轴流压气机转子叶尖泄漏堵塞特性的试验研究.pdf

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1、Dec252013VoI．34No．122682．2691ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．educnhkxb筵》buaa．edu．cn轴流压气机转子叶尖泄漏堵塞特性的试验研究刘宝杰，张志博，于贤君*北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室，北京100191摘要：在低速大尺寸压气机试验台上，利用体视粒子图像测速(sPIV)技术详细测量了不同气动负荷水平的叶片、不同转子叶尖间隙大小和不同工作状态时转子通道内部的流场结构。定量分析了不同测量条件下转予通道内堵塞分布特点，讨论了影

2、响堵塞发展的物理机制，旨在为转子尖部流动控制和模化研究提供必要的理论帮助。结果表明：在本文的各种测量条件下，叶尖泄漏堵塞均呈现非线性、非单调性的特征，通常在叶片通道内出现堵塞峰值；叶片通道内的逆压梯度是堵塞增长的重要物理机制，在逆压梯度环境下，堵塞起始区域的流量越大，堵塞增长得越迅速，堵塞起始区域流体的总压损失越高，堵塞越容易引起失速；泄漏流与主流之问存在较强的湍流掺混，在这个物理过程中，黏性和湍流脉动所带来的主流与泄漏流之间的动能输运是使得堵塞衰减的主要物理机制。关键词：叶尖泄漏涡；端壁堵塞；逆压梯度；湍流掺混；体视粒子图像测速；压气机中图分类

3、号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2013)12—268210叶尖泄漏流对压气机的性能影响显著，因此，对叶尖泄漏流动的特性和机理进行深入研究始终是叶轮机气动研究的重点。能够准确评估端壁堵塞和损失以及优化端区流动对压气机设计有重要的意义。自20世纪40年代以来，人们对压气机叶尖泄漏流动开展了大量的研究，其研究途径包括理论分析建立物理模型、试验测量以及计算流体力学(CFD)数值模拟等，并且已经取得了丰富的研究成果。众所周知，压气机转子叶尖泄漏流具有强三维、强非定常等特点，其与主流的相互作用通常会引起较强的端壁堵塞，对压气机性

4、能和稳定性都有重要的影响n“。Koch根据大量的试验数据发现，增加叶尖间隙会显著影响压气机的增压能力叭。Smith的结果表明当转子问隙大于1％弦长后，峰值压比随着叶尖间隙增加而接近线性地减小[2]。wisler认为至少一半的压气机损失都与端壁流动相关，并且根据大量的试验数据指出，当转子间隙大于1％弦长后，间隙与效率也近似成线性关系[3]。Baghdadi通过大量试验，发现当叶尖间隙小于1％弦长时，叶尖间隙对压气机的稳定性影响较小，而在常规的1．5％～3．o％弦长的叶尖问隙范围内，间隙每增加1％弦长，压气机的裕度相对于最佳间隙状态减少约8％[4]。

5、为提高压气机设计的可靠性，在设计过程中必须要考虑叶尖泄漏等典型二次流动的影响，因而在深入认识这些流动的发展物理机制的基础上进行模化分析研究是必然途径。早期由于受到测试手段以及CFD技术水平的限制，人们对叶尖泄漏流动的模化研究主要依收稿日期：2013—01．30；退修日期：2013—03—07；录用日期：2013一04—15；网络出版时间：2013—04—2510：12网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／det8“／11．1929．V．20130425，10j2．003．htmI基金项目：国家自然科学基金(51136003，5100600

6、7，50976009)*通讯作者．Tel：010一82316455E—mail：yuxj@buaaeducn；l躁格武}Liu8J，Zha呜ZB。YuXJEx。erimenta

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8、nvest{98tiononcharacleristlcsoftip

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10、ockageinanaxⅫcompressor．ActaAeronauticaetAstronauttcas砷tca．2013．34(12)：2682—2691知宝杰，张志博．f贤君．轴流压气机转子时尖泄漏姥塞特性的试验研究．航空学撮．2013，34(12)：2682—2鼬1刘宝杰等：

11、轴流压气机转子叶尖泄漏堵塞特性的试验研究靠理论分析和一些较为简略的试验数据。Rains[51最早将叶尖泄漏的三维流动简化成二维问题并通过涡方法，给出了泄漏涡轨迹和尺度变化的物理模型。Chen等[63通过提取影响泄漏涡发展的关键物理量，并通过拟合大量的试验数据，得到了泄漏涡轨迹随叶片负荷变化的规律。Kang和Hirsch通过对压气机叶栅通道内流场测量，给出了详细的泄漏涡发展过程和近端壁的损失分布”1⋯。Koch和Smich通过总结分析压气机重复级转静子出口边界层厚度的变化规律，指出影响端壁堵塞的主要因素是叶尖间隙大小以及整级的负荷水平[1“。这些典

12、型研究成果提高了人们对叶尖泄漏流动的认识水平，可是由于缺乏非常细致的能够准确模拟真实环境的试验数据(这类数据需要在压气机试验台上获得)，