基于靜葉柵的壓氣機(jī)靜葉片的間隙流動分析

基于靜葉柵的壓氣機(jī)靜葉片的間隙流動分析

自幾十年的研究以來，許多科學(xué)家都找到了提高共識失速裕度和減少損失的目標(biāo)。經(jīng)過幾十年的研究，出現(xiàn)了多種技術(shù)水平和應(yīng)用于該項目的應(yīng)用，以推遲壓力機(jī)的失速，擴(kuò)大穩(wěn)定幅度。它們中的代表性方法包括：壓氣機(jī)的中間級通風(fēng)、導(dǎo)向輸入和允許的葉片、柔性葉片、開縫葉片和可變輸入通道。然而，其擴(kuò)穩(wěn)能力較弱，機(jī)構(gòu)復(fù)雜性增加，因此其應(yīng)用具有一定的局限性。由于c.c.koch在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)向前端安裝了蜂窩，并在外部將氣體泵輸送至空氣泵附件的試驗中發(fā)現(xiàn)了蜂窩。即使吸入系統(tǒng)工作不足，壓氣機(jī)的失速裕度也會顯著提高。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了驅(qū)動器處理項目的產(chǎn)生和發(fā)展。這種方法具有很強(qiáng)的抗壓縮氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的能力和抗變形能力，因此在某些坦克上得到了應(yīng)用，這是世界上壓縮壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的重要手段之一。對于處理機(jī)匣的研究,以前大多采用實驗的手段,設(shè)計人員的經(jīng)驗往往占決定性的作用.但是由于處理槽的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及實驗條件的限制,難以通過實驗來觀測處理機(jī)匣內(nèi)的流動狀況.人們評價它的優(yōu)劣,往往通過整級壓氣機(jī)的特性實驗來對比.因此,關(guān)于處理機(jī)匣擴(kuò)穩(wěn)的機(jī)理,也往往從某些實驗現(xiàn)象和假設(shè)獲得,但卻沒有一致的結(jié)論.近些年來,由于硬件及計算技術(shù)CFD水平的提高,研究人員也開始利用計算的方法再現(xiàn)處理機(jī)匣內(nèi)的流動,由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜及計算的難度較大,也須進(jìn)行一些簡化處理.在此初衷下,本文以某一壓氣機(jī)靜子葉柵為基礎(chǔ),使其加上圓弧處理機(jī)匣結(jié)構(gòu),試圖通過數(shù)值研究,獲得處理機(jī)匣改善流場的某些機(jī)理性的結(jié)論.1.實驗設(shè)計圖1為某風(fēng)扇級圓弧斜槽處理機(jī)匣的實物照片,圖2為其安裝后的剖面示意圖.處理機(jī)匣的具體參數(shù)見表1.為了簡化處理,暫不考慮轉(zhuǎn)速的影響因素,這里用靜子葉柵代替圖2中的轉(zhuǎn)子.則實際模擬的區(qū)域包括葉片通道、葉尖間隙、處理槽以及處理槽與機(jī)匣間的氣室結(jié)構(gòu).2計算邊界條件數(shù)值模擬采用Numeca的三維雷諾平均N-S方程求解,空間采用Jameson的中心差分格式,時間推進(jìn)采用四階Runge-Kutta,湍流粘性選擇B-L模型求解.計算域如圖3和圖4所示.計算時在葉片前后周向為周期性邊界,葉片表面為固壁邊界,除處理槽所在范圍葉片通道的上下邊界為固壁邊界;葉尖間隙區(qū)域在周向為周期性邊界,在與處理槽相接的端面上,與槽相通處為連接條件,不通處為固壁條件;處理機(jī)匣氣室區(qū)域在周向為周期性邊界,在與處理槽相接的端面上,與槽相通處為連接條件,不通處為固壁條件,其余氣室邊界為固壁條件;處理槽區(qū)域在與間隙和氣室相接的端面上為連接條件,其余處理槽邊界為固壁條件;計算域的軸向入口為進(jìn)口條件,給定總溫、總壓和兩個氣流角,軸向出口為出口條件,給定反壓;計算域中各分區(qū)塊(Block)相連接的端面,皆取為連接條件.所有固壁邊界均為無滑移、絕熱條件.計算網(wǎng)格如圖3和圖4所示.這里對圓弧斜槽的幾何形狀并未加以簡化,考慮到其形狀的特殊性,則每個處理槽的網(wǎng)格都劃分成5個Block.由于處理槽與葉片數(shù)之比為5,因此一個葉片通道包含5個處理槽,但處理槽為斜槽,且與葉片形狀和周向位置不同,為了保證間隙區(qū)的周期性,于是將間隙區(qū)分為2層,并將上層區(qū)域按照處理槽構(gòu)造計算區(qū)及其網(wǎng)格,下層區(qū)域按照葉片通道構(gòu)造網(wǎng)格,雖然會在兩層間形成周向的錯位,但通過將此錯位區(qū)一分為二,其分界線為下層的周向邊界,則錯位端面信息由周期性條件填補,并不影響計算,最終全部的計算域劃分為34個Block,其Block的位置及網(wǎng)格分布如表2所示.為了進(jìn)行對比分析,本文也進(jìn)行了無處理機(jī)匣葉柵機(jī)構(gòu)的數(shù)值模擬,整個計算域只分為主葉片通道和葉尖間隙2個Block,為了節(jié)省篇幅,這里略去網(wǎng)格圖示.計算選擇了0°和6°攻角工況,其進(jìn)出口工況參數(shù)見表3.3計算結(jié)果和分析3.1無處理機(jī)表方面的泄漏渦流的形成從定性趨勢上講,0°和6°攻角工況的渦系演化是類似的,為了節(jié)省篇幅,這里選擇了6°攻角工況對有無處理機(jī)匣的流場進(jìn)行比較.圖5為無處理機(jī)匣的模擬結(jié)果,代表了不同軸向位置的流線切片圖,L為葉片弦長的軸向投影長度,X為軸向坐標(biāo)(坐標(biāo)原點在葉片前緣).例如X/L=-20%就表示葉片前20%軸向弦長處,其余以此類推.圖5只截取了靠近葉尖的部分區(qū)域,各切片圖中左側(cè)為吸力面,右側(cè)為壓力面.由于葉尖間隙的存在,氣流在壓力面和吸力面壓差的驅(qū)動下,由葉盆經(jīng)過間隙流向葉背,從而形成了葉尖的泄漏渦,圖中所示,泄漏渦在60%軸向弦長處開始產(chǎn)生并向下游發(fā)展,而且是從吸力面發(fā)出,在向下游發(fā)展的過程中,逐漸移向壓力面.隨著流出葉片的距離越遠(yuǎn),渦的強(qiáng)度逐漸減弱,但在280%軸向弦長處仍然沒有完全消失.目前的研究已經(jīng)證明,葉尖泄漏渦是引起壓氣機(jī)失速的重要因素.因此,減弱泄漏渦的強(qiáng)度無疑將會改善失速裕度,在圖6的計算中,選用了具有圓弧斜槽結(jié)構(gòu)的處理機(jī)匣,可以定性的分析該種處理結(jié)構(gòu)改善失速裕度的部分機(jī)理.圖6展示了圓弧斜槽處理機(jī)匣的流線切片.氣流在處理槽及氣室的前端從氣室流向葉片主通道,這種趨勢在圖6所示的20%軸向弦長處表現(xiàn)得最為強(qiáng)烈,在靠近吸力面一端以噴射狀進(jìn)入葉片區(qū),之后噴射強(qiáng)度逐漸減弱,在40%軸向弦長處這種向葉片區(qū)的的噴射趨勢幾乎消失,同時由葉片區(qū)向處理槽內(nèi)的流動開始占有優(yōu)勢,到了60%軸向弦長處,在靠近壓力面的葉片區(qū)呈現(xiàn)由葉片區(qū)向處理槽內(nèi)強(qiáng)烈的噴射狀態(tài),由此可知,在處理槽的后端,氣流在壓力面的高壓作用下吸入處理槽及氣室,在氣室中向上游和壓力較低的吸力面流動,最后在處理槽前端靠近吸力面處排出.與無處理機(jī)匣的情況類似,60%軸向弦長之后泄漏渦開始形成并逐漸由葉背向葉盆方向發(fā)展,但在處理槽的抽吸作用下,二者的發(fā)展情況卻十分不同.同樣為80%軸向弦長處,具有處理機(jī)匣的泄漏渦緊貼在葉背,其影響范圍要比無處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)的小得多,這說明處理機(jī)匣的的抽吸作用大大抑制了泄漏渦的發(fā)展.因此在隨后向下游的發(fā)展中,泄漏渦的強(qiáng)度衰減得較快,到200%軸向弦長處渦核已經(jīng)消失,而無處理機(jī)匣的結(jié)構(gòu)直到280%軸向弦長處仍然可清晰的看到渦核的存在.3.2不同工況下所使用的種特性圖7將有無處理機(jī)匣的葉柵出口周向平均總壓沿展向的分布進(jìn)行了對比,其中實心點代表無處理機(jī)匣的結(jié)構(gòu),空心點則代表圓弧斜槽機(jī)匣的處理結(jié)果.結(jié)果表明,由于圓弧斜槽機(jī)匣大大削弱了泄漏渦的強(qiáng)度,從而也減少了漏流下洗所帶來的損失,使得總壓在整個范圍內(nèi)得到了較好的分布,特別是葉片根部基本消除了由泄漏渦帶來的影響,總壓分布更為飽滿.但同時也應(yīng)注意到,在緊靠葉尖的局部區(qū)域,處理機(jī)匣的總壓低于普通機(jī)匣,這應(yīng)該是氣流進(jìn)出處理槽所帶來新的額外損失在出口的反應(yīng),處理機(jī)匣對損失特性的影響將取決于這兩方面的綜合因素.為了評價該處理機(jī)匣對特性改善的效果,我們希望得到一個定量的指標(biāo),由于是靜子葉柵,這里采用式(1)求解損失系數(shù)ωˉˉωˉ,表4將處理機(jī)匣處理前后的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一整理.結(jié)果表明,在所模擬的兩個工況內(nèi),圓弧斜槽處理機(jī)匣都不同程度的改善了該葉柵的性能,損失分別降低了2.987%(0°工況)和2.14%(6°工況).這表明在計算工況下,圓弧斜槽處理機(jī)匣對泄漏渦損失的削弱超過了自身引入的新?lián)p失,使得該靜子葉柵特性得到了良好的改善.ωˉˉ=P?1?P?2P?1?P1×100%(1)ωˉ=Ρ1*-Ρ2*Ρ1*-Ρ1×100%(1)4不同結(jié)構(gòu)的壓路1)在葉輪機(jī)械中,葉尖泄漏渦是引起葉片失速的重要因素.2)圓弧斜槽處理機(jī)匣結(jié)構(gòu),借助抽吸作用改變