翼刀技术控制压气机叶栅二次流的研究进展

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1、中国交通研究与探索(2005)一第六声全国交通运输领域青年学求会议论文毒t。一。一叫口⋯d十r6一舻n．j、-’。一+一‘7★^“”《4、p·⋯8‘，巾*。一#一十一缸矿一埘。忡翼刀技术控制压电机叶栅二；欠流的研究避展·钟兢军，田夫(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001)摘要：翼刀技术是附面层控制技术的一种，主要是通过有效阻断端壁附面层或叶片吸力面附面层近端壁处低能流体的横向或径向迁移以及翼刀涡的影响来控制二次流。国外对此项研究起步较早，重点集中在对汽轮机叶栅的实验研究上。国内近些年来的研究主要集中在压气机叶栅中应用翼刀技术的研究工作，取得了有益的研究进展，为翼刀

2、技术在压气机叶栅中的应用奠定了基础。关键词：翼刀技术；压气机叶栅；二次流；研究进展0前言众所周知，提高叶轮机械的效率，需要合理利用和控制叶栅内二次流的产生和发展，降低二次流损失。端壁附面层(由来流附面层和端壁新生附面层组成)和叶面附面层里不平衡的压力梯度场，是产生二次流的根本原因【lJ。如要减小二次流损失，只要削弱和改善E述两种因素中任一因素，就能取得明显的效果。20世纪60年代起，各国学者就进行了大量的控制叶栅内气体流动、减少能量损失方法的理论分忻与实验研究，提出了改变通流部分八何尺寸、改善做功量分布、可控涡设计方法等，针对压气机还有附面层控制法、机匣处理、端弯和端削技术等12

3、J。翼刀控制技术作为附面层控制技术的一种，通过在叶栅端壁E加装翼刀来抑制马蹄涡的压力面分支与通道涡的汇合以及端壁附面层的卷起从而控制二次流的发展。早在20世纪70年代，Pr啪per就曾表明在轴流汽轮机叶棚端壁加装附面层翼刀可能降低损失【3】。80年代，TatsuoKawai和ShujiShinold[4-9]等人也曾对汽轮机叶栅中使用端壁翼刀进行二次流控制进行了研究，在寻求翼刀最佳尺寸和最佳位置以及端壁翼刀和吸力面翼刀的最佳组合方面做出过不懈的努力，发现翼刀因为抑制了马蹄涡的压力面分支从而削弱了二次流，二次流损失降低了22％，最佳翼刀是具有最小临界高度的翼刀。随后有关学者又研究了

4、流向翼刀、横向翼刀【11】以及吸力面蒯％壁组合翼刀等控制二次流的机理，得到了—些有益的结论。但在国内，这方面的研究还很少。由于翼刀自身参数以及侧面形状变换、顺序排列的灵活性，从长远来看，翼刀技术的研究前景相当可观。然而，在透平叶栅中可降低叶栅总损失、减小二次流损失的吸力面和端壁翼刀技术是否适合应用在压气机叶栅中，还有大量的工作需要开展。本文将对几十年来翼刀技术控制叶栅=次流的研究现状加以综述和展望，为进一步开展这方面的研究工作提供良好的基础。1“翼刀"概念的引出及其特点所谓翼刀技术，是指在每一叶间流道的内外端壁匕设置—个或几

5、个障碍物，或者把这些障碍物装在靠近端壁的叶片体上，做成

6、附面层隔片形式的障碍物，以抑制端壁横向流动来达到控制二次流的目的，这些障碍物即为“翼刀”，英译为“Fence”，这种附面层控制技术即为翼刀技术。常规叶栅中，马蹄涡前缘分离形成匪力面分支印和吸力面分支胁而进人流道，压力面分支在横向压力梯度作用下向吸力面角区方向发展，并汇合横向流动形成强度较大自勺通道涡，使损失增加，如图3所示。Sieverding曾对汽轮机叶栅中的二次流结构进行了全面的回顾【141。Jabbari[151，Langston[161，Yamamoto[17】(嘲，Sharma[191和‘‘国家自然科学基金(50076009)和全国优秀博士学位论文作者专项基金资助项目(

7、199932)。2005·8中国·大连1156第五部分：戗运工具设计制造及运用工程’一，一■-硝妒■∞译斟^■“神砷一。，甘Ⅳ群，衅。#dP"d一目一’■‘p+，●7∥，#_{一●，疆。撑·t∥”’。·J一。hGoldste一等人也对此进行了大量的实验研究。翼刀技术的主要特点就在于能有效阻断端壁附面层或叶片吸力面附面层近端壁处低能流体的横向迁移和径向迁移，从而对二次流进行控制。端壁翼刀可以阻断Z勿与通道涡的汇合，来削弱端壁横向流动；而吸力面翼刀则是禹过阻断端壁附面层和叶片吸力面附面层近端壁处低能流体的径向迁移，来降低损失。而在这两种阳断过程的同时，也伴随着反向翼刀涡的产生，很大程

8、度匕影响了二次流的发展。2翼刀技术在国外的研究现状国外对翼刀技术的研究始于20世纪70年代，但研究的重点主要集中在理论探讨和理论分析E。自80年代以来，才开始了大规模的实验研究，其中以Kawait4-母!、chun9101和L胱【13】等人的实验研究工作最具成效，相应的数值模拟工作也仅仅始于90年代后期，并目这些研究大多是针对汽轮机叶栅，而对压气机叶栅中采用翼刀技术的研究很少。2．1端壁翼刀加装在端壁不同周向位置处的翼刀，都不同程度E阻断了自压力面至吸力面的横向流动，对叶鼢端壁附