單級離心壓氣機(jī)葉片表面非定常壓力分布研究

摘 要：針對某單級離心壓氣機(jī)，開展了全通道非定常數(shù)值模擬計(jì)算，研究了離心葉輪葉片表面的非定常壓力分布。結(jié)果顯示，離心葉輪葉片表面壓力面上的非定常脈動特征比吸力面?zhèn)让黠@，且葉片根部壓力脈動最大;整體而言，葉輪葉片表面壓力分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律，該規(guī)律對于離心壓氣機(jī)的振動預(yù)測和改善氣動性能及使用壽命具有較好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：離心壓氣機(jī);數(shù)值模擬;非定常;葉片壓力分布

離心壓氣機(jī)因其單級壓比高、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，是中小流量渦軸、渦槳航空發(fā)動機(jī)和輔助動力裝置最重要的壓縮系統(tǒng)部件。目前，在我國中小流量航空發(fā)動機(jī)研制過程中，出現(xiàn)了不少離心壓氣機(jī)葉片裂紋和掉塊故障，而根據(jù)故障結(jié)果分析，大部分是由于高周疲勞導(dǎo)致的。引起葉輪疲勞破壞一方面是由于材料本身缺陷和加工制造原因，另一方面則是由于葉片交變載荷的長期作用。針對離心壓氣機(jī)的葉片疲勞故障，較多的研究主要集中在加工制造和材料缺陷等方面。而對于離心壓氣機(jī)內(nèi)部非定常流動影響葉輪振動、強(qiáng)度的研究，也主要是采用理論計(jì)算和定性分析。Ju 等對一離心式壓縮機(jī)進(jìn)行了非定常流場計(jì)算，考察不同工況下的葉片表面壓力脈動、應(yīng)力變化，并將結(jié)果用于壽命評估[1] 。毛義軍等計(jì)算了壓縮機(jī)首級閉式葉輪在非定常氣動力作用下的葉片等效應(yīng)力，對疲勞斷裂進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)交變應(yīng)力集中位置和葉片斷裂位置的一致性[2]。

為實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動特性、尾流激振響應(yīng)等多方面的分析預(yù)估，需將葉輪葉片在氣動載荷激勵下的振動應(yīng)力水平及分布進(jìn)行綜合研究。若需預(yù)測完整的振動響應(yīng)，必須獲取真實(shí)的非定常氣動載荷。在真實(shí)的進(jìn)出口環(huán)境下，研究離心葉輪葉片表面壓力脈動特征，探索葉片所受交變載荷的脈動規(guī)律，支撐離心壓氣機(jī)的氣動改進(jìn)和振動預(yù)測，對于提高離心壓氣機(jī)的性能、可靠性和使用壽命都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究對象和計(jì)算方法

研究對象為單級離心壓氣機(jī)，包括徑向進(jìn)氣的進(jìn)口支板、離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器和回流器共4排葉片，計(jì)算域如圖1示意圖所示。

數(shù)值計(jì)算采用NUMECA軟件包進(jìn)行，基于全通道的離心壓氣機(jī)網(wǎng)格模型，首先開展的定常計(jì)算[3-5]，再以此狀態(tài)點(diǎn)的定常計(jì)算收斂結(jié)果作為初場，保持壓氣機(jī)邊界條件不變，進(jìn)行非定常計(jì)算。

非定常計(jì)算中一個計(jì)算周期內(nèi)設(shè)置了180個時間步長，即轉(zhuǎn)子葉柵每旋轉(zhuǎn)2°為一個物理時間步，時間步長為8.889μs。相當(dāng)于非定常計(jì)算的采樣頻率為112.5kHz，足以滿足捕捉非定常流場特征的要求。同時，每個物理時間步長內(nèi)取50步虛擬迭代。若將全部結(jié)果保存下來，對計(jì)算時間和存儲量要求巨大，故設(shè)置每20個時間步長保存一個詳細(xì)流場計(jì)算結(jié)果，一個周期共保存9個時刻結(jié)果以供詳細(xì)分析，各個時刻分別命名為T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8和T9。

2 結(jié)果分析

圖3分別給出了各個時刻下葉片在50%葉高處的壓力分布對比圖。從圖中可以看出，離心葉輪出口附近表現(xiàn)出了非常明顯的非定常特性，即葉片近出口表面壓力曲線隨時間的變化劇烈;葉輪流道內(nèi)部的出口位置附近相對進(jìn)口表現(xiàn)出更明顯的非定常特性，而壓力面?zhèn)热~片表面壓力隨時間的波動幅度較吸力面?zhèn)雀?。隨著相對弦長的增大，葉片表面的壓力脈動也越來越大，葉片上的壓力脈動主要存在于壓力面?zhèn)?，且集中發(fā)生在80%相對弦長位置到葉輪出口之間。主葉片表面壓力最大值出現(xiàn)在T2時刻，而分流葉片表面壓力最大值出現(xiàn)較主葉片晚兩個時刻，即出現(xiàn)在T4時刻，這可能由于葉輪出口的低速團(tuán)在周向輸運(yùn)產(chǎn)生時間滯后有關(guān)。

分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是：離心葉輪出口尾跡和葉輪通道內(nèi)主流區(qū)內(nèi)的有勢流體及間隙泄漏流在遇到擴(kuò)壓器葉片前緣時產(chǎn)生干涉，且這種干涉是隨著葉輪與擴(kuò)壓器周向位置的不同而變化的，并且在葉輪出口與擴(kuò)壓器進(jìn)口間的無葉段內(nèi)氣流的摻混最為劇烈，無葉段內(nèi)的擾動向上游傳播，從而引起了葉輪出口的壓力脈動現(xiàn)象。

圖4給出了主葉片、分流葉片在壓力面?zhèn)炔煌~高處出現(xiàn)的壓力最大值和最大壓力脈動值。隨著葉高的增加，葉片表面出現(xiàn)的壓力最大值和壓力脈動最大值均呈均勻減小的趨勢，且分流葉片減小的梯度大于主葉片，說明分流葉片表面的壓力變化沿葉高更為劇烈。整個葉片表面出現(xiàn)最大壓力值和壓力脈動最大值的地方均位于葉片的10%葉高位置，而且分流葉片根部的壓力變化較主葉片更明顯，說明葉片根部受到的氣動激振力較大。

出現(xiàn)壓力最大值及壓力脈動最大值對應(yīng)的相對弦長位置如圖5所示?？梢?，隨著葉高增高，主葉片出現(xiàn)壓力最大值和壓力脈動最大值的位置往葉輪出口方向緩慢后移，而分流葉片則往前緣方向均勻前移，且主葉片出現(xiàn)壓力最大值和壓力脈動最大值的位置在不同葉高均比分流葉片靠后。

圖6給出了各個時刻下各葉片50%葉高處的葉片載荷分布對比圖，葉片載荷定義為相同弦長位置點(diǎn)，壓力面靜壓與吸力面靜壓之差。從圖中可見，葉片的載荷加載量隨著弦長的增大，其非定常特性越顯著。同時，由于分流葉片前緣位置相對靠后，其載荷脈動的相對弦長范圍比主葉片更寬廣。

圖7給出了主葉片和分流葉片不同葉高的相對載荷在一個周期內(nèi)不同時刻的變化示意圖，相對載荷定義為該葉高位置葉片載荷在整個相對弦長范圍內(nèi)的積分值與最大值的比值，詳見公式（1）、（2）。

其中，上標(biāo)L表示弦長長度，Δp表示葉片表面壓力面與吸力面壓力差，ds為單位弦長，為某葉高位置葉片載荷量，為的最大值。

從圖中可見，各葉片不同葉高的載荷量不同，同時也隨著時刻的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化。從葉高的變化來看，分流葉片載荷加載量隨葉高增大均勻增加，而主葉片則隨著葉高的升高加載量增長的趨勢則不同，葉中和葉尖的載荷量基本一致。從時間的變化來看，同一個葉片不同葉高上的載荷加載量隨著時刻變化的趨勢基本一致;葉中和葉尖的載荷量隨時間的變化最大幅值均在20%左右，而葉根的載荷量隨時間變化幅度較大，接近30%。

3 結(jié)論

本文對某單級離心壓氣機(jī)的主葉片和分流葉片表面壓力分布進(jìn)行詳細(xì)研究，分析了不同葉高表面壓力脈動特征和載荷變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）離心葉輪葉片表面壓力面上的非定常脈動特征比吸力面?zhèn)让黠@，靠近葉輪出口后半弦長范圍內(nèi)的壓力波動幅度相對前半葉片弦長范圍內(nèi)更大。

2）葉片表面壓力最大值和脈動最大值均出現(xiàn)在10%葉高的葉根位置，葉片各葉高的載荷量隨時間變化的規(guī)律基本一致，但葉根位置隨時間變化的幅度更大。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ju Y， Liu H， Yao Z， Xing P， Zhang C. Fluid-structure Interaction Analysis and Lifetime Estimation of a Natural Gas Pipeline Centrifugal Compressor under Near-choke and Near-surge Conditions[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2015， 28（6）： 1261-1268.

[2] 毛義軍， 祁大同， 許慶余. 離心壓縮機(jī)葉輪葉片疲勞斷裂故障的數(shù)值分析[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 42（11）：1336-1339.

[3] 劉濤，李杜，賀丹，吳俊峰.湍流模型和差分格式在小流量離心壓氣機(jī)數(shù)值計(jì)算的研究[C]. 中國航空動力分會第十一屆小型發(fā)動機(jī)學(xué)術(shù)研討會，2017.

[4] 賀丹，李杜，劉濤，張錦綸.某單級離心壓氣機(jī)的網(wǎng)格無關(guān)性研究[C].中國航空動力分會第十一屆小型發(fā)動機(jī)學(xué)術(shù)研討會，2017.

[5] 吳俊峰，李杜，劉濤，賀丹.單級離心壓氣機(jī)三維全通道數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)研究[C].中國航空動力分會第十一屆小型發(fā)動機(jī)學(xué)術(shù)研討會，2017.

作者簡介：

賀丹（1988-），女，土家族，湖南株洲人，碩士，工程師，現(xiàn)就職于中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，研究方向：壓氣機(jī)氣動設(shè)計(jì)。