静 叶位 于 1

向扩 散

,

三 级 压 气 机 效 率提 高

另 一方 面

,



压 气 机 时 均 总 性 能 及 出 口 流场 气动 参 数分 布情 况

过 改 变 叶 轮 机 械 内 部 同名 叶 栅 周 向 相对位 置 (即 时

研 究 重 点在 于 确 定 不 同 工 况 下 压 气 机 效 率 及 压 比变

序 效 应 ) 以 控 制 非 定常 干 扰 效 应 提 高 机组 效 率 也 G u n d y B 盯 le t 同 发现 正 成 为 当 今 的 研 究 热 点 问题








上 游 尾 迹 对下 游 叶 栅 内流 动 干 涉情 况 等 与静 叶
,



时序 位 置 的 对 应 关 系
部流 动状 况 的机 理


探 讨 时 序 效 应 改善 压 气 机 内

静 叶 相 对 位置 变 化 可 使 一 台 级 压 气 机 效 率改 变 0 5、 0 8% r n n ] 认 为改 变 叶 栅 相 对 位 置 可 以提 [ a e s
2 5
. .

.



高机组 运 行 性 能 并 减少 叶 型 的 非 定常气 动 力负 荷



2

实验 装 置 及 数据 处 理 方 法
实验 在 哈 尔 滨 工 业 大 学 低 速 重 复 级 压 气 机 实验

文 献 !5 」 则指 出多 级 压 气 机流 动 中上 游 叶 栅 尾 迹 与
收 稿 日 期 2 0 0 5 1 2 0 2 ; 修 订 日期 2 0 0 6 1 0 o 基金项 目 国 家 自然科 学基 金 资助 项 目 ( N
:

:





:





2 50 2360 20 )
,

作者简 介 陈

:



一 (1 9 7 0

) 男

,

,

辽 宁沈 阳 人

教授

,

博士

,

主 要 从 事 叶轮 机 械 内流动 的 研 究




, ,





物 理






8



n 台上 进 行 见 图 ) 设 计 转速 为 3 0 0 0 / r mi 设 ( 计l点 口 压 比和 流 量分 别 为 1 0 5 和 .8 7 k g s 进 轴 向 速度 /
,

气 机进

出 口 总 压 之 比; 总压 系数 几 定 义 为 测 点


`

,

总 压 表压 值 与压 气机 入 口 动压 之 比



48 m





内 外环 半径 为 20 0 / 1 7 . 5 2 静 叶展 弦 比 为 L 2
s


,



m m
,



300 m m

,

动 叶 中径 处 几 何
1%
,

3

实验 结 果分 析
图 4 为不 同 时序 位置 处 采用 弯 曲静 叶 的 重 复级




6 出气 角 为 3
7 9 . 0



4 1 . 0
,



0 4

9 8 . 0

,

静 叶 中径 处 几 何 角 动


1 为6

3 6 1 . 8 0

相对 间 隙为

静 叶栅

压 气 机 特性 线 分 布 可 见 两 列静 叶 时 序 位 置 不 同 对
压 比 基 本没 有 影 响 而 效 率则发 生 显 著变 化 在 最 大
, ,

,

0 叶 片数 均 为 2



2

为中径处 叶片型 线及不 同静 叶


8 表 示两 列 其 中 功= 0 / 18 和 功= 1 8 / 1 3 一 静 叶位 于 同 周 向位置 图 为 静 叶 非对称 正 弯 曲

时 序位 置 定 义

,

流 量 处 效率 最 大 变化 为
左右
,

.

2 7%

,

设 计 点附 近 为

.0 6 %

而 在 近 喘点 附 近 静 叶 时 序效 应 的 影 响 基 本 消
,

积 叠线 示 意 图

,





根 部 弯 曲角
L。



A

B T



A

B H

分别






原 因在 于


当压 气 机 中的流 动处 于 较佳 状 况 时
,



15

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24

0

,

弯高

L。 。

均为
0
.

10 %

叶高

在 第一
处 (Z /

二 级 静 叶 下 游 离其尾 缘 中 部
. , ,

2 轴 向弦 长 3


B = 0

2 ) 测 量 各级 出 口 气 动参 数分 布 第 二 级 3
、 、 、

(如 设 计 点 最 大流量 点等 ) 上 游 叶 列 尾 迹 对 下 游 流 场 的 轻微 干 涉都 将呈 现 出相对 较 强 的 强 度和 损 失 分 布沿 周 向不 均 化 时 序效 应加 强 ; 当压 气 机 中 流
,

2 5 . 3 5 处沿周 向各 设置 2 静 叶下 游 / z B= 0 15 支 4 孔径 向动压 探针 测量 出 口 总压 静 压 沿轴 向变

动 分 离随流 量减 小 逐 渐 增 强 时
与此 相 比不 占据 主 要 地 位
微弱


,

由于 此 时压 气机 中
,

非定常 流 动 主 体 是 叶栅 中的 流 动分 离 叶 列 间 干 扰
,

化 情况



因 此 作为 控 制 叶列 间 干

扰 手段 的 时序 效应对 压 气机 性 能 的影 响就 变得 较 为

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4

不 同时 序 位置 处 压 气机 特性线 分 布

5

第 一级 动 叶

给 出 了不 同工 况 下 压 气机 效 率 随 时序 位 置


变 化情 况

随 着两 列静 叶周 向相 对 位 置 变 化
,

,

压气



2

静 叶 时序位 置示 意 图

机 效 率也 在 不 断变 化 效率 的 时序 位置
,

存在 具 有 最低
12/ 18




最高压气 机
8
,

设 计 点 和 最 大流量 点 处 的 峰值 效

O 18

率分 别 发 生 在



4 /18

/



/ 1 8 时 序位
不 同工 况
,

这说 明 在 压 气 机 的整 个 运 行 范 围 内
,

/

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BT

下 时 序 效 应 对 压 气 机 性 能 影 响不 仅 体现 在 效 率 变 化
曰 日

吸 面 力

压 面 力

的量级 上

还 存在 最 佳 或最 差 时 序位 置 相 位 差




样 的 静 叶 周 向相对 位 置 变化 在不 同 运 行 状 态 下 对 机
组 性 能 的影响 是 有较 大 差 别 的 因此
, ,

必 须考 虑 综

耐 蒸

3

合机 组 的具 体 工 作状 态 及 运 行 范 围
定常 干 扰

6


优 化 选择 最 佳

时序位 置 区 间 才 能 达 到 应 用 时 序 效应控 制 叶列 间 非 提高 压 气 机 性 能 的 目 的
,


为 设计 工 况 下 压 气 机 第 二 级 出 口 总 压 系数 图 中 的 点 划线 表 示 上 游 叶列 尾 迹


正 弯 曲 静 叶积迭 线

等值线 分 布情 况

对本 列 叶栅 中流 动 的 大 致 干 涉 位 置 文 中效 率


除 了 尾 迹区 和

定义 为 压 气机 滞 止 等墒 烩升 与其 总
r 7

两 端 区 存在 高损 失 区 域 外
置不 同
,

,

还 可 以 发 现 随 着 时序位

耗 功 (根 据扭 距 测 量 值计 算 ) 之 比 ; 压 比

定义 为 压

通 道 中 间 区 域 总 压 系 数 出现 了较 为明 显 的

1


,



浮 等 弯 曲静 叶时 序效应 对 爪 气机 性能 的 影 响

:

变化

即 存 在 一 个 额 外 的损 失 区 域


,

这 表 明上 游 叶
,

到 叶片 表 面 的 附 近

,

效 率达 到最 高 值
,


,

其特 点 就 是
,

列 的 低 能 尾 迹 与 该 区 域 流 体 有掺 混 现 象
压 损 失增 加

并导 致总

第 二 级 静 叶的 尾 迹 亏 损 明 显 加 大
主 流 区 中间 总 压 保 持 了 较 高水 平

尾迹 区 变 宽





= 4 必

/

18



,

在第 二 级 出 口 流道
,


中间
,

时序位 置 继 续 变

出现 了明 显 的附加 高 损 失 区 尤 其 在 上 下 端 壁 处 最
= 为显 著 ; 当 价

化 总压 波 谷

,





重 又 出现

,

并 开 始 向压 力面侧 靠近

8 18

/



,

附加 高 损失 区 有 所 减弱



,

(价=

16 18)



/

有 靠 近 于 吸 力面 侧 的 趋 势 ; 随 时序 位置 继 续变 化
= 2 1 /1 8 时 在功
,

流道 中上
;

下 端 壁 附 近 的额 外高 损
,

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.

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失 区 基 本 消失

,

但 叶片 尾 迹 区 加 大 了 当
= 16 功


即额 外损 失
,

叠 加到 了叶 型 损 失当 中

8 时 /1 失 区 出现 在 流道 中偏 向于 压 力面 侧
.

附加 高损

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.

一 了



7

压 气机 出 口 中径处 总 压 系数 随 静 叶 时序 位 置 变 化

5 1 0

最 大流 量 点
.

4
.




, ,

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.

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5



) 不 同 工 况 下 静 叶 时序 位 置不 同 对 压 气 机 压 比 (l 基 本 没 有 影 响 而 压 气机 效 率 则 发 生 显 著 变 化 其 幅 度随 流量 减 小而 逐 渐 变弱

= 4 / 18 和 价 = 1 2 / 18 时 ( 2 ) 设计 点处 时 序位 置 必 具 有最 低 最 高 压 气 机 效 率 差 值约 为 0 6 % 而最 = 0 18 和 价 = 8 / 1 8 时 效 率差 值 大 流量 处 时 序 位 置 沪 /




效率 随 静 叶 时序 位 置 变化

,

在 近 喘 点 附近 接 近 甭

,

,

.

,

,

约为



2 7%

.



4八 8





8



8

( 3 ) 在压 气 机 运 行 范 围 内 具 有最 低 最 高效 率 的 时序 位 置 与 工 况 有 关 相 同 时 序 位 置在 不 同 运 行 状态 下 对 机 组 性 能 影 响 有较 大 差 别 应 该 根据 具 体
, ,

,



工 作 状态优 化 选 择最 佳 时 序 位 置
,



(4 ) 流 场 测 量 显 示 上 游 静 叶 尾 迹 被输 运 到下 游 叶列 流 道 中不 同周 向位 置 并 与该 列 叶栅 不 同 区 域 低


6
=

16



8

能流 体 的 掺 混 是 导 致 压 气机 性 能 随 静 叶 时 序 位 置 不
同而 变 化 的 主 要 原 因


总 压 系数 等值 线 随 静 叶 时 序 位 置 变 化



7


,




.

给 出 了 设 计 工 况 下 不 同 轴 向位 置 处 压 气 机
,

出 口 中 径 处 总 压 系 数 随 时序 位 置 的变 化 趋势

图中

【 ] 王 仲 奇 苏杰 先 l ! 2 」H
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钟 兢 军 弯扭 叶 片栅 内减 少 能 量 损失 机 : 一 19 9 5 2 理 研 究 的 新 进 展 工 程 热 物理 学报 4 1 5 (2 ) 1 4 7 1
,
.

,

,

曲线 分 布验 证 了 图

6

所 示 的时 序 位 置 改 变 时 上 游 尾


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迹 对 第 二 列 静 叶 栅 中流 动 的 扰 动情 况
位 于 最 低 效 率 的 时序 位 置 帅 =
显的 波谷
,

当上 游 静 叶
,

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出 口 总 压 系数 在 流 道 中 间 略偏 向吸 力 面 侧 出 现 了 明

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这 显 然 表 征 第 一 级 静 叶尾迹 被 输 运
,

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到 了下 游 叶列 流 道 中 央
, ,

造 成 了较 大 的 尾 迹 掺 混 效


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应 气 动损 失 增 加 主 流 区 流 动 恶 化 最 为 严 重 随 第 一 级 静 叶 周 向角度增 加 以 总 压 波 谷
= 尾 迹 逐 渐 向 吸 力 面 侧靠 近 (价 8
,

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为 表 征 的上 游
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1998
.

同 侯 安平

周盛
,

.

轴流 式叶 轮机 时序 效 应 的机 理 探 讨
,

航空

时 撞 击到 第 二 级 静 叶 前缘 附 近

低 能流 体 主 要 耗 散

动 力学 报

200 3

18

(l )

:

197



202


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