径流式叶轮机械静叶时序效应研究

采用实验并辅以数值模拟的方法研究径流式叶轮机械内部的静叶时序效应。建立由"前级回流器+弯道+叶轮+扩压器+蜗壳"组成的一个具有1.5级的离心式压缩机结构的实验平台，并设计精确的回流器叶片时序位置调节机构，以研究回流器叶片与下游扩压器叶片之间的时序效应；针对回流器叶片的多个时序位置测定静叶时序效应对该装置整体气动性能的影响，并采用二维热膜风速仪分别在叶轮和叶片扩压器出口锁相采样记录气流瞬时速度，应用系综平均技术进行数据处理，总结尾迹干涉特征；采用CFD软件对1.5级离心压缩机进行全三维非定常数值模拟，结合实验结果深入探讨尾迹干涉机理。研究利用时序效应提高径流式叶轮机械宏观气动性能的新途径，并进一步认识和理解径流式叶轮机械内部非定常流动的特征和作用机制，为径流式叶轮机械的优化设计提供理论参考。

本课题以1.5级离心压缩机为研究对象采用实验和数值方法主要研究了径流式叶轮机械中的静叶时序效应。. 首先，开展了低速离心压缩机静叶时序效应的研究。详细测量了实验压缩机在三个典型静叶时序位置的性能曲线，并采用二维热线对三个典型时序位置设计流量下叶轮出口和叶片扩压器进口处的瞬时速度进行了详细测量。发现静叶时序效应对低速离心式压缩机多变效率的最大改变量在设计流量下约为2.7％，而在小流量工况下约为3.6%。在考虑了±1.3％的实验测量误差影响后，认为静叶时序效应对实验压缩机级气动效率的影响大于0.1％。并且发现当进口导叶尾迹到达扩压器叶片压力面附近时，级效率最高，而当进口导叶尾迹远离扩压器叶片压力面，靠近扩压器叶片吸力面时，效率最低。. 其次，开展了较高转速离心压缩机静叶时序效应的数值与实验研究。在数值研究中采用非线性谐函数法进行数值模拟。结果显示，进口导叶与叶片扩压器之间的静叶时序效应对较高转速的实验压缩机的气动性能的影响较为微弱。但静叶时序效应对扩压器叶片所受的非定常气动力影响较大。通过调整进口导叶的时序位置扩压器叶片所受的非定常气动力最多可以降低30.68%。而实验结果显示，实验压缩机的总压比受静叶时序效应影响较小，但多变效率受时序效应影响较为显著，在设计工况下多变效率随静叶时序位置的最大改变量为0.564%，在大流量工况约为0.772%。当改变进口导叶的安装角时，静叶时序效应的影响明显加强，在进口导叶安装角为-45°大流量工况时，多变效率随静叶时序位置的最大改变量增大为1.207%。. 此外，对离心叶轮出口区域流动分离的影响因素和控制方法进行了数值研究。发现：对于半开式离心叶轮，不论叶轮的扩压度多大，设计工况下在离心叶轮的出口区域靠近轮盖一侧均会出现流动分离，且流动分离区的大小随着叶轮扩压度的增加而增大；减小叶轮出口近轮盖侧的叶片载荷可以有效地抑制叶轮出口的流动分离，但并不能将该分离区彻底消除；叶顶间隙对离心叶轮出口流动分离区的大小有显著影响，但并非间隙越小,分离区越小；适当增大扩压器进口收敛角可以有效地抑制叶轮出口区域的流动分离。. 最后，对长短叶片离心叶轮对叶片扩压器内部流场影响进行了数值和实验研究, 发现在叶轮出口的气流是呈高度扭曲的，叶轮的长短叶片的扫略会的产生不同的叶片扩压器进口气流角，从而会影响扩压器内部的流场。