扩压叶栅角区马蹄涡的实验研究

　　1 前言

　　在叶轮机械内部流动中,环壁附面层遇到叶片的阻碍产生复杂的马蹄涡系,马蹄涡在角区内可能发展成为较强的流向涡,强烈的影响角区流动特性。文献[1,2]给出了来流为层流和紊流情况下马蹄涡流动特征的系统描述,而文献[3]则研究了马蹄涡在角区的发展情况。对实际的叶轮机械叶片和环壁相交角区流动的研究主要集中在对涡轮叶片角区的研究方面[4],有关扩压叶栅叶片前缘马蹄涡的详细实验数据仍然十分缺乏。本文在低速风洞中用三维激光测速系统测量了一大尺寸扩压叶栅叶片前缘区域的流场。

　　2 实验设备、模型及测量系统

　　实验是在低速大尺寸叶栅风洞中完成的，叶片模型弦长1000 mm，展长1000 mm。由一个叶片和上下两块壁板组成两个叶栅通道。叶片上游来流速度为9 m/s，基于弦长的雷诺数为5.4 x 10⁵，附面层厚度为37.9 mm。测量截面位置如图1所示，0截面方向为攻角为0^。时的气流方向。每个截面大小为120 mm x 120 mm，安排了17x 17共289个测量点。测量由三维激光多普勒测速系统完成。分别在入口气流角为0^。和10^。两种条件下完成了相同内容的测量。

　　3 测量结果和讨论

　　3.1 入口气流角为0^。条件下的测.结果

　　在不同展向位置叶栅平面上叶片前缘附近的流场矢量图和流线图(局部放大)如图2所示。以z=lmm处的平面作为极限平面看待，分离鞍点S位于距前缘点12.5 mm处，再附着点R位于距前缘点4 mm处。围绕着叶片的分离线标志着马蹄涡的存在，也可以看到附面层的强烈的扭曲和马蹄涡引起的回流。

　　从流线图中可以看到，在所测量的范围中，流向前缘的气体实际攻角并不是0^。，而且在距壁面不同距离上，气体的实际攻角也不同，表1中列出了根据速度分布得到的距前缘点120 mm处不同叶高位置的气流实际攻角值。可以看到，在距端壁6~10毫米处，气流实际攻角和实验条件0^。有一个偏差的峰值。从变化趋势看，在离壁面较远的叶栅平面上，此偏差已降到较小值，说明这种变化的影响范围基本上在测量范围以内。

　　在距壁面较近距离范围内，气流出现负攻角表明存在较强的二次流，垂直于当地流线方向的压力梯度作用产生的流线偏斜清楚的表明了叶片前缘对来流附面层的扭曲。来流在遇到叶片前缘的阻碍后分别沿叶片背弧和内弧流入通道，由于叶片弯曲的几何形状作用，气流在叶背加速，这使得叶背和叶盆产生了压力差。在边界层以外的区域，气流绕叶背流动产生的离心力平衡了叶背和叶盆之间的压差。而附面层内由于粘性作用气流流速较慢，所产生的离心力不足以平衡叶背和叶盆之间的压差，因此在压力的作用下流体开始由叶盆向叶背运动，这种运动的影响一直延伸到叶栅入口以前，造成了近壁区域(事实上就是附面层的范围)气流的负攻角。