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弯曲叶片透平叶栅和单级轴流风机气动特性的实验和数值模拟研究

陈海生  
【摘要】: 本文采用实验和数值模拟的方法,分别对弯曲叶片透平叶栅和单级子午加速轴流风机的三维流场进行了研究。实验分别在中国科学院工程热物理所平面叶栅实验台和轴流风机实验台上进行,数值模拟采用三维粘性数值模拟软件Fine/Turbo。本文共分两个部分: 第一部分报告了叶片弯曲对低展弦比透平叶栅流场影响的研究结果。实验测量了一典型透平静叶型常规直叶片叶栅和叶片弯曲角(端部倾斜角)分别为-20°、-10°、+10°、+20°及+30°的弯曲叶片叶栅出口流场和叶片表面静压分布。并对上述六套叶栅三维粘性流场进行了数值模拟。详细对比了各叶栅出口截面流场和壁面静压分布,在此基础上分析了叶片弯曲对叶片表面静压分布及叶片负荷的影响,以及近壁流谱,流道中各主要旋涡和损失发展的规律。实验结果和数值模拟结果均表明,对于该叶栅,叶片弯曲虽然在叶片表面建立了“C”型压力分布,但并没有提高叶栅流场的气动性能。随着叶片正弯曲角的增大:叶栅总损失增加;叶栅出口气流角沿叶高剧烈变化;叶栅出口尾缘涡的强度和尺度明显增大,而叶栅出口通道涡的强度和尺度变化都不大;叶栅中部和端部二次流均增强,总平均的二次流动能增大。对于该叶栅,叶片反弯曲亦不能提高叶栅流场的气动性能,直叶片叶栅总损失最小。 第二部分报告了单级带后置导叶子午加速轴流风机性能和流场的实验和数值模拟研究结果。实验测量了在设计转速下该风机全工作范围的性能参数。数值模拟共进行了11个算例,包括不同几何模型(叶片约化,轮毂有、无间隙),不同进口条件和不同流量等。详细分析了转、静子间轮毂间隙和进口附面层对风机级性能和流场细节的影响。结果表明,有进口附面层和没有轮毂间隙模型的风机性能最接近设计参数,而有进口附面层和有轮毂间隙的模型的计算结果最接近实验值。


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