杜 鑫, 王松濤, 王仲奇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150001)

符號(hào)說明

p*——總壓vz——軸向速度p——靜壓t——節(jié)距ˉH —— 相對(duì)葉高ˉC— —相對(duì)弦長(zhǎng)

CP——靜壓系數(shù),CP=2(p-p1)/(ρ1? v21)ρ1——葉柵進(jìn)口密度v1——葉柵進(jìn)口絕對(duì)速度z——軸向a——葉片彎曲角度h——葉片彎曲高度i——進(jìn)口氣流沖角α——絕對(duì)氣流角β——相對(duì)氣流角p1—葉柵進(jìn)口靜壓

在重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的優(yōu)化改型中,提高壓氣機(jī)壓比、效率及擴(kuò)大壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍是最主要的工作內(nèi)容.在多級(jí)軸流式壓氣機(jī)中,由于前面級(jí)附面層的累積作用,多級(jí)壓氣機(jī)后面級(jí)的附面層較厚,流動(dòng)損失較高,而且角區(qū)失速極易發(fā)生.在某些型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)中,壓氣機(jī)靜葉根部設(shè)有間隙,盡管這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多是出于對(duì)加工工藝與制造成本的考慮,但靜葉根部間隙的存在總會(huì)對(duì)其氣動(dòng)性能造成一定程度的影響:首先,根部間隙的存在雖然可避免靜葉角區(qū)低能流體的堆積,但卻增加了根部泄漏流動(dòng)損失;其次,當(dāng)泄漏流尺度增大、對(duì)下端壁流道的阻塞作用增強(qiáng)時(shí),也易引發(fā)角區(qū)失速.國內(nèi)外許多研究者對(duì)動(dòng)葉頂部泄漏流動(dòng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[1-7],但有關(guān)靜葉根部泄漏流動(dòng)[8]及其相應(yīng)控制技術(shù)的研究并不多見.

本文以某重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)后面級(jí)靜葉為研究對(duì)象,對(duì)比分析了彎葉片對(duì)泄漏渦運(yùn)行軌跡和旋渦強(qiáng)度的影響、造成泄漏流動(dòng)改變的根本原因以及泄漏流動(dòng)變化對(duì)參數(shù)匹配的影響.

1 彎葉片設(shè)計(jì)方案與數(shù)值模擬方法

1.1 幾何參數(shù)和彎葉片設(shè)計(jì)方案

研究對(duì)象為某重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)后面級(jí)靜葉,為了使問題簡(jiǎn)化并突出重點(diǎn),根據(jù)原始靜葉根部葉型、節(jié)距、間隙大小以及葉片高度,設(shè)計(jì)了直葉片矩形葉柵,并在此基礎(chǔ)之上,研究了彎葉片對(duì)間隙泄漏流動(dòng)的影響.葉片彎曲會(huì)造成葉片表面積增大,不同的積迭方式會(huì)使不同葉片的表面積增量發(fā)生變化,為了使表面積增量最小化,并將摩擦損失增幅控制在最小值,將彎葉片的積迭線形式定為折線,轉(zhuǎn)折處采用圓弧過渡.葉柵的主要幾何參數(shù)和彎葉片設(shè)計(jì)方案見表1.圖1所示為葉片中部以下的彎葉片積迭線,圖中的彎曲角度為正.

1.2 數(shù)值模擬方法

采用FINE/T URBO軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,葉柵流道空間離散網(wǎng)格使用前處理模塊IGG/AutoGrid生成.N-S方程求解器采用FINETM模塊,時(shí)間推進(jìn)采用4階Runge-Kutta法迭代求解,湍流模型采用低雷諾數(shù)Spalart-Allmaras模型.葉柵進(jìn)口總壓為1 617 283.0 Pa,進(jìn)口總溫為714.62 K,進(jìn)口Ma為0.34.

表1 葉柵基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the cascade

圖1 彎葉片積迭線Fig.1 Stack line of curved blade

采用的計(jì)算網(wǎng)格示于圖2.由于靜葉原型的展弦比較大,如果對(duì)整個(gè)葉高進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在保證網(wǎng)格伸展比合理的情況下,網(wǎng)格數(shù)將大幅增加.通過對(duì)原型進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算,發(fā)現(xiàn)在-5°～+5°的沖角范圍內(nèi),下端區(qū)流動(dòng)影響范圍均遠(yuǎn)沒有達(dá)到葉片中部.因此,出于保證網(wǎng)格質(zhì)量及控制網(wǎng)格總數(shù)的目的,對(duì)矩形葉柵進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),僅對(duì)半葉高進(jìn)行網(wǎng)格劃分,邊界條件設(shè)置為對(duì)稱條件.為了描述近端壁處的流動(dòng)現(xiàn)象,依據(jù)泄漏流動(dòng)的空間尺度,在距端壁20%葉高范圍內(nèi)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理(圖2).對(duì)靠近壁面的網(wǎng)格進(jìn)行加密控制,使壁面第1層網(wǎng)格滿足y+＜3.計(jì)算域包括葉柵流道和間隙區(qū)域.葉柵流道的網(wǎng)格形式為HOH型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格分布為(周向×徑向×軸向):41×57×25(H),45×57×221(O),77×57×49(H).間隙區(qū)域采用OH型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格分布為(周向×徑向×軸向):9×13×289(O),17×13×129(H).計(jì)算域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為902 673個(gè).

圖2 計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computation grid

2 結(jié)果與分析

2.1 泄漏渦形成與發(fā)展的對(duì)比分析

所研究的靜葉根部端壁是旋轉(zhuǎn)的(靜葉根部端壁與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)),由于粘性的作用,移動(dòng)的下端壁在間隙區(qū)域產(chǎn)生切向剪切應(yīng)力以及很大的速度梯度,使得泄漏流動(dòng)更加復(fù)雜.

圖3為直葉片和彎葉片(h10a25、h10a45)在1%葉高處的靜壓系數(shù)CP等值線以及泄漏流的三維流線.圖中相鄰等值線之間的靜壓系數(shù)差相同,因此,等值線越密集,表示壓力梯度越大.靜壓系數(shù)極小點(diǎn)的連線與泄漏渦渦核的運(yùn)行軌跡對(duì)應(yīng),在泄漏渦渦核運(yùn)行軌跡的兩側(cè),壓力梯度反映了泄漏渦的強(qiáng)度——當(dāng)泄漏渦較強(qiáng)時(shí),泄漏渦內(nèi)流體繞渦軸的旋轉(zhuǎn)速度較快、離心力較大,在渦核內(nèi)外產(chǎn)生較大的壓力梯度.泄漏渦在葉片吸力面前緣點(diǎn)附近形成后,在向下游發(fā)展的過程中,在下端壁切向應(yīng)力與流道內(nèi)壓力場(chǎng)的共同作用下,泄漏渦向相鄰葉片的壓力面一側(cè)遷移.在逆壓梯度的作用下,泄漏渦渦核強(qiáng)度沿軸向逐漸減小,泄漏渦尺度逐漸增大.在直葉片中,泄漏渦渦核兩側(cè)的壓力梯度較大,說明泄漏渦渦量較大,在泄漏渦向下游發(fā)展過程中,泄漏流不斷補(bǔ)充到泄漏渦中,并隨泄漏渦離開流道.在彎葉片中,泄漏渦起始點(diǎn)前移,渦核初始強(qiáng)度小于直葉片,在流道出口,泄漏渦橫向遷移距離大于直葉片,來自尾緣附近的泄漏流沒有被泄漏渦裹挾離開流道,而是通過相鄰葉片的間隙進(jìn)入相鄰流道;隨著彎角的增大,泄漏渦起始點(diǎn)前移,渦核初始強(qiáng)度減小,泄漏渦橫向遷移量增大;在h10a45彎葉片中,泄漏渦在流道中部達(dá)到壓力面一側(cè),來自后半部分弦長(zhǎng)的泄漏流沒有補(bǔ)充進(jìn)入泄漏渦中,而是進(jìn)入相鄰流道內(nèi).與直葉片相比,由于彎葉片泄漏渦與壓力面的接觸點(diǎn)更靠近前緣,因此,彎葉片中泄漏渦渦核離開流道時(shí),其速度方向與直葉片相比更加靠近流道軸向.

圖3 直葉片和彎葉片(h10a25、h10a45)在1%葉高處的靜壓系數(shù)等值線和泄漏流三維流線Fig.3 Isolines of static pressure coefficients and 3D streamlines of leakage flow at 1%span for straight blade and curved blade(h10a25,h10a45)

圖4為直葉片和彎葉片(h10a45)在 50%、100%和240%弦長(zhǎng)位置、S3截面上渦量等值線沿軸向的變化規(guī)律.由于S3截面不垂直于泄漏渦渦軸,因此無法通過渦量判定渦核的確切位置,但是可以定性地分析泄漏渦造成的損失.由圖4可知,在50%弦長(zhǎng)處,直葉片中泄漏渦剛離開葉片吸力面,渦核比較集中,渦量大、尺寸小;在相同的弦長(zhǎng)位置上,彎葉片中泄漏渦已經(jīng)在流道中發(fā)展了一段距離,由泄漏渦引起的高渦量區(qū)域范圍較大——徑向范圍達(dá)到5%葉高,周向范圍發(fā)展到了相鄰葉片的壓力面.在100%弦長(zhǎng)處,泄漏渦在直葉片和彎葉片中的徑向尺寸均超過了5%葉高,直葉片中泄漏渦的周向尺寸和渦量均明顯大于彎葉片.由圖3可知,在這個(gè)位置上,直葉片中的泄漏流不斷補(bǔ)充到泄漏渦中,彎葉片中的泄漏流有一部分沒有進(jìn)入泄漏渦,而是進(jìn)入了相鄰流道,因此,在相同位置上,直葉片中泄漏渦的渦核強(qiáng)度更大.在10%葉高附近,由于附面層增厚,壓力面上的渦量增大,彎葉片較直葉片更為明顯.在240%弦長(zhǎng)處,泄漏渦在直葉片和彎葉片中的徑向尺寸均達(dá)到了10%葉高以上;在5%葉高附近,渦量主要來自泄漏渦,直葉片的渦量較大;在10%葉高附近,渦量主要來自葉片表面的附面層,因此,在彎葉片徑向壓力梯度的作用下,彎葉片的渦量較大.

綜上所述,在泄漏渦的形成過程中,彎葉片中泄漏渦進(jìn)入流道的起始點(diǎn)前移,渦核的初始強(qiáng)度減弱;在泄漏渦向下游發(fā)展的過程中,彎葉片中泄漏渦橫向遷移加劇,渦核強(qiáng)度減小,泄漏渦離開流道時(shí)的速度方向更靠近軸向.

圖4 直葉片和彎葉片(h10a45)在50%、100%和240%弦長(zhǎng)位置、S3截面上的渦量等值線分布Fig.4 Isolines of vorticity on S3 surface at 50%,100%,and 240%chord fo r straight blade and curved blade h10a45

2.2 根部負(fù)荷分布的對(duì)比分析

根部負(fù)荷的大小和分布決定了泄漏摻混的損失,根部負(fù)荷是影響泄漏流動(dòng)的重要因素.圖5所示為靜葉根部負(fù)荷沿弦長(zhǎng)的分布.由圖5可知,與直葉片相比,彎葉片負(fù)荷分布有以下特點(diǎn):①最大負(fù)荷降低;②最大負(fù)荷軸向位置前移;③前緣負(fù)荷增大;④中部負(fù)荷減小.以上變化趨勢(shì)隨著彎角的增大而逐漸增大.由于最大負(fù)荷位置前移,彎葉片中泄漏渦進(jìn)入流道的起始點(diǎn)前移.彎葉片最大負(fù)荷降低,造成泄漏渦進(jìn)入流道內(nèi)的初始強(qiáng)度減小,另外,彎葉片中部負(fù)荷減小還造成中部泄漏流減弱,因此,在泄漏渦向下游發(fā)展的過程中,彎葉片中泄漏渦的強(qiáng)度小于直葉片.

圖5 靜葉根部負(fù)荷沿弦長(zhǎng)的分布Fig.5 Distribution of difference in pressure at stator hub along the chord

圖6所示為型面靜壓p分布.由圖6可知,彎葉片流道內(nèi)逆壓梯度段較長(zhǎng),直葉片逆壓梯度較大,這兩點(diǎn)都易于使泄漏渦發(fā)生耗散,因此,逆壓梯度對(duì)泄漏渦的耗散作用在直葉片和彎葉片中沒有明顯的區(qū)別.

圖6 型面靜壓分布Fig.6 Distribution of static pressure on surface of blade at stator hub

2.3 氣動(dòng)參數(shù)沿葉高分布的對(duì)比分析

圖7所示為葉柵出口軸向速度vz沿葉高的分布.由圖7可知,6%葉高以下彎葉片的vz增大,6%葉高以上彎葉片的vz減小.由于彎葉片使泄漏流減弱,下端壁通流能力提高,近端壁處的軸向速度因而增大.在葉柵流量相同的條件下,采用彎葉片后,軸向速度沿葉高重新分布.

圖7 葉柵出口軸向速度沿葉高分布Fig.7 Distribution of axial velocity at outlet along the blade height

圖8 葉柵出口絕對(duì)氣流角沿葉高分布Fig.8 Distribution of absolute flow angle at outlet along the blade height

圖8所示為葉柵出口絕對(duì)氣流角α沿葉高的分布.如前所述,彎葉片中泄漏渦渦核離開流道時(shí)的速度方向與直葉片相比更加靠近流道軸向,因此,采用彎葉片后,從下端壁到4%葉高左右α減小(如圖8(b)所示).

根據(jù)速度三角形可知,當(dāng)圓周速度確定時(shí),影響葉柵出口相對(duì)氣流角β(下一級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口氣流角)的因素主要是靜葉出口軸向速度vz和靜葉出口絕對(duì)氣流角α.在其他條件不變的情況下,β隨著vz的增大而減小,隨著α的減小而增大.圖9所示為葉柵出口相對(duì)氣流角β沿葉高的分布.由圖9可知,從下端壁到6%葉高左右,采用彎葉片后,β減小,這說明靜葉出口軸向速度vz對(duì)β的變化起主要作用.同時(shí),β隨著彎角的增大而減小,由此可見,彎葉片可以改善端區(qū)的流動(dòng)匹配.

圖9 葉柵出口相對(duì)氣流角沿葉高分布Fig.9 Distribution of relative flow angle at outlet along the blade height

圖10為彎葉片和直葉片中葉柵出口總壓沿葉高的分布.由圖10(a)可知,由泄漏渦引起的各項(xiàng)損失使得8%葉高以下的總壓降低,總壓在3%葉高附近達(dá)到最小值,在3%葉高以下,總壓沿葉高反方向增大,這是因?yàn)殪o葉根部端壁是旋轉(zhuǎn)的,端壁附近的氣體從外界獲得的能量使近端壁處總壓增大.采用彎葉片后,3%葉高附近的總壓最小值增大,而且隨著彎角的增大而增大.由圖10(b)可知,彎葉片使10%葉高附近的總壓減小,而且隨著彎角的增大而減小.根據(jù)前面的分析可知,3%葉高附近的能量損失主要來自泄漏渦,彎葉片中泄漏渦渦核強(qiáng)度減小,因此損失減少;10%葉高附近的能量損失主要來自葉片表面的附面層,彎葉片中附面層較厚,且隨著彎角的增大而增大,因此,損失增大.

3 結(jié) 論

(1)彎葉片改變了靜葉根部的負(fù)荷分布,使最大負(fù)荷減小并前移,前緣負(fù)荷增加,中部負(fù)荷減小;最大負(fù)荷前移、前緣負(fù)荷增加導(dǎo)致泄漏渦進(jìn)入流場(chǎng)的起始點(diǎn)前移;最大負(fù)荷減小使得泄漏渦渦核強(qiáng)度減小;泄漏渦向下游發(fā)展的過程中受到中部負(fù)荷的影響,彎葉片降低了葉片中部的負(fù)荷,使泄漏流減弱.

圖10 葉柵出口總壓沿葉高分布Fig.10 Distribution of total pressure at outlet along the blade height

(2)彎葉片通過減小泄漏渦強(qiáng)度,可減少能量損失,提高下端壁的通流能力,改善了流道出口氣動(dòng)參數(shù)的均勻性,尤其是使近端壁處的軸向速度增大,有利于原型壓氣機(jī)根部的流動(dòng)匹配.

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