流體機(jī)械文獻(xiàn)

1、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議流體機(jī)械：157152流向微槽對(duì)直紋面化離心葉輪氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究*西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力，西安 710049:,: xiguang摘 要 本文以某一離心壓縮機(jī)中的曲面葉輪為研究對(duì)象，將其“直紋面化”以降低制造成本。研究對(duì)比了曲面葉輪與直紋面化葉輪的氣動(dòng)性能差異，并在葉片表面施加沿流向的流向微槽，分析其對(duì)葉輪氣動(dòng)性能的影響。研究表明，流向微槽對(duì)壓比和效率均有明顯的作用，但對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行范圍沒有影響。施加適當(dāng)?shù)奈⒉鄯桨缚捎行е奔y面葉輪的氣動(dòng)性能，使之接近原曲面葉輪，從而獲得兼顧氣動(dòng)性能及加工成本的高性能三元葉輪。流向微槽；直紋面；離心葉輪0 前言離心壓縮機(jī)葉輪葉片的型面

2、構(gòu)型方法對(duì)葉輪及整機(jī)的氣動(dòng)性能及制造成本具有至關(guān)重要的影響。早期離心葉輪的制造多采用鑄造技術(shù)，鑄造技術(shù)可以較好地適應(yīng)扭曲葉片的造型，但制造精度和質(zhì)量穩(wěn)定性卻常常難以滿足設(shè)計(jì)要求。隨著數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，整體銑制技術(shù)逐漸成為替代鑄造工藝的制造技術(shù)。在葉輪的整體銑削加工技術(shù)中，對(duì)于采用曲面造型的葉輪，需要采用點(diǎn)銑加工技術(shù)。然而，點(diǎn)銑加工技術(shù)耗時(shí)較長(zhǎng)、刀頭與零件接觸面積小，易損壞，加工制造成本高昂，這些不利限制了曲面葉輪的工程應(yīng)用。側(cè)銑技術(shù)可以改善點(diǎn)銑技術(shù)的諸多，具有較高的加工效率，因而在工程界的獲得了廣泛應(yīng)用。但是，目前的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)僅能夠針對(duì)直紋面葉輪進(jìn)行側(cè)銑加工刀具路徑規(guī)劃，針對(duì)

3、曲面葉輪，仍然只能采用點(diǎn)銑技術(shù)進(jìn)行加工。因而，曲面葉片與直紋面葉片之間的轉(zhuǎn)化問題逐步成為近年來工程界的熱點(diǎn)問題。除此以外，直紋面葉片葉輪的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量小，數(shù)控加工制造成本低，這些有利也使得其應(yīng)用日漸廣泛1-3。但是，把夠達(dá)到原來本文以某一曲面葉片改造成直紋面葉片之后，氣動(dòng)性能將如何改變，是否仍然能曲面葉輪的氣動(dòng)性能？對(duì)于這一問題，目前公開的文獻(xiàn)中研究較少。曲面三元離心葉輪為對(duì)象，研究葉片采用曲面及直紋面造型對(duì)其氣動(dòng)性能的影響，并通過在葉片表面附加流向微槽對(duì)直紋面葉輪的氣動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)化，從而使采用直紋面葉片型面造型的葉輪的氣動(dòng)性能盡可能獲得加工成本兩種需求的高性能三元葉輪。1 流向微槽簡(jiǎn)介，

4、獲得兼顧氣動(dòng)性能及流向微槽即位于表面沿方向的微小槽道，之所以強(qiáng)調(diào)尺寸微小，是為了與宏觀的型面造型優(yōu)化方法相區(qū)分（如型葉片線的調(diào)整優(yōu)化等），同時(shí)，微型槽道對(duì)葉輪葉片的強(qiáng)度性能影響也較低。目前已有學(xué)者在不涉及具體工程問題的前提下，研究過流向微槽對(duì)的影響。西北工業(yè)大學(xué)一等4對(duì)微槽表面的數(shù)值仿真研究表明，隨著脊?fàn)钗⒉鄣膶挾戎饾u增大，減阻效果呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并且當(dāng)微槽寬度與深度尺寸接近時(shí)，減阻效果最佳。等5對(duì)半圓形微槽的表面流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究，隨行槽表面亦可獲得減阻效果，其機(jī)理可解釋為：隨行槽附近的邊界層內(nèi)，剪切應(yīng)力較小，最終抑制了湍流的轉(zhuǎn)捩。機(jī)匣處理也涉及溝槽技術(shù)，但在機(jī)匣處理中，溝槽技術(shù)僅

5、是機(jī)匣端壁處理技術(shù)的一種，除此以外，還可開孔、開縫或采用進(jìn)口回流裝置6等方式。而且，機(jī)匣處理的研究重點(diǎn)集中于轉(zhuǎn)子頂部的相應(yīng)位置。而本文所研究的流向微槽位于葉片上，這是二者的最大區(qū)別。針對(duì)離心壓縮機(jī)中溝槽對(duì)氣動(dòng)性能影響，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者做過相關(guān)的研究工作。Houghton T等7研究了溝槽對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，并提出輪蓋上開溝槽可以提高壓縮機(jī)穩(wěn)定工況范圍，特別是當(dāng)壓縮機(jī)失速為尖峰失速時(shí)效果更好。西安交通大學(xué)等6研究了不同的端壁處理技術(shù)對(duì)高速離心壓縮機(jī)級(jí)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)溝槽技術(shù)可以提高失速，且隨溝槽的深淺效果不同，但要對(duì)溝槽進(jìn)一步優(yōu)化。研究對(duì)象及數(shù)值方法研究對(duì)象溝槽會(huì)降低效率，因此需本文的研

6、究對(duì)象為某空分透平壓縮機(jī)中一帶分流葉片的三元離心葉輪，葉片總數(shù)為 24，其中主葉片 12 個(gè)，分流葉片 12 個(gè)，葉輪外徑 1.652m，葉片厚度 0.012m，進(jìn)口安裝角 23.37，出口安裝角 43.08，設(shè)計(jì)流量為 226.81kg/s，進(jìn)口總壓 325300Pa，進(jìn)口總溫 313.15K，轉(zhuǎn)速 3969RPM，工質(zhì)為空氣。主葉片與分流葉片沿展向均分別有 9 條型線用于葉片的幾何描述，無葉擴(kuò)壓器為收斂型。表 1葉輪主要幾何和氣動(dòng)技術(shù)參數(shù)葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)量值葉片數(shù) 葉輪外徑 D2葉片厚度 葉片進(jìn)口安裝角葉片出口安裝角轉(zhuǎn)速 進(jìn)口總壓進(jìn)口總溫12+121.6520.01223.3743.08396

7、9323500313.15個(gè)（主葉片+分離葉片）m mrpm Pa K本文采用直接生成法來將展向共有 9 條型線（包括曲面轉(zhuǎn)化為直紋面。具體方法為：原曲面葉片沿線與型線），用于確定葉片流道的幾何形狀?，F(xiàn)將除葉根與的型線外的其余 7 條型線數(shù)據(jù)點(diǎn)刪除，則可獲得直紋面葉片，分流葉片與主葉片同理，也進(jìn)行上述“直紋面化”的轉(zhuǎn)化。2.2 數(shù)值模型本文前處理及數(shù)值模擬通過 NUMECA 完成?？刂品匠虨槿S湍流 ReynoldsNavier - Stokes 方程，湍流模型采用 Spalart - Allmaras 模型，空間離散采用中心差分格式，固體壁面采用絕熱、無滑移邊界條件。進(jìn)口邊界條件給定總邊界條

8、件給定質(zhì)量流量，在近阻塞工況下給定出口靜壓。壓、方向；出口計(jì)算網(wǎng)格均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，壁面附近及微槽附近進(jìn)行邊界層加密，確保 y+10.0 以保證計(jì)算精度。根據(jù)單流道網(wǎng)格數(shù)量，本文設(shè)計(jì)了 128450，240992，369400，487608四套方案，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，選擇網(wǎng)格數(shù)為 369400 的方案進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。2.3 總體性能對(duì)比在總體性能曲線對(duì)比的過程中，采用無因次流量表示流量變化，該參數(shù)定義為某一工況下質(zhì)量流量與設(shè)計(jì)工況下質(zhì)量流量之比，即 ，該值為 1 時(shí)，即表示設(shè)計(jì)點(diǎn)。曲面葉輪明顯下降，其中壓比在直紋面化葉輪的壓比和等熵效率相比 =0.481.06 范圍內(nèi)低于曲面葉輪，效率在 =0.

9、551.06 范圍內(nèi)低于曲面葉輪。設(shè)計(jì)工況點(diǎn)處，直紋面化葉輪的壓比相對(duì)下降 3.78%，等熵效率相對(duì)下降 2.21%。在小流量范圍，接近失速工況的流量附近，直紋面化葉輪的壓比高于曲面葉輪，在設(shè)計(jì)點(diǎn)偏右，即流量相對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)稍大的流量位置，性能曲線出現(xiàn)交叉。這說明：雖然直紋面化葉輪壓比與效率有所下降，但其阻塞工況點(diǎn)右移，最大質(zhì)量流量相對(duì)增大 4.62%。(a)壓比曲線圖 1(b)效率曲線曲面葉輪與直紋面化葉輪性能曲線2.4對(duì)比觀察表明，10%處和 50%處直紋面化葉輪與任意曲面葉輪的相對(duì)速度矢量分布差異不大，在主葉片緊鄰吸力面附近的葉片進(jìn)口區(qū)域，直紋面化葉輪的相對(duì)速度稍大于任意曲面葉輪；在 90%處

10、，兩方案顯著差異。直紋面化葉輪中主葉片吸力面?zhèn)鹊牡南陆?。分離現(xiàn)象明顯強(qiáng)于任意曲面葉輪，分離現(xiàn)象導(dǎo)致了直紋面化葉輪氣動(dòng)性能曲面葉輪的主葉片進(jìn)口吸力面?zhèn)却嬖谝粋€(gè)速度相對(duì)較低的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)方向；而在直紋面化葉輪中，該區(qū)域范圍顯著拓展，從主葉片前緣延伸至分流葉片進(jìn)口壓力面?zhèn)龋蛛x較為嚴(yán)重。(a)任意曲面葉輪（90%）(b)直紋面化葉輪（90%）圖 2 相對(duì)速度矢量分布對(duì)比從靜壓比的分布情況來看，在 10%處，葉輪進(jìn)口延伸段內(nèi)的低壓區(qū)域在直紋面化之后有所擴(kuò)大，無葉擴(kuò)壓器末端的靜壓比有明顯的下降；在 50%處，葉輪進(jìn)口處和擴(kuò)壓器出口處的靜壓比降低，尤其在主葉片的吸力面?zhèn)?，靜壓分布的下降非常明顯；

11、在 90%處，靜壓分布的變化更為明顯。主葉片進(jìn)口吸力面?zhèn)鹊撵o壓降低。定義流道1 為主葉片壓力面與相鄰分流葉片吸力面之間的流道，則在流道 1 的 50%處，靜壓分布在直紋面化葉輪有所上升，擴(kuò)壓器出口處，靜壓顯著減小。(a)任意曲面葉輪（90%）(b)直紋面化葉輪（90%）圖 3 靜壓分布對(duì)比由上述分析可發(fā)現(xiàn)，直紋面化帶來的普遍影響是葉片吸力面?zhèn)褥o壓的降低，這將導(dǎo) 致流道內(nèi)相鄰兩個(gè)葉片的壓力面和吸力面壓力差的進(jìn)一步增大，更有可能產(chǎn)生二次渦流，導(dǎo)致葉輪氣動(dòng)性能的全面下降。3 流向微槽對(duì)離心葉輪氣動(dòng)性能的影響本文共設(shè)置 6 個(gè)不同的微槽方案，方案A, B, C 固定微槽相對(duì)位置于 50%處，變化槽寬；

12、方案 D, E, F 固定槽寬，變化微槽相對(duì)位置。作者參考了已有的關(guān)于葉輪機(jī)械葉片厚度的研究工作8-10，認(rèn)為在葉片某一個(gè)條形區(qū)域減薄 10%的葉片厚度不會(huì)對(duì)葉片強(qiáng)度造成實(shí)質(zhì)性損傷。故所有方案的槽深均設(shè)為 10%葉片厚度。表 3 幾何尺寸不同的流向微槽設(shè)置方案方案槽寬 a/葉片高度槽深b/葉片厚度微槽相對(duì)位置方案A方案B方案C10%5%2%10%10%10%50%50%50%方案D方案E方案F5%5%5%10%10%10%10%50%90%3.1 總體性能對(duì)比經(jīng)數(shù)值分析，得到不同微槽寬度下（方案 A，B，C），葉輪性能曲線如圖 4 所示。由性能曲線可看出，流向微槽可增大壓比，提高效率，葉輪氣動(dòng)

13、性能。微槽葉片對(duì)靜壓比的較為明顯，且隨著槽寬減小，靜壓比的量相應(yīng)減小。提高壓比作用最明顯的 10%方案A，可使設(shè)計(jì)點(diǎn)靜壓比相對(duì)提高 3.11%，高于原曲面葉輪；方案 C 的影響最弱，設(shè)計(jì)點(diǎn)靜壓比相對(duì)提高 0.75%；從效率的變化上看，微槽葉片的寬作用最明顯的 2%方案 C，可使設(shè)計(jì)度增大，對(duì)效率的點(diǎn)等熵效率相對(duì)作用亦降低，效率1.34%，與原曲面葉輪效率相差 0.68%，方案 A 的影響最弱，設(shè)計(jì)點(diǎn)等熵效率相對(duì)0.67%，在設(shè)計(jì)點(diǎn)左側(cè) =0.60.8 范圍內(nèi)，方案 A 的效率低于原無流向微槽的直紋面葉輪。(a)壓比性能曲線(b)效率性能曲線圖 4 不同微槽寬度方案性能曲線對(duì)比再變相對(duì)位置方案，

14、微槽位于 50%明顯，位于 10%位置時(shí)，對(duì)靜壓比的效果。提高壓比作用最明顯的 10%方案 E，可使設(shè)計(jì)點(diǎn)靜壓比相對(duì)提高 2.89%，高于原曲面葉輪；方案 F 的影響最弱，設(shè)計(jì)點(diǎn)靜壓比相對(duì)提高 0.44%；從效率的變化上看，微槽位于 10%的方案 D 對(duì)效率的作用最明顯，等熵效率在設(shè)計(jì)點(diǎn)相對(duì)提高 1.08%，與原曲面葉輪相差 0.94%，微槽位于 90%，等熵效率在設(shè)計(jì)點(diǎn)相對(duì)下降 0.27%，如圖 5 所示。(a)壓比性能曲線(b)效率性能曲線圖 5 不同微槽相對(duì)位置方案性能曲線對(duì)比3.2對(duì)比首先以位于中間位置，槽寬為 10%的方案為例，分析微槽對(duì)的影響作用，由于流向微槽開在主葉片的壓力面?zhèn)龋?/p>

15、故首先對(duì)緊貼壓力面?zhèn)鹊臉O限流線進(jìn)行對(duì)比分析。原直紋面葉片，在葉輪的后半段，可以看出明顯的由側(cè)向輪蓋側(cè)的二次流，這導(dǎo)致靠近輪蓋處的出現(xiàn)分離，而在具有流向微槽的葉片上，流線在槽道的引導(dǎo)下更好地沿流道方向發(fā)展，有效地降低了二次流，從而使葉輪的氣動(dòng)性能獲得。(a)原直紋面葉片(b)微槽直紋面葉片圖 6 極限流線分布本文認(rèn)為，流體在微槽附近充分接近葉片壁面，流速較低，動(dòng)能較少，比較容易受到壁面形態(tài)（如流向微槽）的影響。當(dāng)流線從葉輪葉片進(jìn)口開始逐步向出口延伸時(shí)，如果沒有流向微槽的引導(dǎo)，可能會(huì)產(chǎn)生由側(cè)向輪蓋側(cè)二次流，導(dǎo)致，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的分離損失；而在具有流向微槽的情況下，二次流的發(fā)展還未延伸至輪蓋，即遇到了

16、位于中間處流向微槽附近低速流體的阻礙，這些低速流體形成了類似屏障的阻礙作用，限制了二次流向輪蓋側(cè)的偏移。換言之，只要保證微槽沿流道發(fā)展方向分布，就可以有效地減少二次流，使流線更好地沿流道發(fā)展。為驗(yàn)證上述分析，選取緊貼主葉片壓力面壁面的第二層網(wǎng)格，觀察相對(duì)數(shù)分布。由圖 7 可看出，流向微槽所處的葉片中部，相對(duì)數(shù)有一個(gè)狹長(zhǎng)的低值區(qū)域，上段所述的“屏障”即是此處的低速流體所形成的，有助于遏制二次流的發(fā)展。此外，原直紋數(shù)整體較高，加槽后下降且更為均勻。進(jìn)口相對(duì)數(shù)10.750.85，面葉片相對(duì)的改善11,12。符合一般的葉輪設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)口相對(duì)數(shù)的降低，亦有助于(a)原直紋面葉片(b)微槽直紋面葉片圖 7

17、相對(duì)數(shù)分布為研究流向微槽對(duì)葉輪總體性能的影響，選取葉輪葉片出口為研究截面，直紋面主葉片吸力面?zhèn)瓤拷喩w處相對(duì)數(shù)較高，且不均勻性較大，此處，容易引起分離損失，而在微槽直紋面葉輪中，上述高絕對(duì)數(shù)區(qū)域，分布更為均勻。(a)原直紋面葉片(b)微槽直紋面葉片數(shù)分布圖 8 絕對(duì)為研究流向微槽不同相對(duì)位置對(duì)葉輪氣動(dòng)性能的影響，選取主葉片壓力面?zhèn)鹊臉O限流線，對(duì)方案 D，E，F(xiàn) 的差異進(jìn)行研究，圖(a)和圖(c)的微槽分別處于 10%位置和90%位置，微槽所處位置流線有較為明顯的匯聚趨勢(shì)，這與此處低速流體的匯聚有關(guān)，但對(duì)由側(cè)向輪蓋側(cè)的二次流遏制作用不明顯。圖(b)中的流向微槽位于 50%位置，起到了較好的導(dǎo)流作

18、用，顯著地遏制了二次流的發(fā)展。見圖 9。(a)10%位置開槽(b)50%位置開槽(c)90%位置開槽圖 9 不同位置方案流線分布圖葉輪氣動(dòng)性能的是各方面的綜合作用，為進(jìn)一步研究不同微槽相對(duì)位置方案得，選取緊鄰壓力面壁面第二層網(wǎng)格截面進(jìn)行分析。圖(a)和圖(c)很明顯數(shù)分布降低的趨勢(shì)。圖(c)的方案 F 在 90%地顯示出，微槽附近相對(duì)處施加微槽，但在靠近蓋處有一相對(duì)處也使得數(shù)有較為明顯的降低。此外，原直紋面葉片中葉輪進(jìn)口近輪數(shù)較高的區(qū)域，易導(dǎo)致組織。加槽之后，高數(shù)現(xiàn)象得到改善，尤其是在 90%位置施加流向微槽的方案 F，改善效果最為明顯，其對(duì)效率的也最為明顯，與 Sorekes13對(duì)數(shù)的研究結(jié)

19、論一致。相比對(duì)效率的有限，微槽葉片可使葉輪壓比有更明顯的提高。開槽位于中間葉置方案E 的靜壓最為明顯，在葉輪出口靠近處，有一靜壓較高區(qū)域。此外，原直紋面葉輪在葉片進(jìn)口近輪蓋側(cè)有一靜壓分布相對(duì)較低的區(qū)域，靜壓分布的不均勻性亦較大。在施加流向微槽之后，這一現(xiàn)象得到改善，靜壓分布在葉片進(jìn)口更為均勻。(a)10%位置開槽(b)50%位置開槽(c)90%位置開槽圖 10(d)原直紋面葉片數(shù)分布相對(duì)(a)10%(b)50%位置開槽位置開槽(c)90%(d)原直紋面葉片圖 11 靜壓分布位置開槽4 結(jié)論本文以某三元曲面葉輪為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行“直紋面化”，以分析直紋面化葉輪與曲面葉輪氣動(dòng)性能的差異。在此基礎(chǔ)

20、上，研究施加流向微槽對(duì)直紋面葉輪氣動(dòng)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，直紋面葉輪由于流場(chǎng)分離加劇，氣動(dòng)性能低于曲面葉輪。葉片表面流向微槽對(duì)直紋面葉輪的氣動(dòng)性能亦有顯著影響。流向微槽附近的低速流體具有屏障作用，可以更好地引導(dǎo)壁面附近流線沿著流道方向發(fā)展，有效地降低二次流，同時(shí)直紋面葉輪的壓比，但沒有對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行范圍的拓展作用。微槽寬度越小，對(duì)靜壓比的越小，最大方案可使葉輪壓比不低于原任意曲面葉輪；微槽寬度增大時(shí)，對(duì)效率的效果減弱，最大量可達(dá) 1.34%，與原曲面葉輪效率相差 0.68%。微槽相對(duì)位置位于 50%，葉輪壓比的最明顯，不低于原曲面葉輪，位于10%，效率的最明顯，與原曲面葉輪相差 0.94%。曲面葉

21、輪的氣動(dòng)性能差異給出了定量的具體本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)直紋面葉輪與比較，并通過施加流向微槽的方法，給出可使直紋面葉輪氣動(dòng)性能獲得的方案，對(duì)葉輪葉片表面微結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)性能影響的相關(guān)研究具有指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)1ZHOU Yayun, Schulze J, Schffler S. Blade Geometry Design with Kinematic Ruled SurfaceApproximationC/ ACM, 2010: 1266-12672BI Qingzhen, CHEN Hua, ZOU Xueqi, et al. Five-Axis FlMilling for Design and Man

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