无动量亏损尾迹的实验研究

　　0　引　言

　　在压缩机、风机等叶轮机械的流动中,叶片尾缘压力面和吸力面处存在边界层的分离,在尾部形成速度亏损区的尾迹区。尾迹区流动是一种复杂的气动现象,在叶轮机械尤其是多级叶轮机械中很常见,动静叶与尾迹相互作用引起叶轮机械的叶片表面非定常力的脉动,从而引起气动和声学性能的变化,影响叶轮机械的性能。通过控制和改善尾迹区的流动,可以提高叶轮机械的性能,常用的一些控制措施有:抽气和吹气等方法。在翼型尾部吹气是常采用的方式,根据尾迹区的动量亏损沿周向积分值,分为纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹和射流4种尾迹流动特征,无动量亏损尾迹是指控制尾缘吹气使翼型尾迹区的动量亏损沿周向积分值为零。1991年Cimbala和Park对二维无动量亏损尾迹作了详细的实验研究,他们研究了二维平板模型的4种尾迹特征,并使用可视化技术手段捕捉到了4种尾迹特征的流态[1],在研究不同模型结构的无动量亏损尾迹时,发现尾迹特征和模型的尺寸结构有很大关系[2]。2000年Leitch对翼型尾缘吹气进行了实际应用的研究,其研究发现吹气量为风机流量的1%时风机的气动性能不受影响,而声学测试显示吹气对于叶片通过频率(BPF)及其一阶谐波有明显的减小,静动干涉效应也减弱[3]。Sell研究了几种不同静子的吹气方式对转子性能的影响,研究发现无动量亏损尾迹对风机的性能有很大的改善[4]。Feng和Keen等通过控制静子尾缘吹气,改善叶轮机械内部静动干涉引起的非定常流动以及干涉噪声[5-6]。国内一些学者采用吹气混合模型数值研究了涡轮冷却叶片尾缘吹气对流动的影响,西北工业大学的王掩刚进行了涡轮叶片尾缘喷气与主流掺混及干扰研究[7]。

　　笔者借助热线测试手段,获得了在4个不同尾缘吹气工况下尾迹区的速度周向分布和尾部中心的速度波动情况,研究了在4个不同尾缘吹气工况下尾迹区流动特点,探讨了尾部不同吹气量下尾迹区和主流的掺混过程,对静子尾缘吹气的深入研究为静子尾缘吹气对叶轮机械的气动和噪声性能的影响提供可靠的资料。

　　1　实验对象概述以及实验台

　　该文研究的静子模型如图1所示,静子模型由平板模型发展而来,前缘倒圆,静子厚度20mm,叶高115mm,中间开3mm厚的窄缝。模型的方形槽中插入吹气用的铜管,铜管使用压气机供气。铜管上打了4排每排90°分布直径2.5mm的吹气孔,每个孔间隔5mm,如图1(b)所示。实验测量了静子下游5个不同的轴向位置,即3d,4d,5d,7d,10d,50%叶高处的轴向速度周向分布情况。

　　实验是在上海交通大学涡轮机实验室直径500mm的标准风洞中进行的,实验台示意图如图2,实验使用辅助风机调节流量,流量使用毕托管进行测量。热线风速仪的型号是DANTEC的CTA恒温式90N10热线风速仪,热线探针采用55P11型直丝探针,探针测量前使用DANTEC CTA恒温式90N10热线风速仪的标准风洞进行校准。坐标架采用DANTEC三维坐标转换系统,精度为0.5mm。静子吹气由空压机经过减压阀后供气,通过调节减压阀稳定压力,压力表和流量计控制吹气的压力和流量来调节尾缘吹气量。