在涡轮喷嘴通道遇到漩涡

文摘

实验上通过跨音速涡轮级联流。涡二次流和各种类型,包括马蹄形漩涡,漩涡触觉通道,和流向漩涡的吸力面。在吸力面分离地区,发生了大汇总的通道涡度。直率的前缘产生强烈的马蹄涡和二次流。吸力面有强烈凸曲率的部分和下游相当平坦。表面流可视化执行这凸面连贯的流向涡度显示。在亚音速,强大的冯·卡门涡脱落导致大量基础赤字的压力。这些条件,时间分辨测量了Eckert-Weise能量分离的叶片。在跨声速的速度,观察异国脱落模式。这些现象都发生在实验中的一个特定涡轮喷嘴叶片绕流线性级联。

1。介绍

列奥纳多·达·芬奇(1452 - 1519)是一个著名的早期的观察者漩涡产生的固体对象放置在一个流的流(图1)。当物体厚度和生产流70°以上,代强涡度是预期,涡轮喷嘴叶栅也不例外。不同的旋转的现象出现在流道中描述。各种旋涡的形成和出现令人惊讶。

遇到漩涡包括本文中概述的流动,从领先的优势。和服务员马蹄涡、通道涡二次流,吸力面,流向漩涡。后缘,涡旋脱落、能源分离、基础压力,和异国情调的脱落模式。这都是在实验中一个特定的涡轮喷嘴叶片绕流的一个线性级联。这种多样性的涡流现象说明了挑战的描述透平机械叶栅的基本内部空气动力学。需要更大的物理理解这些现象,包括涡结构表面,涡旋脱落,底部区域,这个漩涡后,及其与冲击波的交互。

表面流可视化进行涡轮叶片的吸力面在亚音速和跨音速的速度。这是提供一个有效的时间平均叶片通道内的旋涡的回水区结构的映射。强有利的影响下压力梯度在吸力面,漩涡是相当持久,持久的后缘。

先前的调查人员发现流向漩涡和“五花结构”平的盘子和压缩机叶片吸力面。涡轮叶片设计人员非常熟悉Gortler涡度的现象;这是普遍认为主要发生在凹涡轮叶片表面的压力。有组织的流向涡系统往往会增加传热到叶片表面,也使得流动和传热很难预测。设计师通常假定流向涡度这种局限于凹表面的压力。例子将会导致质疑的假设组织流向涡度局限于涡轮叶片表面的压力。

虽然它似乎是不寻常的,这种行为预测和观察到以前和服务员理论了波长。主要是凸面,Gortler的行为与后来的预测是一致的(1),假定不稳定在一个凸表面的凹流线的前缘停滞的地区。由波长的测量周期涡旋阵列发现兼容Kestin和木材的后续预测2]。

年代中期,加拿大国家研究委员会/普拉特和惠特尼协作计划的目的是产生一个与涡轮燃气发生器激进的设计阶段。涡轮高度加载,使车轮速度低。这是由一个高负荷涡轮测试设备的三次PT6引擎大小和匹配引擎马赫和雷诺兹的号码。涡轮喷嘴有厚的后缘允许冷却通道(3]。

阶段采用高跨音速喷嘴和测试在一个出口马赫数范围在0.67和1.2之间。在测试过程中,涡轮阶段给了一些令人费解的结果显示总温度场下游的再分配。在这个表面上绝热安排,叶片尾流的中部地区表现出显著降低总温度及其边缘显示一个意想不到的提高。

解决这些异常情况和获得详细的信息在马赫数范围,跨中截面的喷嘴在大规模测试,低的纵横比,和跨声速平面叶栅4]。叶栅的一些细节图2。在高亚音速速度,听觉上耦合涡旋脱落后能量再分配创建。这是使用宽的带宽测量温度探测器。在第一个时间分辨测量后温度再分配,通过Carscallen et al。5],涡旋脱落被证明产生的影响首先指出埃克特和怀斯6]。这导致了问题发展的一种先进的涡轮阶段。

基地压力也与涡旋脱落,导致增加了虚张声势的身体和涡轮叶片阻力。时间分辨的压力分布波动给信息和相应的基本阻力系数。

最常见的脱落模式并不是唯一的模式。并不是所有的涡旋脱落的古典卡门涡街描述;广泛的“异国情调”模式也存在。发现这些异常模式背后的跨音速涡轮叶片是首次报道ISROMAC-5 Carscallen和Gostelow [7),导致可能发生时的调查。还发现了另外两个应用程序,在涡激振动和虚张声势的身体在振荡翼型的研究。发现涡激振动威廉姆森和Roshko [8已经澄清了脱落模式。

2。叶片通道的漩涡

进口壁边界层占据10%的跨度和前缘厚钝,引起强烈的马蹄涡和二次流。二次流创建一个大位移影响流线外二次流区域。当应用于级联流,术语“二次流”仅限于微分偏转的级联,自由剪切流。在这种情况下,剪切在进口的主要来源是墙边界层。

中跨,表面流线都是平行的,似乎是二维的。1.16马赫的冲击波撞击和分离地区与一个强大的漩涡汇总的冲击波撞击满足侧壁边界层。这是与通道涡。

另外两个涡类型应该提到。这些相对较小的漩涡和反转的角落,而大涡诱导的通道涡。

狭窄,但有力,“角落漩涡”下存在较大multivortex结构(9]。其诱导旋转方向相反的通道涡。这薄涡占据和端壁和叶片表面之间的角落可以看到邻近的凹形叶片表面图3。一个相当大的反向旋转涡,相邻的侧壁,诱发的冲击主要通道涡在叶片吸力面。这种“墙漩涡”,容易擦洗侧壁在下游mid-passage地区。它远离吸力面朝mid-passage地区,吸力和压力之间的表面。

2.1。马蹄形漩涡

表面流可视化应用,目标是建立前缘马蹄涡的强度。这表明,端壁,马蹄涡的影响很强烈,如图3。校长在前缘马蹄涡压力面和吸力面组件。压力表面腿横扫向吸力面,最终成为主要的通道涡。静态压力梯度作用于这个漩涡的腿也在侧壁,在自由流,但最终速度较低的地区。流线的曲率半径也必须降低侧壁地区保护径向平衡。路径端墙的涡带地区因此具有较高的曲率,这占到了整个通道快速运动。

2.2。通过漩涡

旋涡结构的定性测量,获得了在时间上的基础上,利用表面油流可视化(10]。叶片是一张自粘的白色乙烯基覆盖着。artist-grade亚麻油和lampblack-shaded颜料粉应用在一层非常薄的和统一的吸力面。让隧道运行大约五分钟后,叶片被除去,拍照。

在主要通道涡,平均压力波动和解决动能水平。最大剪切水平下观察到的主要通道涡和漩涡靠近小角落。吸力面流动的可视化如图4。规模上的大量代表比例轴向弦和少量马克静态龙头的位置。冲击波撞击和分离地区约70%的轴向弦的位置。

有一个强大的漩涡汇总的碰撞冲击会见了侧壁边界层。旋转的感觉和回流的方向可以推导出冲击后的分离区域。顺时针旋转逆时针左边,右边的叶片。

涡形成的特写镜头附近的碰撞冲击和产生的分离区域图5。由此产生的回流的旋转和冲击后的分离区域显示清楚。小尺度漩涡回水区也显示在图5。主要是凸面,这种行为是意想不到的。前缘,吸力面几乎是圆形;随后,大部分的吸力面保留了强凸曲率的部分和下游相当平坦。表面流可视化是在亚音速和跨音速的速度,和表面显示一致的流向涡度覆盖整个表面的后缘。

2.3。回水区漩涡

表面流可视化是在亚音速和跨音速的速度,和吸力面显示一致的流向涡度扩展后缘。从放电的特写视图可视化马赫数1.16给出图6。一个地区大约80%和95%之间轴向弦。小尺度显然回水区漩涡出现在图中。主要是凸面,这种行为是意想不到的但是在协议后的预测Gortler [1),假定不稳定在一个凸表面的凹流线的前缘停滞的地区。

知识的测量波长的涡旋阵列可能比预测Kestin和木材2]。他们预测理论知识之间的波长对的价值,气缸的直径,,由 这是你所代表的直线图= 0%7。很难找到Kestin和木头上的涡轮叶片图(1)代表流过去的圆柱体。涡轮叶片的前缘相对直率但不过高表面曲率迅速降低至接近零的水平进一步回来。

的快速变化曲率凸面筹集的问题应该申请什么有效直径与Kestin和木头模型进行比较。根据Kestin和木材理论,测量波长,0.55毫米,是兼容的曲率吸力面约10%真正的共鸣位置(图7)。因为几何是相当不同的圆柱体,只有与预测定性协议可以预期,这就是。然而,分析了表面流可视化照片的工作发表的一系列实验。检查时一样的结果图6从压缩机叶栅,两个结果11,12从涡轮叶栅)和三个13- - - - - -15)也可用,给合理的协议的理论和实验Kestin和木材(图7)。的自由流湍流水平高于0.2%病例都在范围≤涂≤1.2%。黑色符号Kestin和木材的原始实验结果在动荡的水平范围内涂0.2%≤≤4.0%。

为主题的滚轴溜冰,加速度通过通道是强大的。mass-averaged进口马赫数0.118设计条件而放电马赫数为1.16,给一个数量级的差别。是附近的流动前沿的敏感性决定流向组织流向涡度,在局部马赫数为0.118,流动动力学不应该完全不同于以前的观测,在低速流动。

在评估结果,应该牢记,马赫数政权和模型几何不同于其他人考虑出版的文献。叶片有一个非常生硬的前沿,因此可能体验到流不稳定上游的驻点和随之而来的流向涡度。横流式的不稳定一直在观察实验的简化和停滞正在持续计算的主题调查。流线曲率不稳定提供竞争来源;流线似乎影响在10%左右的共鸣。这些调查的结果是建立组织流向涡度可能发生更频繁地在凸表面,如涡轮叶片吸力面,比先前感激。调查和预测流动行为应该扩展到包括这种可能性。如果这种行为是常见的,它可能会对涡轮气动设计和叶片冷却。

3所示。涡旋脱落

粗的涡轮机叶片后缘,如调查Carscallen et al。16),与高损失处罚。这个损失损失大于预计将从一个简单的背向的一步,仍然无法解释,直到高速纹影摄影应用于级联(17]。

醒来的涡旋脱落存在叶片后缘厚(图8),原因不明的损失显然是与脱落过程。其他问题,这大大增加了基地在亚音速拖。除了罚款损失,涡旋脱落可能产生不利影响包括高频声传播、振动影响,本地高传热或从叶片表面,和能量分离成热的和冷的区域。涡街,通常紧密耦合振荡激波,危害了流场计算。

与现代CFD方法这些困难是可以克服的。二维time-accurate中跨流的数值模拟是由Mahallati速度范围,利用商业CFD代码。罗伊通量difference-splitting计划用于离散化的空间衍生品。时间条款处理二阶隐式方法。的- - - - - -湍流模型用于关闭。收敛加快利用多重网格技术和网格细化,这样的最小值还不到团结。没有因此需要和湍流模型墙功能被集成到墙上。瞬间从一个不稳定的运行级联调查给出图的计算9。之间的交互流漩涡和振荡冲击波是一种非常复杂但处理得当的代码。时均为叶片马赫数分布实验结果和计算预测,与叶片布局,在图10。计算和实验之间的协议被认为是合理的。

3.1。基地的压力

另一个不利流现象影响涡旋脱落在涡轮机械基础的压力。一直意识到粗的涡轮机叶片后缘有一个面积的减少静压后缘,创建了一个相当大的增加基本阻力在亚音速速度和减少了阶段的效率。Cicatelli和Sieverding18)的效果进行了一次调查在基极区流涡旋脱落。他们发现这个地区的压力波动高达8%的下游动态头分离和4.8%基地附近地区。

很明显,瞬时基础可以从定值明显不同的压力。用稳态方法计算叶栅设计将错误的涡旋脱落周期。

在亚音速强吸后缘涡脱落过程的一个重要方面,导致增加了虚张声势的身体和涡轮叶片阻力。一个圆柱体周围的压力分布很大程度上取决于马赫数。时间分辨波动的压力分布提供信息和相应的阻力系数。基地压力测量的极端的后缘叶片。

绘制在图获得的值11和基准压力赤字达到最大放电马赫数为0.9。结果辅以结果早些时候Carscallen et al。16]。结果表现出散射由于不稳定但基本上是完全相似的。

基准压力是一个重要的贡献者涡轮阶段全损。通过丹顿(19和梅伊et al。20.)显示的基本贡献很大一部分压力总损失在高速度。Carscallen et al。16)发现的最低基准压力伴随着最强的涡旋脱落。最全面的基准压力相关性是Sieverding et al。21]。目前的结果是与相关Gostelow et al。10]。显示在图12,基准压力赤字由Sieverding低估了相关性。这可能源于不同的叶片后缘的几何图形。

3.2。能量分离

与涡旋脱落是一个热声效应,在高亚音速尤其强烈。在时间上的基础上,发现后中线上的临界温度低于12°C的流体。同时,临界温度后的边缘5°C高于传入的流体。这种效应创造了一个主要障碍的发展一个新的高负荷涡轮设计。Carscallen et al。5)已经证明这是Eckert-Weise效应的体现。在这个热现象,涡核出现比周围的流体和冷与热点的边缘。

在时间上的基础上,这将导致大量的总温度再分配。调查这一现象涉及时间分辨测量中的温度变化波动后,有关这些以前观察到的温度变化时均停滞。迄今为止试图获取这种沮丧的时间分辨测量带宽不足可用的温度测量仪器。使用创新的宽的带宽温度探针从牛津大学22),发现了预期的温度波动,30 K的。这就是一直很难准确建立叶片排的性能。针对可能的几个百分点涡轮效率的影响,重要的是能够测量,平均,模型准确地流动。

涡旋脱落的频率的叶片是10 kHz的顺序有要求让总温度测量带宽接近100 kHz能源解决分离和识别。这是通过使用石英棒安装薄膜牛津大学提供的抵押品。Kulite压力传感器安装在石英棒,同时使总压强测量。因此,平均使用阶段,构造轮廓的总压强,总温度和熵增加在涡流测量位置。作为一个例子,总的温度轮廓图所示13和熵的轮廓图14。相对凉爽的涡结构后中线上看到的,是漩涡的边缘上的热点。当时间平均执行,总温度是一致的与使用反应迟缓热电偶测量,如图15。这些宽带测量代表第一个时间分辨确认的能量分离的现象。

广泛的能量分离现象被埃克特了,得出的结论是,能源分离主要是由于压力作用于波动弯曲流线从粘性部队只有一个小的贡献。声学效果往往是能源的一个重要成分分离。

因为类似的温度重新观察在平面和环形瀑布,本文中描述的涡旋脱落的影响同样适用于环形瀑布。描述的影响也可能出现在旋转的机器。

3.3。异国情调的脱落模式

最常见的涡脱落模式,预测的卡门,不是唯一的脱落模式。并不是所有的涡旋脱落的一个经典涡街;广泛的“异国情调”脱落模式存在。Carscallen和Gostelow7)发现这些异常模式的唤醒NRC涡轮级联,导致可能发生时的调查。还发现了另外两个应用程序,在涡激振动和虚张声势的身体在振荡翼型的研究。发现涡激振动威廉姆森和Roshko [8)和其他澄清脱落模式。大致对应的字段名称涡激振动被确定的2 S, 2 P 2 P *, P + S定义。

摘要涡激振动研究中采用的符号是S模式由单一的漩涡脱落每个周期和P表明漩涡成对。P + S意味着一个模式的涡对每个周期和一个涡脱落。传统的由2 s·冯·卡门涡街。2 P意味着涡对的形成和P + S模式是一个版本的不对称2 P模式一副和一个漩涡的每个周期。区域标记P 2 P *指涡模式描述为“单一两”和“双结对”,分别。模式P是一个后组成一组横向对流涡对下游还向一边,在飞机的外观,而不是之后。模式类似于2 p 2 p *除了涡对的一半循环对流传热远离身体的前面。在这种情况下,对流每一对在下游方向,创建一个飞机。

在涡轮叶片上的实验,一些时候,漩涡流同时从之后的双方,而不是交替。这种行为可以观察到在图16放电的马赫数为1.09。其他模式下观察,涡配对似乎只发生在一侧,如图17。自通过冲击行为是由涡脱落模式,这种反常的行为可能会影响预测冲击位置叶片加载和动态。这些额外的跨声速的速度模式由传统的稳定理论解释。然而,低角和基诺(23)进行分析,似乎预测观测数据和扩展到广泛的雷诺兹的数字。

随着放电马赫数成为超音速,后缘冲击成为斜和涡街的起源从后缘迁移到两个机翼后缘剪切层的融合。以前现有证据表明只有自由流干扰有效地引发涡旋脱落不稳定。在当前的例子中,可见的存在和声波的固定位置排除这样一个路径为反对称upstream-traveling压力波。这减少的影响之间的横向距离的漩涡在下游冲击相对较短的后宽度位置。然而,重要的自由剪切层不稳定被认为是通过Kelvin-Helmholtz向下游传播机制。这些现象,涡旋脱落造成的,在损失一代也起着重要的作用。这是由于低的基础压力背后的叶片厚后缘。在跨声速流底部压力显著恢复,涡街改变了性格。相关的异常涡脱落模式也因此减少损失。他们也可以有一个角色在涡激振动产生的机翼,它实际上是一个虚张声势的身体。

涡轮叶片及其安装非常僵硬,在这种情况下涡激振动可以排除。叶片尾流中的异国情调的脱落模式只发生在冲击波在场;静态压力差异在开车后似乎是代理。跨声速瀑布的纹影照片显示,基流剪切层之间的交互和冲击波是一种可能的机制导致观察到的涡旋脱落模式的变化。之间存在强相互作用的下游冲击波和涡脱落过程,但是耦合机制并不理解。小说用液压的类比,通过高速纹影观察水面波动。这帮助澄清之间的动态交互的冲击波和漩涡。上述因素表明,观察到的变化从钝后缘涡脱落的跨声速叶栅马赫数范围在0.97和1.2之间是由类似的自诱导的振荡机制引起的。

如数据所示16和17冲击产生的剪切层的融合;的冲击与剪切层交互。发现,从纹影可视化计算工作,一个单独的水力模拟实验,表明,激波/唤醒交互结构在剪切层的融合尤其动态和移动。这导致振荡流涡旋脱落导致观察到的变化。

4所示。结论

广泛的旋涡形成和脱落过程被确认在跨音速涡轮喷嘴叶栅。涡形成包括预期的马蹄涡和二次从流量通过漩涡和令人惊讶的有组织的流向涡度在吸力面。观察条纹回水区一般都由表面流的可视化。进一步的工作是要去远离表面涡量分布的特点。

级联测试建立强大的冯·卡门涡脱落发生在整个放电亚音速范围马赫数。这导致强碱赤字的压力,导致高后损失和能源分离后。时间分辨测量Eckert-Weise能源分离现象是第一次解释异常随着温度变化。

在马赫数团结之上,冯·卡门涡街被发现但之一是短暂的,然而不同,模式。这些与类似的模式观测领域的涡激振动。发生类似的跨声速瀑布涡旋脱落的变化表明,摆动身体的存在不是一个基本要求。后不稳定可能是由于一个振荡压力场。触觉跨声速流动振荡也可能改变涡旋脱落的模式。跨声速叶栅纹影照片显示,基流剪切层之间的交互和冲击波,形成在马赫数0.97和1.2之间,是可能的机制导致观察到的涡旋脱落模式的变化。

在这些调查一个high-turning喷嘴叶栅,几个不同的涡模式形成和脱落已确定。其中一些对涡轮性能的影响可能是有害的。这些不同的旋转的结构的存在无疑会使流体流动和传热性能的涡轮叶栅具有挑战性的解释和预测。例如,它会有用的介绍冷却流区域的后缘厚度和评估其对后行为的影响和损失。

命名法

:	静压系数
:	油缸直径
:	退出等熵马赫数
:	压力
公关:	压力比
再保险:	雷诺数
图:	自由流湍流程度,%
:	时间
:	正常的方向
:	由波长。

下标

:	基值
:	静止状态
0:	停滞状态。

确认

升值表示保罗亨特和一辆NRC的团队运行设备,并提供出色的支持。

引用

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