壓氣機(jī)級內(nèi)動靜非定常干涉數(shù)值研究

侯憲科， 王祥鋒

（1.通用電氣-哈動力-南汽輪能源服務(wù)（秦皇島）有限公司，河北 秦皇島066001；

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

1 引 言

彎掠設(shè)計技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高性能的壓氣機(jī)設(shè)計中［1］，極大地提高了航空發(fā)動機(jī)的性能，具有極大的工程應(yīng)用價值。

壓氣機(jī)葉片動靜非定常干擾影響著其氣動性能的優(yōu)劣，引起了較大的關(guān)注［2，3］。Curtis［4］的研究指出，若在對葉片進(jìn)行設(shè)計時就將非定常流動的影響考慮進(jìn)來，能夠在不影響壓氣機(jī)性能的前提下增加葉片的氣動負(fù)荷。Schulte［5］認(rèn)為設(shè)計葉片時考慮尾跡通過的影響，通過正確的選擇尾跡通過的頻率或尾跡的強(qiáng)度，能夠設(shè)計出高負(fù)荷葉柵并同時減少葉柵的損失。

本文采用非定常的數(shù)值模擬方法，對原型壓氣機(jī)和改型壓氣機(jī)級進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了原型和改型動葉不同尾跡輸運(yùn)的特點，及其對下游靜葉的非定常擾動。

2 數(shù)值方法

圖1 計算網(wǎng)格示意圖

本文數(shù)值模擬模型為某多級壓氣機(jī)第七級原型級和彎掠動葉改型級。采用三維N-S 求解器FINETM 模塊對壓氣機(jī)級進(jìn)行非定常數(shù)值模擬。非定常計算采用葉片約化方法，計算葉片數(shù)目約化為2∶3。計算網(wǎng)格采用Autogrid5 與IGG 生成，計算網(wǎng)格總數(shù)約250 萬，圖1 給出了計算所用的網(wǎng)格示意圖。

3 動靜葉干擾對靜葉流動的影響

本文采用非定常脈動速度［6］來研究非定常效應(yīng)對靜葉柵流場的影響。

圖2 給出了一個周期內(nèi)不同時刻5%葉高截面處靜葉流道內(nèi)的脈動速度矢量圖。從圖中可以看到動葉尾跡在下游靜葉流道內(nèi)的輸運(yùn)特性，即在非定常脈動速度的作用下，靜葉流道內(nèi)所產(chǎn)生的二次渦的演變過程。可以看到，靜葉流道內(nèi)因脈動速度形成了旋轉(zhuǎn)速度相反的一對旋渦，強(qiáng)度一強(qiáng)一弱。隨著動葉的旋轉(zhuǎn)，這一對旋渦的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，強(qiáng)弱相當(dāng)。靜葉流道中的旋渦與附面層發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，下游靜葉片表面邊界層內(nèi)的流動情況將因此而發(fā)生改變，同時對邊界層造成的損失產(chǎn)生影響。由于受到上述旋渦的影響，同時在動葉尾跡對靜葉流道內(nèi)主流的干擾下，靜葉表面氣動負(fù)荷分布的大小與分布規(guī)律都發(fā)生了改變，進(jìn)而影響到壓氣機(jī)的氣動性能。在動葉尾跡進(jìn)入靜葉流道前，在靜葉前緣處的壓力面和吸力面附近，脈動速度的量值很大，說明上游動葉的尾跡對這些位置的干擾非常強(qiáng)。動葉尾跡在靜葉流道內(nèi)遷移的過程中，因為和勢流的摻混作用，非定常擾動速度逐漸減小，到了流道的后段，脈動速度已經(jīng)非常小了。

圖2 5%葉高靜葉流道脈動速度矢量分布

圖3 50%葉高靜葉流道脈動速度矢量分布

圖4 95%葉高靜葉流道脈動速度矢量分布

結(jié)合不同時刻3 個葉高截面的靜葉流道脈動速度矢量分布。可以看到，除了擾動速度的強(qiáng)度大小不同之外，脈動速度形成的旋渦結(jié)構(gòu)和演變的規(guī)律也有所不同，這除了與動葉葉根角渦和葉頂泄漏渦的影響不同有關(guān)外，還與葉片的設(shè)計有關(guān)。在設(shè)計壓氣機(jī)級時考慮到級動、靜葉間的氣流角匹配的需要，動葉并不是完全意義上的直葉片。在非定常條件下，靜葉前緣線在沿著葉高方向與上游動葉的尾緣存在著相位差，因此動葉尾跡在對靜葉不同葉高處的流道進(jìn)行掃掠的的位置也有所不同，導(dǎo)致靜葉內(nèi)流動沿葉高也是不同的。考慮到這一點，如果在壓氣機(jī)設(shè)計中引入非定常方法，考慮由于動葉尾緣和靜葉前緣之間的緣線匹配所導(dǎo)致的非定常波動，可以提高壓氣機(jī)性能。

4 壓氣機(jī)級尾跡輸運(yùn)特性

本文采用脈動強(qiáng)度系數(shù)［6］來研究單級壓氣機(jī)中動葉彎掠設(shè)計后對動葉尾跡的輸運(yùn)特點。

圖5 動葉出口脈動強(qiáng)度系數(shù)分布云圖

5 結(jié) 論

動葉尾跡對下游靜葉流道根部和頂部截面所造成的非定常擾動的幅值和影響范圍都要大于中部截面。采用彎掠設(shè)計的改型動葉改變了高脈動分布區(qū)域，明顯減弱了葉片頂部泄漏渦與動葉尾跡頂部的脈動強(qiáng)度，對下游靜葉的非定常干擾減弱。

［1］ 徐建中.葉輪機(jī)械氣動熱力學(xué)的回顧與展望［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，1999，33（9）：1-4.

［2］ SANDERS A J，et al. Multi-blade row interactions in atransonic axial compressor: Part ⅡRotor wake forcing function and stator unsteady aerodynamic response［R］. ASME Paper 2001-GT-0269.

［3］ 顏培剛，李紹斌，陳浮，等.靜葉片時序效應(yīng)對壓氣機(jī)葉片非定常氣動負(fù)荷的影響［J］.航空動力學(xué)報，2008，23（1）：117-124.

［4］ CURTIS E M，et al.Development of Blade Profiles for Low Pressure Turbine Applications［J］. ASME Journal of Turbomachinery，1997，119（3）：531-538.

［5］ SCHULTE V，et al. Prediction of the Becalmed Region for LP Turbine Profile Design［R］.ASME Paper 97-GT-398，1997.

［6］ 毛明明.跨聲速軸流壓氣機(jī)動葉彎和掠的數(shù)值研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.