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研究文章|开放获取
n .西塔拉姆诉Sivakumar g . Ch, ”部分遮蔽效应的性能和流场Low-Aspect-Ratio轴流式通风机转子”,旋转机械的国际期刊, 卷。2011年, 文章的ID146969年, 11 页面, 2011年。 https://doi.org/10.1155/2011/146969
部分遮蔽效应的性能和流场Low-Aspect-Ratio轴流式通风机转子
文摘
转子出口流场的较低的纵横比轴流风机对不同几何形状和不同流量系数以目前的研究。以下配置测试:(1)转子没有局部裹尸布,指定为转子(我),(2)转子部分裹尸布,指定为转子(ws),和(3)转子穿孔(穿孔形状的离散圆孔)部分裹尸布,指定为转子(wps)。从稳态测量转子的性能(wps)是最好的。的转子部分寿衣都停滞在更高的流量系数比转子(我们)。从周期性流动测量,结果表明,低速度区域附近的部分是大大减少使用部分与穿孔寿衣。这个低速度区域对转子的程度(我们)和转子(wps)增加而减少流量系数由于增加加载阶段。这个核心的低动力液已经向内的环向压力面流动系数降低。低动力液的程度较小的转子(wps)比转子(我们)的流量系数。
1。介绍
泄漏流的半开式转子叶片的尖端在涡轮机中是不可避免的。风扇或压缩机的性能敏感尖端区域几何和流在这个区域,因为它影响到流叶片的跨度。众所周知的端壁损失占总损失的大部分,尤其是low-aspect-ratio透平机。端壁损失的一个重要部分是由于叶尖泄漏流及其与二次流的交互,叶片边界层,环壁边界层,刮漩涡。漏失的主要来源是由于泄漏涡与主的混合流,通过叶片。两个流有不同的速度和温度,搅拌过程生成熵。大多数早期的研究仅限于理解这个流场在large-aspect-ratio转子(猎人和Cumpsty [1),Lakshminarayana et al。2],井上和Kuroumaru [3],Lakshminarayana et al。4])。在涡轮机械的全面审查调查叶尖间隙的影响是由孔雀(5]。
几个技术试图提高轴流风扇和压缩机的性能对增加摊位保证金和放松的叶尖间隙。转子的制造与小间隙是昂贵的,和还有一个叶片损伤的可能性小间隙。因此它看起来有利于生产转子间隙较大,但性能和操作范围相当于在较小的间隙。这可以通过主动和被动技术。这些技术通常涉及某种形式的转子尖端附近套管治疗为目的的延迟叶尖失速或减少叶尖间隙过大所带来的不利影响。这些技术套管治疗(6),涡流发生器的汽缸壁和旋翼叶片7),开槽的套管转子技巧(8),隐藏式叶片套管(9),和叶片的笼罩。此外许多活跃的技术用于控制叶尖间隙流。其中一些是空气喷射10)和等离子驱动(11]。
部分寿衣可能会提供一个重要的空气动力性能。这得到预计因为漏流,发起前缘附近叶片压力面,将长途旅行的裹尸布的宽度是迫使下游。新兴从叶尖间隙泄漏流与通道的交互流下游提示吸力面附近发生的有害影响。
帕特尔(12)进行测试,没有偏寿衣的旋翼叶片单级轴流式涡轮燃气发生器在不同叶尖间隙的价值观。他观察到1.2分提高总效率与部分寿衣。但他发现性能的敏感性的叶尖间隙改变部分寿衣。石田et al。13]发现,附加部分裹尸布的离心式鼓风机转子叶片的改进其性能。Corsini et al。14)对轴流风扇进行了广泛调查与部分寿衣的目标减少噪音。Akturk和Camci15)三维平均流量测量导管的尖端附近轴流式通风机转子使用立体粒子图像测速仪。许多小说提示治疗基础上专门设计的压力面扩展测试减少叶尖泄漏流。扩展的弦向的位置和宽度在圆周方向上系统地变化。提示平台扩展转子叶片后缘附近被发现显示最好的提示处理性能。他们(16,17)进一步进行了计算和实验调查额外提示治疗。治疗包括平台扩展在转子叶片的压力面提示和声响器转子叶尖。这些治疗方法分别进行了测试和结合。声响器扩展在完整的转子叶片前缘和后缘的提示和部分从中间转子叶片前缘的后缘。直和斜满声响器治疗提供最佳性能。通过使用这些治疗方法,转子叶片在大间隙可以使用性能和操作范围相当于在小间隙和没有转子叶片损伤的风险。因此,叶尖间隙可以放松减少制造成本。
目前的调查也有类似的目的,但提高轴流风机的气动性能。目前调查探讨了另一种方法来提高性能的一个转子轴向流。替代方法包括提供穿孔形状的离散圆孔部分的裹尸布。
2。动机和目的
low-aspect-ratio轴流压缩机的流动非常复杂和高度三维。在转子出口流是高度非均匀轴向和圆周方向和高度动荡。Low-aspect-ratio轴流压缩机加载更高水平、更高的效率、更好的稳定性和振动特性(Wennerstrom [18])。他们更扭曲宽容由于较大的转子叶片的和弦。这样的压缩机找到应用程序在后面阶段的多级轴流压缩机在飞机燃气涡轮发动机和通风的目的。有相对较少的调查low-aspect-ratio压缩机空气动力学,尽管它们的重要性。因为大值的相对叶尖间隙(叶片叶尖间隙/跨度),清除损失low-aspect-ratio轴流式压缩机将很大。本研究的目的是调查部分寿衣的有效性与压气机转子叶片的尖端low-aspect-ratio轴流式通风机减少叶尖间隙损失。此外,另一种方法提供穿孔形状的离散圆孔部分的裹尸布上探索进一步提高转子的性能。
3所示。实验设备和仪器
3.1。实验装置
测试设备的布局示意图如图1。风扇的设计细节表1。转子叶片几何的细节表2。转子叶片概要文件在不同于转子的径向站中心提示如图2。
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| (所有的角度都是w.r.t.切线方向)。 |
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| (所有的角度都是w.r.t.切线方向)。 |
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3.2。部分用裹尸布裹
配置研究转子没有部分裹尸布,指定为转子(我们),转子部分裹尸布,指定为转子(ws),转子和穿孔部分裹尸布,指定为转子(wps)允许少量的漏流泄漏的小费。部分裹尸布在转子如图3。进口和出口叶片角度的切线方向如图所示3。下面给出的细节部分的裹尸布。
部分裹尸布是用0.2毫米厚的不锈钢板。转子齿顶圆直径滚床单,然后配置文件匹配所需的部分裹尸布被削减。这些异形寿衣是粘到叶片的尖端用一层很薄的环氧树脂。这个方法似乎满意不偏裹尸布掉了1450 rpm的转子操作在设计速度。同样,没有观察到的振动部分寿衣的频闪仪可视化。是小心,没有毛边在裹尸布的边缘,否则会导致摩擦损失。裹尸布被选为机翼的形状对应的部分,但有11%的最大厚度,等于两倍的最大厚度转子叶尖部分。部分裹尸布长约5毫米的下游转子叶片前缘和大约5毫米上游的转子叶片后缘。随着叶尖泄漏流的最大速度出现在midchord,最大扩展从概要文件在这个位置。这裹尸布比子午略overcurved叶尖的曲率。 Care is taken so that the tip clearance remains the same at有和没有部分的裹尸布。这是通过减少转子的半径提示通过0.2毫米的厚度占部分裹尸布。穿孔形状的离散1毫米直径的圆洞的压力面部分裹尸布,探索提高转子性能的可能性。提供了四个孔为20%,40%,60%,和80%的转子叶片顶端的共鸣。尽管叶尖泄漏涡转子叶尖前缘附近开始,其力量是可见的在20%左右和弦和强度对midchord最大值。之间的孔位于转子叶片压力面边缘和边缘的部分裹尸布。有很多实验的范围大小、孔的数量和位置。
3.3。稳态测量
眼镜蛇的进气流量测量探针。precalibrated微型五孔探针(头直径:2.5毫米)是用来测量流在出口处的转子。探测器在径向方向遍历,在二十径向位置和测量四个流系数,即失速流量系数附近,低于设计流量系数,附近的设计流量系数,附近最大的流量系数。扫描框(91 - 3)模型外交部和微压计(模型FCO012,范围:±199毫米的0.1毫米水表水表和准确性)由Furness制造控制,英国贝克斯希尔,又用于压力传感器测量。
3.4。周期性的流量测量
一个倾斜的单传感器热线探针(DANTEC微型热线探针55 p12)是用来测量周期和高度三维流在转子出口。布隆的方法等。19)是用于推导速度组件电压测量的八个位置。
探针对其轴旋转八个位置,从这些职位的平均电压的测量探头;这三个组件平均速度。有几种方法提取信息的速度的周期(或pitchwise)分布组件。这项技术称为锁相系综平均技术(褶)[20.)用于获取pitchwise速度的分布。在这种技术中,磁性拾音器的热线式触发信号在一个固定的点在每个革命。连续波形式的对应点然后平均彼此,因此只有组件重复每一个转子革命被保留。热线探针信号记录由一个16位显著r - 9211 a信号分析仪和存储进行进一步处理。风扇轴上的磁性传感器生产1脉冲/革命是用来触发数据采集的开始。仪器的定期流动测量示意图如图4。
测量三个流系数进行:即在、0.55和0.64在转子出口的无因次轴向距离的1.50倍在转子轴向弦技巧和14岁径向位置。nondimensionalised的径向距离和pitchwise距离,叶片间距。速度是nondimensionalised关于虚构的叶片速度根据套管半径,也就是说,。
3.5。误差估计
五孔探针和热线探针测量存在许多错误的来源。这些测量的不确定性估计使用提出的分析•莫法特(21]。每个仪器的总误差用于一个特定的测量分为固定或偏移误差和随机或精度误差。偏见的错误是由仪器的制造商和精度误差可以减少通过增加样本的数量。总流动参数的测量误差是由错误的总和所有仪器的使用。根据这个过程,测量的不确定性的五孔和热线探针在表3和4,分别。
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此外,五孔探针遭受大的错误在固体表面附近,在大压力或速度梯度的流动。因此用五孔探针测量的不确定性在中心附近,套管高于表引用值3。类似于五孔探针,热线探针也遭受大错误在固体表面附近,在大压力或速度梯度的流动。因此测量的不确定性与热线探针附近的中心和套管和唤醒高于表引用值4。
详细的测量的不确定性有5个洞和热线探针提出了湿婆库马尔(22]。
4所示。结果与讨论
从目前的调查结果,在这一节中解释。压力传感器测量的结果提出了第一个跟着热线探针测量的结果。Mass-averaged值从这些测量也提出了在这一节中。
4.1。压力传感器测量
以下4.4.1。在转子出口流参数的径向分布
总压强系数,
四个流总压系数的分布系数和三个配置在转子出口呈现在图5。
有大幅增加总压强的转子(ws)相比,转子(我们),但是非常名义增加观测转子(wps)。但对于和0.48有明显增加,总压强对转子大径向伸长(ws)和转子(wps)相比,转子(我们)。为,因为它是接近失速流量系数,总压强降低转子(ws)和转子(wps),转子(wps)更糟。笼罩的影响是觉得在一个大型径向伸长揭示高流动的三个维度low-aspect-ratio压缩机。预计总压强的增加,因为泄漏射流位于高度粘性的地区往往迅速扩散。部分裹尸布在叶片的尖端限制泄漏流从压力面到吸力面。因此泄漏流与通道的交互流下游提示吸力面附近发生的有害影响。但在,附近的来流是高度倾斜。半开式转子,泄漏流激励边界层阻止它分离环墙。但在笼罩情况下,漏流被限制导致汽缸壁边界层分离,产生更高的损失,而不是减少。部分寿衣的有利影响可以被开始可能保留部分寿衣在20%左右从前缘和弦,叶尖泄漏流产生的地方。
静态压力系数,
静压系数分布的四个流量系数和三个配置在转子出口呈现在图6。静态压力增加、0.55和0.48的转子(wps)相比,转子(我们)。静态转子(ws)降低压力和几乎相同的静态压力观察和0.48相比,转子(我们)。但对于,静压降低转子(wps)和转子与转子(ws),而(我们)。这一趋势可以解释如下:对所有流量系数(除了),总压强较高转子(ws)的转子(我们)。漏流在相反方向的二次流。但部分裹尸布限制漏流,减少的范围减少二次流和损失。因此,静压不等同于总压强上升。但在转子(wps)的情况下,少量的漏流释放,减少了二次流和损失在一定程度上,增加静态压力上升。但对于,总压强较低,增加静压无法预期。转子(wps),尽管总压强低于转子(我们),静态压力一样转子(我们)。
总压损失系数,
的总压损失系数的变化四个流量系数和三个配置在转子出口如图7。总压损失系数定义如下:
在哪里在转子出口总压,Pa,转子转速,m / s,转子速度对应于套管半径,m / s,然后呢切向速度在转子出口,m / s。
可以看出损失富含环壁边界层和损失系数增加提示区域随着载荷的增加。的损失系数最小设计流量系数。流系数,0.64、0.55和0.48,转子的损耗系数最低(wps)配置。在或多或少,损失系数是相同的所有配置。
4.1.2。Mass-Averaged流参数
mass-averaged流参数对转子出口的流量系数呈现在图8。mass-averaged流参数计算如下: 在哪里代表任何数量和流动是整个环mass-averaged价值。
总压强较高的转子(ws)和转子(wps)相比,转子(我们)。为和0.48,总压强是最高的转子(wps)转子(ws)紧随其后。附近的失速流量系数,,总压强最大转子(我们)和转子是最小的(wps)。可以推断,峰值压力的上升,尽管部分寿衣增加失速发生在更高的流量系数,减少了有用的操作范围。
从图8可以看到,有一个明确的静态压力增加转子(wps)配置流系数为0.64,0.55和0.48在转子出口。如果转子(ws),尽管总压强是高于转子(我们),在转子出口静压小于。近失速流量系数,的静态压力最大转子(我们)。质量平均参数的值的三种配置列在下表中5。质量百分比增加平均价值也在表5。
| (一) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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和。 |
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| (b)类似的定义是用来计算和。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| (c) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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4.1.3。边界层积分参数
压力传感器的测量数据是用来确定边界层积分参数。边界层积分参数,即位移厚度,动量厚度,,和形状因子,,汽缸壁边界层的定义如下: 下标是指在边界层的边缘值。位移和动量厚度是基于轴向速度而不是绝对速度。
在转子出口边界层积分参数呈现在图9。位移厚度增加的流量系数减少,表明厚边界层。其大小是更多的转子(ws)和减少转子(wps)相比,转子(我们)三个流系数,、0.55和0.48。这可能是由于边界层的冲刷的叶尖泄漏涡喷新兴的吸力面在转子的情况下(我们)。转子(ws),部分裹尸布妨碍泄漏喷射将边界层冲走。在转子(wps)的情况下,一定量的裹尸布上的孔洞泄漏流。为,为转子位移厚度的大小相比局部裹尸布更高的转子(我们)。在这个流量系数,这是接近失速流量系数,漏流允许通过穿孔可能不足以降低边界层的发展。早期停滞的转子部分寿衣前面描述可以归因于这种边界层的发展。动量厚度也有类似的趋势。形状系数的大小小于2,表明边界层湍流,不分离。
4.2。周期性的流量测量
从稳态测量,很明显,转子(wps)改善了性能相比其他两种构型。因此进一步实验正在开展调查测量转子出口流(我们)和转子(wps)使用单一倾斜传感器hotwire探针在多个位置。测量进行三个流系数,即、0.55和0.64。为了简便起见,只有结果在设计流量系数,即,现介绍如下。
4.2.1。准备轴向速度,
无因次轴向速度的轮廓(设计流量系数)的转子(我们)和转子(wps)所示的数据10和11,分别。附近有一个速度低区顶端形成一个漩涡通道的转子(我们)。叶尖是沉浸在汽缸壁边界层因此,叶尖泄漏飞机移向表面由于叶片运动的压力。这泄漏射流与主流和混合地区速度很低,像一个区分开。从图可以看出,该地区已被占领。没有这样的地区的转子(wps)配置。尽管汽缸壁边界层是压痕不均匀,低速度的核心地区缺席的转子(wps)配置。这是因为部分裹尸布在叶片的尖端限制液体渗漏通过间隙从压力面到吸力面。
其余部分的叶片通道几乎均匀流除叶片后地区边界层和中心。汽缸壁边界层是整个叶片间距不均匀。目前没有证据表明增厚叶片后的提示。
4.2.2。相对气流角,
相对气流角的轮廓(设计流量系数)的转子(我们)和转子(wps)所示的数据12和13,分别。相对流动角度测量的切向方向。叶尖泄漏流地区,相对流角度减少随轴向速度快于切向速度。这种低相对气流角的位置和程度是相同的轴向速度低。粘结剂和主编23)发明了一种方法来定位的漩涡核心绝对流动角的轮廓在出口处的涡轮喷嘴。此后许多调查人员已经使用这种方法检测漩涡在出口处静止和旋转叶片各种涡轮机械的行。这里使用这个方法来检测泄漏涡在目前的实验。漩涡中心的核心数据所示11和12。附近的漩涡中心,线几乎是直的,表示一种固体的漩涡。远离漩涡中心,轮廓椭圆表明自由涡运动。漩涡核心也是其特点是轴向速度低,从早期的数据。
但是在转子(wps)的情况下,虽然相对气流角变化明显提示地区,轮廓不密集或直。因此可以得出结论,没有坚实的身体类型的漩涡。只有一个自由涡运动进而混合的初级电流以最小的损失,给予更高的在定子出口静压。这可以归因于长路径的漏流必须旅行部分裹尸布的宽度在这期间它会迫使下游。因此泄漏流的交互通过流下游附近的地区发生的有害影响是减少。
4.2.3。叶尖泄漏涡的位置和程度
叶尖泄漏涡的位置和程度三个转子出口的流量系数和两个转子构型如图14。泄漏涡向压力面和渗透到环流量系数降低。知识和pitchwise叶尖泄漏涡的范围也增加流量系数降低。这可以归因于增加阶段加载,因此更强的叶尖泄漏涡。但对于转子(wps)的程度小于转子(我们)所有的流量系数。叶尖泄漏涡的旅行时间流路径提供部分寿衣的转子叶片,从而削弱叶尖泄漏涡。
5。结论
以下主要结论是从目前的实验调查。
5.1。从压力传感器测量
研究的三种配置中,有一个明确的改善总压强获得转子部分寿衣。但只有转子偏裹尸布穿孔形状的离散圆洞给高静压比其他两种构型。由于没有积累对转子和汽缸壁附近的漏流部分寿衣,边界层增长是减少套管墙上。转子的早期拖延造成的部分寿衣。这是由于边界层的分离转子和汽缸壁的寿衣,否则会被激励的叶尖泄漏流。
5.2。从周期流测量
叶尖间隙的泄漏喷射新兴不会积累在吸力面附近,和它表面的压力。提示泄漏射流与主的混合流导致一个地区的低速度似乎像一个区分开。这个地区的低速度环内移动的舞台装转子较低的流量系数增加。该地区的低速度大大降低转子(wps)。
目前的试验研究是一种初步尝试提高性能的low-aspect-ratio轴流式通风机转子使用一个相当粗糙的提示修改。虽然以上提高转子的性能设计条件通过穿孔部分裹尸布,摊位利润率降低。最可能的原因是使用偏大宽度的裹尸布。部分裹尸布的最大宽度是和弦的11%,而叶片顶端的最大厚度是5.5%。可以预期,性能和转子的失速边界可能提高了使用改进的部分寿衣,如部分寿衣压力面,局部寿衣比叶片顶端有较短的和弦,异形部分寿衣,穿孔部分寿衣,直和斜声响器技巧,等等。这样的成功是在(14- - - - - -17]。
命名法
| : | 轴向速度,m / s |
| : | 切向速度,m / s |
| : | 叶片弦,毫米 |
| : | 叶片轴向弦,毫米 |
| : | 叶片高度,毫米 |
| : | 压力,爸爸 |
| PS: | 压力面 |
| : | 无量纲半径, |
| : | 半径,毫米 |
| : | 叶片间距,毫米 |
| : | 吸力面 |
| : | 叶尖间隙,毫米 |
| : | 叶片边缘速度、m / s |
| : | 体积流率,m3/秒 |
| : | 无量纲的轴向距离, |
| : | 轴向距离转子叶片前缘,毫米 |
| : | 无量纲pitchwise距离, |
| : | Pitchwise距离,毫米 |
| : | 相对气流角,度 |
| : | 边界层厚度,毫米 |
| : | 位移厚度,毫米 |
| : | 流量系数= |
| : | 交错角,度 |
| : | 动量厚度,毫米 |
| : | 流体密度,公斤/米3 |
| : | 压力系数= 2 |
| : | 叶尖间隙的比例=的共鸣One hundred. |
| 1: | 转子进口 |
| 2: | 转子出口 |
| 3: | 定子出口 |
| : | 叶片 |
| : | 套管 |
| : | 边界层边缘 |
| : | 中心 |
| : | 损失 |
| : | 总 |
| : | 转子 |
| : | 定子 |
| : | 静态 |
| : | 小费。 |
| - - -: | Mass-averaged价值。 |
确认
作者欣然承认金融支持航空研究和发展委员会(AR & DB),国防研究与发展组织,国防部,印度政府在项目下,“压缩机叶尖间隙流”(批准号航空/ RD / 134/100/10/91-92/701)。已故教授n Venkatrayulu启动这个项目。本文致力于他的记忆。
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