压气机弦向缝隙叶栅的气体动力学研究

　　就高负荷轴流式压气机弦向缝隙叶栅提出了确定弦向缝隙位置的数学模型,并给出了弦向缝隙叶栅流场计算的方法,作为分析这种叶栅气动性能的基础。风洞吹风试验表明了本模型的正确性及弦向缝隙叶栅对轴流式压气机气动性能的改善。

　　1 问题的引出

　　由于在轴流式压气机中气流沿流动方向增压,叶片表面的气流在高负荷或是在大冲角时具有从叶片表面分离的趋势,所以一般轴流式压气机级中气流转折角,即气动负荷受到了限制。为了增大级的气动负荷,减少压气机的级数,就必须控制压气机叶片表面的附面层的分离。弦向缝隙叶栅[1]目的就是要增加附面层内气体的动能,即使在气流流经叶片前后的转折角很大的情况下也能控制或延缓附面层的分离,本文就是就如何实现这种气动性能进行理论和试验研究。

　　由图1所示,狭窄的缝隙基本平行于叶型的弦向,在叶栅前后压差的作用下,一部分气体将由B端流向A端,将充分发展的、动量很小的附面层吸入缝隙,从而加速了气体,避免或延迟附面层的分离。

　　同经由压力面到吸力面缝隙的气流引射作用比较,弦向缝隙叶栅能更有效地增加气体的动量。同串列叶栅比较,弦向缝隙叶栅的轴向尺寸更紧凑。值得注意的是,吸气效果的好坏与B点的位置有密切关系,研究表明B点必须位于气流分离点之前才有较好的控制附面层分离的效果,所以弦向缝隙的位置取决于正确计算气流分离点。本文首先提出计算气流分离点位置的一种方法,随后提出弦向缝隙叶栅流场的计算模型,并通过风洞吹风试验验证弦向缝隙叶栅的气动性能。

　　2 确定叶栅表面附面层分离点的方法

　　任意旋成面的动量方程式为[2]

　　考虑到弦向缝隙叶栅主要适用于压气机高压级,因此可合理地认为气体沿圆柱面流动,即=0,且S=const,利用Stewartson-Illingworth变换[3]:

式(1)可简化为类似于不可压情况下由Thwaits[4]导出的动量积分方程

式中

　　S₁流面在等熵流动的条件下,有

　　由于它们与无关,所以式(2)经无量纲化后,得

式中

　　利用Sutherland方程

则均可化为速度分布+的函数。

　　设现在可以将式(5)同S1流面的解结合起来,把式(5)转化为一个高次代数方程,使求解大大的简化。对于可压缩流动,当取+$=-0.068 1时,与气流分离点x对应的U$必然是式(5)中的一个根。

　　试验证明此模型求解的附面层分离点位置有相当的准确性。将不同冲角时的气流分离点分别求出,然后可以确定合适的弦向缝隙的B点位置。