葉片表面粗糙度對壓氣機特性影響的研究

王冠超

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.174

摘 要：葉片表面粗糙度的改變，將引起增壓能力、效率和流通能力的改變。利用流場仿真技術，研究壓氣機在不同的轉速和粗糙度下，性能的變化。結果表明，當壓氣機葉片表面粗糙度降低時，壓氣機的增壓比和效率顯著提高，葉片表面激波強度減弱，總體性能得到提高。

關鍵詞：粗糙度 流場仿真 壓氣機特性

中圖分類號：V235.13 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（c）-0174-02

長期使用，發動機各部件型面如壓氣機和渦輪葉片積塵、腐蝕、幾何變形等，都嚴重影響發動機的性能。任何一種失效形式，都會導致葉片表面粗糙度的變化。隨著葉片表面粗糙度的改變，壓氣機氣流通道的流通能力，以及壓氣機的增壓比和效率隨之改變。

李本威采用在易積垢部位增加隨機尺寸的方法模擬葉片積垢等原因引起的葉型改變，分析了葉片積垢、葉頂間隙增大等因素對壓氣機性能的影響。李釗等將積垢影響換算成壓氣機葉片粗糙度的變化，分別對積垢分布在葉片前緣、吸力面與壓力面以及在不同轉速下的壓氣機性能進行了仿真計算。鄭贇分析了在氣動載荷下，葉片變形對風扇氣動性能變化的影響。

該文在上述研究基礎上，通過仿真壓氣機流場性能，研究葉片表面粗糙度降低后，壓氣機特性的變化情況。

3 模型的建立與求解

3.1 模型建立

以軸流式壓氣機為研究對象。根據發動機軸流壓氣機盤三維葉型數據，建立模型，共21個截面，每個截面284個點，合計5964個點。網格拓撲結構選取HOH型網格，其中葉片前后延伸段采用H型網格，葉片型面附近采用O型網格，其中前后延伸段節點分布為33×61×97 （軸向×徑向×周向），葉片型面附近節點分布為49×61×99，端壁和葉片表面第一層網格尺度為0.00001 mm，保證壁面第一層網格0

3.2 仿真計算

以單通道進行計算。選定流動介質類型為理想氣體；轉速為設計轉速；設定邊界條件：進口條件為標準大氣，給定氣流的總壓101325Pa、總溫288.15K，出口條件為給出指定半徑處0.2 m的靜壓值；設定細網格計算和CFL數等相關參數；固壁為絕熱、無滑移邊界條件，進出口延伸段設置為周期性邊界條件。

4 仿真結果與分析

通過降低壓氣機葉片表面粗糙度的方法來定量研究葉片表面粗糙度對壓氣機特性的影響，以獲取相關的作用機理和影響規律。

圖1給出了設計轉速下壓氣機在粗糙度降低前后的特性曲線。由圖1可知，葉片表面粗糙度的降低將導致壓氣機的增壓比和效率顯著提高。

圖2給出了100%設計轉速下，50%葉高位置處的S1面馬赫數分布圖。由圖2可見，隨著葉片表面粗糙度的減小，吸力面側激波的位置向葉片出口方向移動，且激波的強度有所減小，氣流密度隨之減小，使得激波作用引起的分離推遲發生，從而使得葉片的尾跡區范圍減小，壓氣機性能改善。隨著轉速的下降，激波強度減小，尾跡區范圍減小。

5 結語

（1） 葉片表面粗糙度的降低，這將導致壓氣機增壓比和效率顯著提高，壓氣機工作特性改善。

（2） 隨著葉片表面粗糙度的降低，吸力面側激波的位置向葉片出口方向移動，且強度有所減小，葉片尾跡區范圍減小。

參考文獻

[1] 李本威，李冬，李姜華，等.單級壓氣機性能衰退定量研究[J].航空動力學報，2010，25（7）：1588-1594.

[2] 李釗，李本威， 王東藝，等.壓氣機性能參數對積垢敏感性分析[J].航空計算技術， 2011，41（6）：41-44.

[3] 鄭贇，田曉，楊慧.跨聲速風扇葉片變形對氣動性能的影響[J].航空動力學報，2011，26（7）：1621-1627.