风机气垫防磨叶片表面压力实验研究

作者提出了风机气垫防磨思想,并在文献[1]中对风机气垫叶栅的流场进行了实验研究和数值模 拟[1],但并没有研究叶片表面形成防磨气垫后对叶片气动特性的影响。本文对单相气体流场中的新型 气垫防磨叶片,在不同开孔方向、不同射流速度的情况下测量了叶片的表面压力,其目的在于分析不同 开孔方向、不同射流速度对气垫防磨叶片表面压力的影响。

1　实验设备与模型

实验设备如图1所示,包括流动系统和射 流发生系统。流动系统由风机、小型直流式风 洞、实验段和排气段组成,空心翼型叶片安装 在实验段内。实验段为220×320×430的矩 形有机玻璃方筒,侧面开有与叶片外形完全相 同的孔,以将叶片刚好插入。并在实验段上表 面沿主流方向开槽,以便将热膜风速仪的探头 和静压管插入流场。射流发生系统由空气压 缩机、压力调节器和一定的管路组成,空压机 通过一定的管路及压力调节器与空心叶片相 连,以提供实验中所需的射流。

实验用空心翼型叶片表面均匀开有20×11个孔,孔径为1 mm,开孔方向分别为与水平方向成45° 和90°。空心翼型叶片的设计参数如表1所示,其中X为距机翼头部的水平距离;L为叶片弦长;Dmax 为机翼最大厚度;D为任一断面的机翼厚度。

2　实验方法

实验固定主流速度,改变叶片小孔射流速度。实验叶片固定在零冲角位置,实验中用热膜风速仪测 量主流速度和叶片小孔射流速度,用静压管测量了沿叶片型线方向的表面压力。实验中主流速度为10 m/s,入口雷诺数为1.73×105,射流速度分别为10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s,空心叶片开孔方向分别 与水平成45°和90°。由于所选叶片是对称叶型、叶片上下表面的压力分布完全相同,因此实验时只测量 上表面的压力。实验叶片沿型线布置28个测点,叶片头部压力梯度较大,布置测点较密,前缘点至叶片最 大厚度处两相邻测点沿弦向的距离为0.5 cm,叶片最大厚度至尾缘点处两相邻测点沿弦向距离为1 cm。 实验中用压力系数Cp表示叶片表面各测点实际测得的压力,并绘制成相应的叶片表面压力分布 曲线。Cp定义为[2]:

公式中p为叶片表面压力;p∞为未受扰动来流压力;ρ为空气密度; V∞为来流速度。

3　实验结果及分析

(1)垂直射流

图2~4是气垫叶片射流垂直入射时的压力系数曲线图。由图2可以看出,垂直射流速度为10 m/s 时,叶片表面压力已出现波动,其它条件不变,继续增加射流速度至15 m/s、20 m/s、2 m/s,压力系数的 波动随射流速度的增加逐渐加剧,见图3、图4、图5。 由以上实验结果可以看出,当速度比(射流与主流速度之比)R≥1时,射流对主流场已产生一定的 干扰,此时垂直射流对主流的阻碍作用较大,使主流速度降低,表面压力升高,另一方面,主气流对射流 的横向吹扫作用造成射流沿主气方向的两侧补气条件不同,射流的两侧产生压力差,射流在压力差作用 下发生弯曲[3],主气流对射流的这种“压迫”作用损失了射流的一部分原动力(即动量),这样,射流的速 度降低,进一步提高叶片的表面压力。但垂直射流时,在射流上游距离射流较近的位置由于垂直射流与 主气流的相互阻碍作用较强,表面压力升高,又因为垂直射流相对不易弯曲[4],射流速度的水平分量较 小,射流的顺流贯穿段较短,在射流下游距离射流孔较远又没有到达邻近射流孔的位置,气垫不连续,气 垫厚度变薄,气垫对主气流的“支撑”作用减弱,叶片的表面压力有所降低,因而气垫叶片射流垂直入射 时压力系数波动较大,曲线的平滑性不是很好。比较图2~5可以看出,速度比R越大,叶片的表面压 力越不稳定。