發(fā)布時間：2022-02-22所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 為研究進(jìn)口總壓畸變條件下渦流發(fā)生器對壓氣機流場的影響，建立單級軸流壓氣機模型，計算和分析了不同工況下的壓氣機內(nèi)部流
摘 要: 為研究進(jìn)口總壓畸變條件下渦流發(fā)生器對壓氣機流場的影響，建立單級軸流壓氣機模型，計算和分析了不同工況下的壓氣機內(nèi)部流場。計算結(jié)果顯示: 在進(jìn)口畸變條件下，壓氣機流場惡化，性能降低; 使用渦流發(fā)生器后，可以有效改善靜葉葉根附近的流場，控制葉片尾緣分離，降低沿葉高方向的壓力波動，從而削弱進(jìn)口畸變對效率的負(fù)面影響，改善出口壓力場，提高壓氣機性能; 相比于均勻的進(jìn)口條件，在進(jìn)口畸變條件下，渦流發(fā)生器改善壓氣機性能的作用更加顯著。
關(guān) 鍵 詞: 軸流壓氣機; 渦流發(fā)生器; 進(jìn)口總壓畸變; 總壓分布; 等熵效率
引 言
壓氣機作為航空發(fā)動機中至關(guān)重要的核心部件，其主要作用是對進(jìn)入發(fā)動機中的空氣進(jìn)行增壓，從而為燃燒室提供高壓空氣。壓氣機內(nèi)部的流場狀況和氣動性能對壓氣機本身的效率和穩(wěn)定性有著重要的影響。受限于壓氣機自身的工作原理，在非設(shè)計工況下，壓氣機的穩(wěn)定工作范圍受到旋轉(zhuǎn)失速、喘振等流動失穩(wěn)的影響較大[1]。在壓氣機的設(shè)計過程中，往往為了最大限度地保證壓氣機運行的穩(wěn)定性，以效率或增壓比作為代價，為類似非穩(wěn)定工況留出一定的失穩(wěn)裕度[2]。影響軸流壓氣機穩(wěn)定性的因素有很多，進(jìn)口流場的畸變是其中相當(dāng)重要的一個因素[3]。在航空發(fā)動機實際工作過程中，進(jìn)口流場不可避免地發(fā)生畸變[4]。進(jìn)口畸變會相當(dāng)程度地擾亂壓氣機內(nèi)部的流場，大幅度影響壓氣機的穩(wěn)定性和工作效率[5]。因此，通過改善進(jìn)口畸變條件下壓氣機的內(nèi)部流場來提高壓氣機性能的研究，具有十分重要的應(yīng)用價值。
根據(jù)畸變的物性參數(shù)和空間位置的不同，進(jìn)口畸變被人為劃分為不同的類型。一般認(rèn)為，畸變主要表現(xiàn)在進(jìn)口流場溫度、壓力、速度等參數(shù)的不均勻分布。實際情況下，進(jìn)口畸變往往是多種畸變的相互耦合。其中，總壓畸變是最為常見而影響較大的類型[6]，而相比于其他方向的畸變，周向畸變對流場性質(zhì)的影響最為突出，對壓氣機性能的危害最大[7]。同時，進(jìn)口畸變往往對壓氣機的前一級或兩級影響最為明顯[8]。
渦流發(fā) 生 器 ( Vortex Generator) 于 1947 年 由 Taylor 首次提出[9]。最初應(yīng)用于飛機機翼表面，用來延緩邊界層的分離，并取得了比較良好的效果[10]。渦流發(fā)生器是典型的被動式流動控制部件，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、成本低廉和易于工程應(yīng)用等優(yōu)點，因而在流動控制領(lǐng)域具有很高的研究價值和應(yīng)用前景[11]。隨著應(yīng)用的逐漸成熟，渦流發(fā)生器由外流引入內(nèi)流，其后也出現(xiàn)了亞附面層渦流發(fā)生器和微型渦流發(fā)生器[12]等，其與普通渦流發(fā)生器效果相近，同時大幅降低了渦流發(fā)生器本身阻力[13]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，也出現(xiàn)了能夠自主產(chǎn)生射流的主動式渦流發(fā)生器[14]。本文研究的對象是流道內(nèi)安裝的普通渦流發(fā)生器。此類渦流發(fā)生器設(shè)計簡單、效果明顯，對近壁面流場有著較好的改善作用[15]。
渦流發(fā)生器能夠顯著地減小葉根邊界層分離，改善流場質(zhì)量。但是關(guān)于進(jìn)口畸變條件下，渦流發(fā)生器對流場的影響，尚未見公開發(fā)表的論文。因此，本文以單級壓氣機為研究對象，通過設(shè)置進(jìn)口周向總壓畸變，著重研究進(jìn)口總壓畸變條件下，渦流發(fā)生器對壓氣機性能及流場的影響。
1 模型及計算方法
1. 1 計算模型的設(shè)置
以單級壓氣機為研究對象，采用計算軟件 NUMECA 進(jìn)行數(shù)值計算。計算所用壓氣機幾何參數(shù)如表 1 所示。
進(jìn)口邊界條件設(shè)為總溫、總壓分布。在計算中總溫不變，設(shè)為 293 K，通過二維參數(shù)設(shè)置來實現(xiàn)進(jìn)口總壓畸變。對于進(jìn)口畸變的賦值，考慮到壓氣機的損失一般發(fā)生在靠近輪轂以及靠近機匣的位置，故將采用改變進(jìn)口機匣及輪轂附近總壓的方式來設(shè)置總壓畸變。
其他邊界條件為: 進(jìn)口方向為軸向進(jìn)口，出口條件為 靜 壓，固定壁面為無滑移邊界條件，轉(zhuǎn) 速 為 12 000 r /min，湍流模型采用 SA( Spalart-Allmaras) 模型。 1. 2 網(wǎng)格劃分利用計算軟件 NUMECA 中的 AutoGrid 功能，對計算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。在動靜葉采用默認(rèn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用 AutoGrid 分流葉片的功能實現(xiàn)對渦流發(fā)生器附近的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。葉片網(wǎng)格生成默認(rèn)對邊界層進(jìn)行加密。計算分析取總網(wǎng)格數(shù)為 198 萬。全局網(wǎng)格最小偏斜度為 17. 319，最大長寬比為 1589，網(wǎng)格質(zhì)量良好。渦流發(fā)生器附近的網(wǎng)格較為復(fù)雜，經(jīng)過加密處理，精細(xì)程度也進(jìn)一步提高，放大后的葉中渦流發(fā)生器附近網(wǎng)格如圖 2 所示。
1. 3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證
共劃分 3 組網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。在總網(wǎng)格數(shù) 198 萬的基礎(chǔ)上，分別對網(wǎng)格總量 104 萬和 402 萬的情況進(jìn)行了計算和分析，如圖 3 所示。在網(wǎng)格總量低于現(xiàn)有網(wǎng)格數(shù)的情況下，計算所得結(jié)果仍與網(wǎng)格總數(shù)相關(guān)。在超過現(xiàn)有網(wǎng)格數(shù)的情況下，計算結(jié)果與網(wǎng)格總數(shù)的相關(guān)性不明顯，因此能夠判斷網(wǎng)格數(shù)量滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求。
1. 4 計算結(jié)果驗證
在均勻進(jìn)出口條件下，將實驗結(jié)果[16]與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比，以驗證數(shù)值計算結(jié)果的可信度如圖 4 所示，其中歸一化流量為實際流量與設(shè)計工況流 量 之 比。從 圖 中 發(fā) 現(xiàn)，總壓的最大誤差為 2. 6% ，等熵效率最大誤差為 6. 9% 。計算結(jié)果能夠反映總壓比與等熵效率隨流量變化而變化的趨勢。數(shù)值計算中壓比低于實驗結(jié)果，而計算效率高于實驗效率。其原因之一，可能是實驗中無法保證均勻進(jìn)口條件，因此效率會受到一定的影響; 其二是定常計算本身對軸流壓氣機內(nèi)部流場的計算存在一定的誤差，無法完全準(zhǔn)確的描述流場。
由于計算結(jié)果能夠基本上符合實驗結(jié)果，誤差也在可以接受的范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為采用的計算方法具有一定可靠性與準(zhǔn)確性，能夠滿足分析和研究的需要。
2 計算結(jié)果分析
以有/無渦流發(fā)生器及進(jìn)口畸變?yōu)闂l件，設(shè)計 4 個計算方案，如表 2 所示。
2. 1 性能分析
圖 5 為 4 種方案計算所得的壓氣機性能曲線。由性能曲線分析可知，渦流發(fā)生器對提升壓氣機等熵效率的作用明顯。對比方案 2 和方案 4，可知在 進(jìn)口畸變條件下，增加了渦流發(fā)生器后，有效地改善了流場，平均等熵效率明顯提高，約為 1. 27% 。
對比均勻進(jìn)口條件下的方案 1 與方案 3，雖然渦流發(fā)生器也提高了壓氣機的等熵效率，但改善效果沒有進(jìn)口畸變條件下的明顯，約為 0. 72% 。
另外，渦流發(fā)生器對壓比的影響較小。均勻進(jìn)口條件下的方案 1、方案 3 和進(jìn)口總壓畸變條件下的方案 2、方案 4 的總壓比 - 流量曲線明顯接近，說明渦流發(fā)生器對壓比的影響很小。
2. 2 流場分析
為分析進(jìn)口總壓畸變及渦流發(fā)生器對壓氣機內(nèi)部流場的影響，分別選取 4 種方案的最高效率點進(jìn)行分析。
圖 6 給出了各個方案在最高效率點處的子午面絕對總壓云圖。由圖 6( b) 、6( d) 可知，當(dāng)進(jìn)口總壓發(fā)生畸變時，一級動葉首先受到較強的影響，動葉流場自葉根至葉頂發(fā)生了比較明顯的變化。此時，對比圖 6( a) 、6( b) ，可以發(fā)現(xiàn)，由于進(jìn)口的畸變，出口尾跡區(qū)擴大，靜葉上高壓區(qū)壓力增大，從而導(dǎo)致了流場質(zhì)量下降，流動效率降低。但可以發(fā)現(xiàn)，安裝了渦流發(fā)生器后( 圖 6( c) 、6( d) ) ，進(jìn)口畸變對靜葉葉根流場總壓分布的影響被削弱。這是由于在動葉尾跡區(qū)，渦流發(fā)生器降低了葉根部分尾跡分離的程度，使得流場更加穩(wěn)定。通過 4 種方案在最高效率點的子午面總壓分布分析，進(jìn)一步證明了渦流發(fā)生器能夠有效改善進(jìn)口畸變條件下的流場。
圖 7( a) ～ 7( d) 給出了在 5% 葉高處 4 個方案在最高效率點的相對馬赫數(shù)分布。由圖可知，在葉根處，進(jìn)口畸變對一級動葉的影響比較明顯，減小了動葉前緣的氣流高速區(qū)。進(jìn)口畸變條件下靜葉葉根氣流尾跡區(qū)增大，分離發(fā)生提前。渦流發(fā)生器在葉根處。有效地改善了靜葉的氣流尾跡分離，顯著地減小了由分離產(chǎn)生的回流渦的尺寸，進(jìn)而提高了壓氣機的等熵效率。
圖 7( e) ～ 7( h) 給出了 50% 葉高處的相對馬赫數(shù)分布。在此處渦流發(fā)生器的影響十分輕微，僅靜葉尾跡處有些變化。流場由畸變主導(dǎo)。進(jìn)口總壓畸變略微減小了動葉進(jìn)口處附近的高速區(qū)的分布范圍，增大了動葉上的邊界層分離，進(jìn)而影響到靜葉上的流動。
圖 7( i) ～ 7( l) 為 95% 葉高處的相對馬赫數(shù)分布。由圖可知，與葉中( 50% 葉高) 流場相比，渦流發(fā)生器對該段靜葉流場的影響增強。這是由于在渦流發(fā)生器的作用下，葉根流場改善，流速增加，高能流體沿葉高方向的遷移減少，通過葉根的流量增大。相同流量下，葉頂?shù)牧髁恳虼硕档停S向速度降低，流動角增大。由于靜葉中段流場良好，流速變化對分離影響不大。而葉頂附近流動情況復(fù)雜，對流動角的變化比較敏感。因而當(dāng)流動角發(fā)生變化時，分離增大，流場惡化。當(dāng)考慮進(jìn)口總壓畸變時，由于畸變條件的作用，抑制了葉頂附近的流動角變化，降低了渦流發(fā)生器對葉頂附近流場的影響。這再次證明了在進(jìn)口畸變條件下，渦流發(fā)生器對壓氣機流場的影響效果更加顯著。
2. 3 靜葉表面壓力分布
以無量綱相對壓力作為評價氣動性能的標(biāo)準(zhǔn)，無量綱相對壓力的定義為所在點的壓力與進(jìn)口平均總壓之比。有研究表明，低能流體主要堆積在葉柵的 10% 葉高以內(nèi)，故對 10% 葉高以內(nèi)流動的分析更具代表性[17 - 19]。
圖 8( a) 給出了 5% 葉高處葉片表面靜壓的分布情況。由圖可知，由于渦流發(fā)生器安裝在葉片吸力面前緣附近，渦流發(fā)生器對壓力面的流場影響僅局限于葉根壓力面前緣，而對吸力面的影響則十分顯著。自吸力面前緣至 0. 5 倍軸向弦長處，對比安裝了渦流發(fā)生器的方案 3、方案 4 與未安裝渦流發(fā)生器的方案 1、方案 2 可知，渦流發(fā)生器在靜葉吸力面制造了一個較大的低靜壓區(qū)域。這為渦流發(fā)生器產(chǎn)生的高能流向渦提供了能量來源。對比 0. 1 倍軸向弦長前的靜壓分布情況，未安裝渦流發(fā)生器的方案 2 相對于方案 1 產(chǎn)生了十分明顯的壓力波動，而安裝了渦流發(fā)生器的方案 4 相較于方案 3，壓力變化明顯降低。渦流發(fā)生器附近的高能流體削弱了進(jìn)口畸變導(dǎo)致的葉根前緣壓力變化。同時，高能流體離開渦流發(fā)生器向尾緣移動，延緩了吸力面附面層發(fā)生分離的時間，縮小了分離產(chǎn)生的回流渦，顯著改善了靜葉葉根處的流場狀況。
圖 8( b) 給出了 50% 葉高處壓力面與吸力面沿軸向弦長的靜壓分布。由圖可知，在此處 4 種方案下的壓力分布區(qū)別很小，無論是進(jìn)口畸變還是渦流發(fā)生器對此處的影響都不明顯，壓力分布較為穩(wěn)定。
圖 8( c) 給出了 95% 葉高處壓力面與吸力面沿軸向弦長的靜壓分布。由前文的分析可知，渦流發(fā)生器降低了葉頂流量與軸向速度，導(dǎo)致葉頂附近流動角發(fā)生變化，增大了葉頂附近的流動分離，這一現(xiàn)象在葉頂附近總壓分布中有所體現(xiàn)。均勻進(jìn)口且安裝渦流發(fā)生器的方案 3，在葉片吸力面中段產(chǎn)生了不同于其他方案的壓力波動，靜壓明顯高于其他方案，此處流動速度也相應(yīng)的低于其他方案。同時，進(jìn)口總壓畸變對此分離的抑制作用也有所體現(xiàn)，方案 4 的總壓波動較小，分離發(fā)生明顯晚于方案 3。均勻進(jìn)口和總壓畸變的兩方案在壓力面的靜壓分布上分別重合。可以認(rèn)為渦流發(fā)生器對葉頂壓力面的壓力分布產(chǎn)生的影響很小。
2. 4 出口參數(shù)
圖 9 給出了在距靜葉尾緣一個軸向弦長處 4 個方案的出口總壓分布曲線圖。方案 3 葉頂總壓最小，而方案 2 葉頂總壓最大。在 80% 以上的葉高處，方案 4 與方案 1 葉頂總壓分布相近，畸變與渦流發(fā)生器的作用在此處被一定程度的抵消了。其次是葉根處，明顯能夠看出渦流發(fā)生器對葉根流動的改 善，沒有渦流發(fā)生器的方案 1 和方案 2 在 50% 葉高明顯有兩個總壓極值，波動十分明顯; 而安裝了渦流發(fā)生器的方案 3 與方案 4 只有一個極值，分布平滑，流場質(zhì)量較高。
綜合 4 條總壓分布曲線可知，進(jìn)口總壓畸變條件下，靜葉出口處的流場，沒有總壓畸變的方案 1 與方案 3 壓力分布曲線較之方案 2 和方案 4 更加平滑，波動程度更小。而渦流發(fā)生器對流場的質(zhì)量也有著明顯的改善，對葉片中下段的流場作用明顯，提高了此處的流場質(zhì)量。安裝在葉根的渦流發(fā)生器同樣能夠?qū)θ~片頂端產(chǎn)生影響，相同進(jìn)口條件的方案 1 和方案 3 與方案 2 和方案 4 之間，葉頂壓力都出現(xiàn)了比較明顯的偏差。通過以上分析可知，渦流發(fā)生器與進(jìn)口總壓畸變會相互干涉，共同對整個葉高施加影響。
3 結(jié) 論
計算了 4 種方案下的單級壓氣機性能。通過對計算結(jié)果的分析，研究了進(jìn)口總壓畸變條件下渦流發(fā)生器對壓氣機內(nèi)部流場的影響。得出如下結(jié)論:
( 1) 在進(jìn)口畸變條件下，渦流發(fā)生器削弱了進(jìn)口總壓畸變在靜葉葉根產(chǎn)生的影響，使得靜葉葉根處的流場得以改善。
( 2) 與均勻進(jìn)口條件相比，在進(jìn)口畸變條件下，渦流發(fā)生器對流場的改善作用更強，對效率的提升作用更加顯著。
( 3) 渦流發(fā)生器能夠降低沿葉高的壓力波動，改善出口壓力場。——論文作者：王躍衡1 ，朱國明1 ，王 琦2 ，楊 波1
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