跨聲速軸流壓氣機間隙設(shè)計與失速控制研究

跨聲速軸流壓氣機間隙設(shè)計與失速控制研究

葉尖間隔檢測器是控制旋轉(zhuǎn)葉片尖間隙變化的重要技術(shù)措施。該技術(shù)被認為是發(fā)展先進混合動力車輛比渦扇發(fā)動機的一項必要技術(shù)支持之一。英美和其他國家非常重視相關(guān)研究工作。例如，美國航天局（nikama）在最近的研究中提出了一項詳細的自動間隙控制技術(shù)長期開發(fā)計劃，并斯奈克瑪開發(fā)的“銀冠電機”也采用了該技術(shù)。間隙控制技術(shù)的關(guān)鍵是研究間隙對壓氣機（渦輪）的氣影響、間隙估計、測量和執(zhí)行機構(gòu)。從動態(tài)的角度來看，國內(nèi)外科學(xué)家在實驗和數(shù)值模擬手段的應(yīng)用上進行了大量的研究。smith等人研究了低速壓氣機的間隙流動，發(fā)現(xiàn)間隙從動葉帶的長度從1%增加到6%，最大壓升降至23%，近速帶的質(zhì)量流量從15%增加到15%。然而，顧亞德等人發(fā)現(xiàn)，間隙變化對最大壓升幾乎沒有影響。在早速行上，非定常流動和失速之間存在著密切關(guān)系。杜等人認為，較大空間和小空間沒有固定的流。schlechner等人已經(jīng)證明，間隙泄漏的破碎是由隨后的波序列流和間隙泄漏流組成的。這可能是近年來近速下非常性特征的原因之一。在聲速壓氣機中，間隙泄漏軸和橫截面積、邊緣層和激波的相位形成了復(fù)雜的流動，這需要充分的理解和理解之間的關(guān)系。此外，應(yīng)結(jié)合流場分析，為壓氣機的設(shè)計和間隙控制技術(shù)的應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ)研究。本文以跨聲速軸流壓氣機rotor37為研究對象,利用數(shù)值仿真計算方法,對設(shè)計間隙、1/2設(shè)計間隙、1/4設(shè)計間隙、零間隙以及2倍設(shè)計間隙下近失速狀況進行研究,探索不同間隙對跨聲速軸流壓氣機性能的影響以及相關(guān)失速機理,探求間隙設(shè)計與失速的關(guān)聯(lián)性,為跨聲速軸流壓氣機設(shè)計間隙的選取提供設(shè)計參考,并為應(yīng)用間隙控制技術(shù)改善跨聲速軸流壓氣機穩(wěn)定性提供必要的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.1對象與數(shù)值法的研究1.1研究主題本文以跨聲速軸流壓氣機(下文簡稱壓氣機)rotor37單轉(zhuǎn)子通道為研究對象,其相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)如表1所示,其細節(jié)可參考文獻.1.2數(shù)值仿真結(jié)果分析對于現(xiàn)代網(wǎng)格的重要性圖1顯示了計算網(wǎng)格模型,計算網(wǎng)格主要被分為兩個區(qū)域:一個區(qū)域是轉(zhuǎn)子主要流通區(qū)域;另一個部分是間隙區(qū)域.設(shè)計間隙條件下網(wǎng)格數(shù)量為248萬,通道網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為HOH型,間隙為蝶形和H型網(wǎng)格結(jié)構(gòu),網(wǎng)格分布如表2所示.為了增加可比性,減少網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響,1/2設(shè)計間隙、1/4設(shè)計間隙、2倍設(shè)計間隙網(wǎng)格劃分情況同上,總網(wǎng)格數(shù)量為248萬.零間隙下不存在泄漏流,其網(wǎng)格數(shù)為209萬.1/4設(shè)計間隙高度為8.9×10-5m,與零間隙較為接近,兩者對比,可以進一步考察泄漏流對流動的影響.數(shù)值仿真基于NUMECAFINE/Turbo平臺,對三維雷諾平均控制方程進行定常求解,采用中心差分法,湍流模型參考文獻,采用Spalart-Allmaras模型,定常計算采用局部時間步,多重網(wǎng)格方法以加速收斂過程,CFL(CourantFriedrichs-Lewy)數(shù)為3.0.考慮其黏性,邊界條件為固壁邊界,第1層網(wǎng)格點距離固體壁面的距離為3×10-6m,可以保證y+<1.2數(shù)值模擬的結(jié)果和討論2.1安裝間隙控制圖2給出了100%設(shè)計轉(zhuǎn)速下,壓氣機轉(zhuǎn)子采用設(shè)計間隙、1/2設(shè)計間隙、1/4設(shè)計間隙(近似零間隙)、零間隙以及2倍設(shè)計間隙特性對比圖.為了顯示計算的可靠性,相關(guān)實驗數(shù)據(jù)也顯示在該圖.對圖中橫坐標流量進行無量綱化,其為流量與堵塞流量之比.設(shè)計間隙條件下,計算的可靠性參考文獻.從圖2中顯然可以發(fā)現(xiàn)如下問題:(1)間隙變化后,絕熱效率有所改變,最高絕熱效率在2倍設(shè)計間隙條件下減小2%,其他各種間隙變化不大.(2)間隙由設(shè)計間隙減小至零間隙,最高壓比變化不大;但是隨著葉尖磨損,間隙由設(shè)計間隙擴大至2倍設(shè)計間隙時,最高壓比降低6%.(3)Suder等在實驗中測定100%設(shè)計轉(zhuǎn)速下壓氣機轉(zhuǎn)子失速點相對流量約為0.919,計算中設(shè)計間隙失速點相對流量為0.92,與實驗符合較好;在1/2設(shè)計間隙時,壓氣機轉(zhuǎn)子失速點相對流量為0.876,穩(wěn)定工作范圍提高4%(流量裕度為4%,綜合裕度為10%).1/4設(shè)計間隙、零間隙和設(shè)計間隙相比較,穩(wěn)定工作范圍也有所提高,但改善較小.間隙由設(shè)計間隙擴大至2倍設(shè)計間隙時,穩(wěn)定工作范圍比設(shè)計間隙明顯減小.從上述性能計算中可以發(fā)現(xiàn),在壓氣機中應(yīng)用間隙控制技術(shù),如果由設(shè)計間隙調(diào)整至更小間隙,同時還要避免轉(zhuǎn)子和機匣的碰摩,會給間隙測量、間隙調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)帶來重重困難,并且效果不明顯;但是隨著葉尖磨損,間隙增大,應(yīng)用間隙控制顯然可以起到延長壓氣機使用壽命,確保高性能的運行狀態(tài)的作用,并且由于這時執(zhí)行間隙控制,可以在發(fā)動機維修、保養(yǎng)或非運行狀態(tài)下進行,可以大大簡化執(zhí)行機構(gòu),降低成本.2.2設(shè)計間隙的影響Wilke等對跨聲速壓氣機葉尖失速進行了分類,分別稱之為葉尖失速(bladetipstall)和堵塞失速(tipblockagestall),并且為了對壓氣機失速進行定性分析,提出了參數(shù)Bp和Bs兩種失速判別因子.Bp是近失速狀態(tài)下來流與間隙泄漏流分別相對葉片安裝角的變化量的比值,其越接近1,說明越有可能是由于葉片流動分離產(chǎn)生的失速,即葉尖失速.Bs表征主流通過激波時馬赫數(shù)變化情況,其越接近1,說明越有可能是間隙泄漏渦導(dǎo)致的失速,即堵塞失速.圖3給出不同間隙在100%設(shè)計轉(zhuǎn)速工況下95%葉高處的S1截面相對馬赫數(shù)分布云圖.從圖中可以發(fā)現(xiàn)激波在近失速條件下成為脫體激波.和絕熱效率峰值點相比較,激波發(fā)生彎曲,并與下一個葉片的吸力面相交.設(shè)計間隙下,激波后出現(xiàn)低能團.根據(jù)文獻,可知這個低能團是間隙泄漏流和來流相交,在激波后形成低能團.隨著間隙的減小,這個低能團逐漸減小甚至幾乎消失.由設(shè)計間隙增大到2倍設(shè)計間隙時,這個低能團突然增大.顯然這個低能團的產(chǎn)生和間隙的大小有著密切的關(guān)系.激波發(fā)生彎曲,與下一個葉片的吸力面相交處,其波后也形成微小低能團,并且靠近后緣.設(shè)計間隙下,存在這個低能團,與實驗及文獻計算是一致的.根據(jù)Wilke等,這個低能團是由于葉片流動分離產(chǎn)生.從圖3(b)~圖3(e)可以發(fā)現(xiàn),隨著間隙的逐漸縮小,吸力面低能團逐漸變大,邊界層分離點不斷前移,成為葉尖失速的主要原因.圖3(b)、圖3(f)可以看出,間隙由設(shè)計間隙增加到2倍設(shè)計間隙,分離點明顯推后.由此可知,吸力面低能團也受到間隙的影響.對設(shè)計間隙下Bp和Bs進行估算,Bp=0.4375,Bs=0.702916,可以斷定是由于間隙泄漏渦導(dǎo)致的失速,對1/2設(shè)計間隙進行估算,Bp=0.9375,Bs=0.846829,兩者都較為接近1,間隙泄漏渦和邊界層分離共同導(dǎo)致失速.2.3間隙螺旋度的變化渦破碎在流體力學(xué)研究和實際工程應(yīng)用上具有重要的價值,其本質(zhì)特征是渦結(jié)構(gòu)上的突然變化,其主要形態(tài)是螺旋型和泡型兩種.流向上的螺旋密度和逆壓梯度對渦破碎有著重要的影響.渦破碎的發(fā)生往往在流量場中產(chǎn)生渦快速膨脹以及振動.根據(jù)文獻,確定旋渦破碎的標準主要有3個方面:(1)高絕對渦量的消失;(2)渦核尺度的明顯膨脹;(3)流線的局部回旋現(xiàn)象.螺旋密度表示流體一面以相對速度w運動,一面以相對速度w為旋轉(zhuǎn)軸的螺旋前進的性質(zhì),即在相對速度方向上的相對渦量,它的取值表征了渦、渦核的存在以及渦量的衰減.標準螺旋度(Hn)定義如下:其中ξ表示渦量;w表示相對速度.圖4表示了不同間隙螺旋度和相對速度矢量跡線圖.在設(shè)計間隙下,在轉(zhuǎn)子通道靠近葉片前緣處,間隙泄漏渦在螺旋度接近-1的區(qū)域,表現(xiàn)出螺旋度的快速變化,間隙泄漏渦突然出現(xiàn)膨脹,出現(xiàn)核心滯止區(qū)域,根據(jù)參考文獻旋渦破碎標準,說明在近失速點處存在渦破碎;在1/2設(shè)計間隙、1/4設(shè)計間隙,盡管存在螺旋度較小區(qū)域,但是間隙泄漏渦沒有出現(xiàn)核心滯止區(qū)域,不存在旋渦的突然膨脹,間隙泄漏渦沒有發(fā)生破碎.在1/2設(shè)計間隙情況下,由于激波后邊界層分離是失速的主導(dǎo)原因,但分離又沒有1/4設(shè)計間隙和零間隙情況下嚴重,因此1/2設(shè)計間隙情況下,穩(wěn)定工作范圍較大.2倍設(shè)計間隙處存在明顯渦破碎的情況,但是二次泄漏流發(fā)生明顯.渦破碎附近螺旋度變化劇烈,能量損耗較為嚴重.2.4葉尖前間隙式設(shè)計間隙與最高速度a葉尖間隙泄漏流是由于葉片表面存在壓差而產(chǎn)生的.圖5、圖6為不同間隙下近失速狀態(tài)95%葉高處葉片表面靜壓、葉尖間隙沿弦向分布的相對速度圖.從圖中可以看出,由于葉尖前緣壓差較大,最高速度出現(xiàn)在葉尖前緣.進一步發(fā)現(xiàn),由設(shè)計間隙至1/2設(shè)計間隙再到1/4設(shè)計間隙,隨著間隙減小,最高速度逐漸降低,但降低幅度不大;但是如果間隙由設(shè)計間隙擴大至2倍設(shè)計間隙,最高速度會大幅降低.這是因為葉尖間隙泄漏流與激波后來流摻混,能量有損耗,因而產(chǎn)生低能團.間隙對壓力面壓力影響不大,但對吸力面有較大影響.間隙過大,激波與吸力面處相交位置較后,并且壓升較小,壓差減小不大,致使在大間隙下間隙泄漏流產(chǎn)生較大的通道內(nèi)橫向流動,和來流摻混后存在較大能量損失.3葉尖失速和激波后間隙的變化本文采用數(shù)值模擬的方法,研究間隙對壓氣機rotor37性能的影響,并進一步探索間隙失速機理.研究發(fā)現(xiàn):1)間隙對壓氣機穩(wěn)定工作范圍有重要影響.壓氣機rotor37間隙由設(shè)計間隙減小到1/2設(shè)計間隙時,壓氣機絕熱效率以及壓升損失不大,壓氣機失速裕度卻提高了4%,但是隨著間隙的進一步減少,壓氣機穩(wěn)定性降低.2)邊界層分離產(chǎn)生的失速和激波后間隙泄漏渦與來流相交產(chǎn)生的失速是葉尖失速的兩種主要形式,間隙的變化可以誘導(dǎo)不同的失速形式.間隙小,失速形式是邊界層分離產(chǎn)生的失速;間隙大主要失速形式是激波后間隙泄漏渦與來流相交產(chǎn)生的失速.在工程中,隨著葉尖的磨損,間隙增大,出現(xiàn)激波后間隙泄漏渦與來流相交產(chǎn)生的失