透平叶栅中涡量场的实验研究

    0　引言

    涡在流体运动中的重要作用已越来越受到广大学者的重视[1,2]。涡不仅在流体运动中普遍存在,而且旋涡造成的高度动能聚集和与之伴随的压力骤降使具有一定守恒形态的旋涡成为流动的肌腱。它通过这两个因素有力地组织着整个流体的运动,涡核的低压把周围的流体卷吸到旋涡中来,使它们共同参与剧烈的旋转运动。涡量场不仅是流体动能的高度集聚区,也是将动能转化为热的高度耗散区。它对分离流的研究也有重要影响。

    近20年来,国内外学者对透平叶栅流场细微结构进行了深入研究,这使人们对透平叶栅旋涡分离流作用特点及拓扑结构有了新的认识。实验研究表明,在透平叶栅中流动分离是不可避免的[3],而且存在着十分复杂的旋涡分离流动,如前缘涡、通道涡、壁角涡及尾迹涡等,它们的存在严重影响甚至决定了三维粘性流场的性能及其损失[4]。因此,深入研究透平叶栅涡系结构,并根据透平叶栅的实际流动特点寻求某种几何的或其它气动手段来合理地利用和控制透平叶栅中的旋涡离流动,无疑是当代透平机械气体动力学理论及其应用研究中最具挑战性和开创性的前沿课题之一。

    详细研究叶片流道内旋涡的产生与运动,阐明涡系与能量损失的关系,将有助于提高对流动机理的认识,也是进行实验研究的主要目的。

    本文对某直叶片叶栅流场进行了实验研究,考察了流场的对称性、周期性和其它特性。首先校验实验设备和测试手段的精确性,积累实验经验;然后探讨了旋涡运动的机理及其与能量损失间的关系。

    1　实验叶栅

    实验叶型与日本航空宇宙研究所YA-MAMOTO,A(1985)等在报告NAL-TR-974中所给出叶型几何相似,并放大1.10倍。

    为了详细跟踪流场的变化,在栅前、内、后共设置了8个测量面,其中栅前1个,栅后2个,栅内5个,所有测量面位置(以前缘为0点)分别为-33.0 mm、2.0 mm、22.2 mm、42.3 mm、60.7mm、78.2 mm、94.5 mm、115.5 mm。为了能进行栅内及栅外测量,在叶栅上端壁上开槽,并设置了密封性极好的滑块装置,伸入流场座标架带动探针,探针带动滑块都能自由移动,并保证在测量时探针与滑块之间无预应力,这样就消除了预应力造成的位移误差。

    在每个测量面上沿叶高设27个测量站。对于不同的测量截面,沿节距方向分别设置14~28个测量点,相邻测量站距离为3 mm。

    2　实验结果与分析

    文中所有图形都表示在实验测量域内流场的分布情况。8个测量截面沿周向长度分别是84mm、57 mm、48 mm、42 mm、42 mm、42 mm、84mm、84 mm;i表示序号。

    当附面层内的剪切来流沿流动方向逼近叶片前缘时,附面层要在端壁上发生分离,形成绕流前缘的马蹄涡系。Siverding(1985)描述了马蹄涡的发展过程。对于位于叶栅下游的观察者,下端壁马蹄涡压力面分支逆时针旋转进入流道,成为通道涡的涡核。马蹄涡吸力面分支则依据流动条件,或者绕过前缘在叶片吸力面根部形成的拐角处消失,或者沿着由吸力面与端壁形成的拐角伸向下游,或者与相邻叶片前缘的马蹄涡压力面分支相互缠绕着伸向下游。对小转角透平叶栅在一般情况下前缘涡尺度小,强度低,它仅由马蹄涡和一个很弱的角涡组成。