4第四章 叶片三维设计PPT格式课件下载.pptx

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,采用弯叶片会改变密流沿叶高分布，一般在端区特别是背弧附近密流增加比较大而使分离现象减弱，也改变了周向流量分布及S1流面的挠曲。

沿叶高密流的变化会使流线曲率发生变化，这样，促使静叶出口压力提高，根部的级反力度提高，如顶部采用弯叶片，顶部反力度也会有所提高。

静叶采用弯叶设计时要考虑最佳倾角，一般静叶最佳倾角与气流折转角、冲角i,D/l,l/b等因素有关，在最佳倾角时减少二次流损失最多。

最佳倾角一般是正倾角，在特殊情况下是零或负倾角。

选择倾角是弯叶片设计中非常关键的问题。

此外，弯叶片的生成线形状与位置对侧型面的影响也是不能忽略的。

弯叶片对级的反力度影响在不同条件下是不同的。

在大D/l条件下，对反力度影响很小;

在中等D/l条件下，弯叶片对反力度有一定影响;

在小D/Z条件下，弯叶片对反力度影响很大。

弯叶片由于对密流沿叶高分布的影响，使静叶出口气流角产生很大变化，根顶气流角增加，中径附近气流角有所减少，在匹配计算时要注意这一问题。

弯叶片对静叶喉部面积大小有影响，从而对通流能力和不同级的功分配都有影响，这也是采用弯叶片时要注意的问题。

动叶采用弯叶片时，最佳倾角在一般条件下比较小，有时甚至是负值。

静叶采用弯叶片除对动叶反力度有影响外，还会对动叶进口气流质量产生影响。

采用弯叶片的静叶出口损失沿叶高分布比较均匀，动叶根部与顶部低能流体减少，这样使动叶流动有所改善。

另外，由于静叶出口气流角和气流速度的变化，静叶尾迹的周向掺混会加快，如果静、动叶间隙选择合理将使动叶损失减少。

静叶采用弯叶片对反力度的影响也会间接影响动叶出口马赫数与气流角分布，在叶片匹配计算中也要给予重视。

在低展弦比条件下最佳倾角要小一些，这是因为两个通道涡向中径靠拢，如果倾角大了，会使中径损失过大。

进口附面层厚度不同时弯叶片作用也不同，一般附面层厚度大时作用更大一些。

（14）弯叶片会加强马蹄涡的压力面分支，使吸力面分支减弱，通道涡提前产生，并使马蹄涡前鞍点向流道中心偏移。

上述设计思想与设计准则有的已经得到广泛的应用。

但由于弯叶片应用越来越广，采用弯叶片设计而产生的问题也就越多，因此有必要进一步深人研究弯叶片流动机理。

（c）后掠10,（a）原型,（b）前掠10小型轴流风扇的三维实体示意,2.掠叶片的气动特点,

（1）涡轮掠叶片与掠叶片在原压气机理上有类同之处，但相同掠的方向由于压气机与涡轮在流动方向的性质不同，压气机与涡轮在径向产生的压力梯度就有很大的差异。

掠叶片对激波面形状的影响在压气机与涡轮中也有很大不同。

掠叶片在某些方面与弯叶片也有类同之处，即不同的掠与不同的弯都会改变径向的压力梯度，这种压力梯度均会产生附面层径向的迁移，这种迁移对原有二次流分布与各种涡系都会产生影响，对内背弧流动、尾迹流动与尾迹损失也会产生影响。

采用掠叶片的同时也会改变侧型面的形状，这样会引起侧型面新的弯曲和径向力，这也是不可忽视的。

但掠叶片与弯叶片在控制与改变径向压力梯度的机理上有所不同，其控制与改变流场结构的能力也不同。

b.扭曲叶片,a.直叶片,c.弯扭叶片,叶片的结构形式,3.弯扭匹配准则与优化,正弯叶片与可控涡均会改变压力梯度沿叶高的变化。

在流道内弯叶片控制的能力比较强，特别是在叶片最大厚度的区域;

而在喉部以后可控涡对径向压力梯度控制能力比较强。

弯叶片与可控涡均可控制反力度，其控制途径也有共同点，即通过密流的改变来改变流线曲率的大小、方向和间隙中静压沿叶高的分布，进而控制反力度。

在D/l比较小、静叶出口为超声速时，弯叶片控制反力度的能力比较强;

在D/l处于中间值时应用可控涡控制反力度的能力更强;

当D/l比较小时，两种方法均失去有效的作用。

由于二者均能控制静压及反力度沿叶高变化，因此二者均有减少径向窜流损失、隔板漏气损失和动叶根部流动损失的能力，但在流道内减少径向窜流的损失上弯叶片要比可控涡作用更大，而为减少顶部反力度的作用时应用可控涡方法效果更好。

对于横向压力梯度的控制作用二者有比较大的区别，弯叶片控制横向压力梯度作用更大一些，在端区减少横向压力梯度，在中径附近使横向压力梯度加大;

而可控涡在根部减少横向压力梯度，在顶部增加横向压力梯度。

二者在根部的作用相同，在顶部作用相反。

在控制密流分布上有所不同。

在弯叶片中，内背弧曲率、速度和离心力不同，改变密度流分布的能力也不同，一般正弯在背弧密度流改变比内弧更大，这样有利于减少根顶背弧的分离。

而可控涡方法没有这样的气动特点。

通过两种方法都可以改变端区流量。

在一般情况下，弯叶片增加端区流量，可控涡增加根量而减少顶部流量。

为了减少根部损失，在根部损失仍比较大的情况下，可利用角的变化减少根区的流量，这样就会出现a沿叶高变化与弯叶片建立起一个新的匹配方案。

总之，弯扭匹配中要注意发挥其不同的作用抑制负作用。

或用弯叶片的作用去抑制可控涡的负作用，或用可控涡的作用去抑制弯叶片的负作用，达到倾角分布（r）与进、出口几何角分布aor（r）、aor（r）的最佳匹配。

在不同情况下这种匹配是不一样的。

如对反动式和对冲动式这种匹配就不一样，对蒸汽轮机与燃气轮机这种匹配也有所不同。

弯叶片侧型面与子午型面匹配应注意如下问题:

4.弯叶片侧型面与子午型面匹配准则,

（1）在l/b比较小、D/l比较大的条件下，应用弯叶片与可控涡控制反力度均失去作用时，改用子午型面会产生比较好的效果。

弯叶片与子午型面均可改变横向压力梯度，但弯叶片适用于多级，而子午型面适用于第1级。

在单级或第1级，可采用子午收缩的子午型线，不仅可以减少横向二次流损失，也可以改善端区喉部以后的流动状况，还可以把流量向平均半径输运。

在同时采用弯叶片时，密流的改变与前者相反，可以起到增加喉部以后背弧流量的作用，这样可以得到二者的合理匹配。

弯叶片与子午型面的收敛都会改善喉部以后的流动。

侧型面与子午型面的匹配使用可更好地控制出口静压和反力度沿叶高分布。

5.弯叶片与回转型面型线匹配设计思想与准则弯叶片与回转型面匹配问题是由于采用了后部加载叶片提出来的。

对于型面有后部加载、前部加载与均匀加载之分，也有转披点、分离点和原生激波不同位置的特点。

采用弯叶片时不同型线与弯叶片的匹配问题可归纳如下:

（1）应用弯叶片与后部加载叶片均可以减少横向压力梯度，但一般情况下后部加载改变不了径向压力分布和密流沿叶高的分布，弯叶片与后部加载叶片共同应用是完全合理的，不但有共同减少横向二次流的作用，而且弯叶片还有减少径向二次流的作用，改变通道涡结构，使通道涡更为稳定。

另外，弯叶片有沿流向再膨胀的过程，可改善后部加载叶片后面的过大的扩压流动。

当然在配合中最佳倾角应减少，弯曲作用区要控制在合理范围。

在原有叶片为均匀加载、冲角不大的条件下，不必把叶片型线改成后部加载叶片，只要在端区合理给定倾角即可，这主要是因为均匀加载二次流损失比后部加载要大，但采用弯叶片后，不仅端区流动损失减少，也保持了平均半径处的小的叶型损失。

目前一般不采用前部加载叶片。

如果一定要采用前部加载叶片，在采用弯叶片时有利有弊，有利的一面是采用弯叶片二次流损失明显减少，并能改善喉部以后的流动状况，其不利一面是采用弯叶片后会增加马蹄涡内弧分支的强度。

改变进口几何角和前缘型线可解决这一问题。

采用弯叶片改变了沿叶高不同截面的叶片负荷、壁面附近流线方向、激波产生的位置与强度及沿叶片的转披位置和逆转披位置。

严格讲采用弯叶片后，对应的回转面流动与以前不同，应是新的流面流动，因此也应重新设计回转面的型线。

实际上只要通过对根顶型面的局部修正，就可以改变这种新的不匹配问题。

采用弯叶片最佳相对栅距要增加。

6.弯扭掠叶片的三维计算分析,一典型级的展弦比为0.92。

经试验与计算分析，这一级的损失来源于叶型和二次流损失，其二次流损失中，径向窜流损失很大。

此外，因这是一跨声级，激波损失不能不考虑。

此叶片是一扭曲叶片，我们将之简化为采用弯、掠两种方案进行匹配比较计算。

弯叶片6种，掠叶片6种，加原型每一种方案7种，,然后组合成49种方案进行计算。

其中7种弯叶片与7种掠叶片如图1,2所示。

静叶损失与级的效率计算结果如图3,4所示。

从图3中可见，静叶在不采用掠叶片时采用负弯角为好，而在采用正弯时，采用负掠角（前掠）为好。

在这两种情况下损失减少的机理不完全相同。

在不采用掠叶片时，负弯角一般会增加端区损失，减少半径附近叶型损失，总损失增加。

但在这种展弦比较小的条件下，静叶出口为跨超声速流动，径向窜流损失比较严重，激波损失也很大。

在采用反弯条件下，从顶部看减少了径向窜流损失，从根部看减少了激波面向中径的沿伸，从这两个角度看，采用负弯角会有一定好处。

此外，由于采用前掠叶片使径向窜流损失减少，在静叶下端部损失明显下降。

由此可见，采用正弯与前掠叶片不但减少了端区横向二次流损失，也减少了径向二次流损失。

图4是级的效率的分布图，从图中可知，导叶正弯负掠级性能比较好，这与静叶采用弯掠叶片与动叶匹配有关。

7.设计体系、思想与设计准则的应用对某型弹用发动机涡轮进行了采用弯扭叶片改型设计和试验研究。

15组弯扭叶片和8组常规叶片的发动机涡轮串装试验表明，采用弯扭叶片是有效果的，图5示出了弯扭叶片涡轮效率和常规叶片涡轮效率随发动机转速的变化关系。

8.结论,

（1）研究了侧型面、回转型面与子午型面的匹配准则。

透平级的气动设计是多参数、多流型的综合优化的过程，在三维叶片设计中，我们不仅要看到叶片的三个型面对流场的特有影响，也要看到其相关影响。

在三维叶片设计时一定认真研究与回转型面、子午型面之间的关系，研究弯、扭、掠、转与回转面之间的关系，研究流场结构的优化。

（2）对于l/b比较小的跨声速高压燃气涡轮，静叶在不采用掠叶片时采用负弯角为优;

而在采用正弯时，采用负掠角（前掠）为优。

（3）应用弯扭掠叶片的设计体系与设计思想完成了多项采用弯扭叶片的设计任务。

进一步完善的设计体系、设计思想有新的特点与功能，可以满足弯扭掠叶片的设计要求。

对某型弹用发动机涡轮采用了弯扭叶片改型设计和试验研究，弯扭叶片涡轮效率提高了3.2%一3.9%。

某型火箭涡轮泵用的改型设计涡轮采用弯扭静叶片，试验结果达到设计目标，效率提高了2%-3%。

第二节叶片三维造型及其对气动负荷的影响,随着对叶轮机性能要求的不断提高以及人们对其内部流动规律认识的深入,充分利用三维叶型以获得高