叶片弯曲对大折转压气机叶栅内分离结构的影响
- 格式：pdf
- 大小：809.03 KB
- 文档页数：5
2007年2月第28卷 第1期推 进 技 术J OURNAL OF PRO PUL SI ON TECHNOLOGYFeb 12007V ol 128 No 11叶片弯曲对大折转压气机叶栅内分离结构的影响*张华良,王松涛,王仲奇(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:通过数值模拟,分析了叶片周向弯曲对大折转角压气机叶栅内分离结构的影响。
弯角分别为?10b ,?20b ,?30b 。
应用壁面流谱的拓扑法则,详细讨论了不同弯角下的分离形态。
结果表明,正弯可以有效遏止角区分离,改变吸力面的分离形态,但不能完全消除吸力面的分离。
因此一定范围内的叶片正弯可以改善流动,但当弯角大于20b 时,流动重新恶化。
反弯则使得叶栅内分离趋势增加,气动性能明显降低。
关键词:大折转角+;分离结构+;周向弯曲+;拓扑+中图分类号:V 23113 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2007)01-0036-05* 收稿日期:2006-02-09;修订日期:2006-05-10。
作者简介:张华良(1978)),男,博士生,研究领域为叶轮机械分离流研究。
Effect of bowed blades on t he se parati on structuresi n high -t urni ng co mpressor cascadesZHANG H ua -liang ,WANG Song -tao ,WANG Zhong -qi(Schoo l of Energy Sc i ence and Eng i neering ,H arbi n Inst .of T echno l ogy ,H arb i n 150001,Ch i na)Abstrac t : A nu m er i ca l s i m u l ation w as perfo r m ed to ana l y ze the effect o f bowed b l ades on t he sepa ra tion struc t ures i n a h i gh -turn i ng compressor cascade .T he bowed ang les w ere ?10b ,?20b ,?30b respecti ve l y .U sing the topolog i ca l rules o fthe s u rface fl ow pattern ,t he separati on confi gurati ons on the suction surface at different bow ed angles is d iscussed .T he results show tha t a positi ve bow ed b lade can restra i n the corner separation and change t he separa tion con fi gura tion ,wh ile it can not a -vo i d t he flo w separati on on t he suction surface .So ,although a positi ve bo w ed b lade w ith a s m a ll ang le can i m prove the flo w perfor m ance ,the fl ow beco m es w orse ag ain when the positi ve bow ed ang le exceeds 20b .A nega ti ve bowed b l ade i ncreases t he fl ow sepa ration and t he flo w perfor m ance is reduced re m arkably .K ey word s : H i gh -turning +;Sepa ration struct ure +;Bow ed cascade +;T opo l ogy +1 引 言随着现代航空工业的发展,对航空发动机的性能提出了更高的要求,使得压气机不断向更高的总压比,更高的负荷和更高的稳定性方向发展[1]。
众所周知,加大气流转折角是提高压气机负荷的途径之一,而在扩压叶栅中增大气流折转角则意味着附面层的加厚甚至分离,这造成了损失的增加。
迄今为止,许多学者在探索提高负荷的同时减小流动分离的方法[2,3]。
1981年王仲奇教授[4]研究了弯曲叶片改善叶栅气动性能的机理,提出了附面层迁移理论,指出叶片正弯可以在吸力面形成指向叶片中部的顺压力梯度,反弯形成指向叶片根部的顺压力梯度。
在此基础上,钟兢军教授[5]对弯曲叶片控制扩压叶栅二次流的机理进行了系统的实验研究。
任一特定条件下的流动,物面流谱中总存在若干个奇点,通常将流谱中的奇点数目、类型及其分布称为物面流谱的拓扑结构。
国内外很多学者将拓扑的方法用于叶轮机械的流场分析中,取得了很好的效果[6~8]。
本文通过数值模拟,从拓扑分析入手,探讨了叶片弯曲对大折转角扩压叶栅内分离结构的影响。
2 数值方法本文叶型为NAC A65平面叶栅数据,叶片折转角第28卷 第1期叶片弯曲对大折转压气机叶栅内分离结构的影响54b ,安装角9.4b ,弦长0.128m 。
分别计算了原型和?10b ,?20b ,?30b 共7种方案,其中叶片弯曲的采用Bogod 教授[1]的定义方法(叶片积迭线的形式如图1)。
所有计算采用相同的边界条件:进口总温308K,总压101183kPa ,来流马赫数0.2,背压99161kPa 。
计算在CFD 软件NUMEC A 的Fine /Turbo 模块上进行,网格数为流向165,周向49,径向65,为了得到清晰的壁面流谱,第一层网格的y +值小于3,并采用低雷诺数的k-E 湍流模型,同时采用局部时间推进和多重网格法加速收敛。
Fig .1 D efiniti on of bowed cascade by stack ing li nes3 结果分析图2显示了不同弯角下吸力面和端壁极限流线的计算结果,由于在各弯角下压力面的流动均附着良好,没有明显的分离和展向串流,本文没有给出其壁面流谱图。
由图可知:随着正弯角的增加,端壁流谱没有大的变化,而吸力面变化显著:一方面,吸力面角区的流线有明显向叶片中部收敛的趋势,这反映了角区附面层的迁移;另一方面,整个吸力面的分离形态也发生明显变化。
图3给出了吸力面流谱变化的拓扑示意图,在0b 弯角下,吸力面角区的分离线呈鞍点-螺旋点的拓扑结构,这是典型的气泡分离[9]。
随着弯角的增加,分离形态的变化分为两个过程,当弯角小于20b 时,分离线一端的分离螺旋点逐渐消失,另一端的鞍点和螺旋点逐渐靠近,形成组合的鞍结点(图2(c)),此为气泡分离逐渐打开,向自由涡层式分离[9]转化的过程;当弯角大于20b 时,角区附近的鞍结点又转化为分离螺旋点,同时在叶片中部形成鞍点,从而重新形成气泡分离,此为自由涡层分离向气泡分离的转化过程。
根据拓扑法则,在其他表面流谱不变的情况下,吸力面流谱的奇点数目关系应维持不变,图中不同弯角下鞍点数始终比结点数少1。
图4为吸力面不同位置的静压分布。
可见,在吸力面上,受两个方向的压力梯度的影响,一是轴向逆压力梯度,另一个是从端壁指向叶片中部的顺压力梯Fig .2 D istribu tion of th e li m iti ng strea m li ne s onth e suct i on surface and the endwallF i g .3 Topol ogy of the separat i onli n es on the s u ction s u rface度。
值得注意的是,在大折转角下,原型叶栅的吸力面本身就存在指向叶片中部的顺压力梯度,在和流向逆压力梯度共同作用下在角区形成气泡分离。
随着正弯角的增加,指向叶片中部的顺压力梯度增强,同时,流向逆压力梯度也沿叶高发生改变:在10%展向位置,轴向逆压力梯度降低,结果是附面层减薄并向叶片中部移动,同时分布在角区的气泡逐渐消失;在叶片中部,轴向逆压力梯度增强,附面层增厚,分离范围增加。
这种压力梯度的变化也是分离形态转变的根本原因:逆压力梯度降低,鞍点逐渐消失,气泡分离向自由涡层分离过渡,逆压力梯度增加,鞍点逐渐形成,自由涡层分离向气泡分离过渡。
图5和图6为叶栅出口15%轴向弦长位置的节距平均气流角和节距平均能量损失系数沿叶高的分布。
图中显示叶栅正弯可明显减小端区附面层厚度,同时使得叶片中部附面层增厚,分离增强,从而使得端区损失减小,中部损失增加。
37推 进 技 术2007年Fig .4 S tatic p ressure d istribution on th e b lade s u rface值得注意的是:气流角和能量损失系数的分布并不完全一致。
这是因为气流角主要反映尾缘附近附面层及其分离范围的影响。
能量损失系数则由两方面因素决定,一是附面层及其分离的范围,二是分离形态,即分离造成的掺混损失。
不同的分离形态,造成的掺混损失也不同[10]。
对于本算例,叶片正弯始终无法消除吸力面的集中脱落涡,该涡起始于拓扑图中的分离螺旋点,涡量高度集中,在向下游的发展过程中,将大量的低能流体卷起并与尾迹严重掺混,所以此处能量损失最高,可以看到随着弯角的增加,最大损失区的范围也有向中部移动的趋势,基本对应着集中脱落涡位置的变化。
此外,图5显示,对于10b 和20b 弯角,在叶片中部出口气流角明显增加,说明此处分离范围明显增加,而图6中对应位置的能量损失系数却变化很小。
同样,从图1显示的吸力面流谱可以看到,10b 和20b 弯角下吸力面总的分离范围甚至大于0b 弯角,但损失却减少了;30b 弯角下总的分离范围也没有太大增长,而损失却显著变化,这也说明有时分离范围对损失的影响要小于分离形态对损失的影响。
这提示我们研究叶栅损失机理时必须考虑分离形态的影响,而在选择分离控制手段时也要考虑分离形态的变化。
Fig .5 Rad i al d istribut i on of p itch -averaged flo w angleFig .6 Radial d istribution of p itch -averagedenergy loss coeffic i ent图7显示了叶片反弯对吸力面和端壁极限流线谱的影响。
可见,随着反弯角度的增加,吸力面的分离有向端壁发展的趋势,同时端壁的角涡分离逐渐加强,最终两者汇合形成角区分离泡,此后随着弯角的继续增加,角区分离泡迅速沿流向、展向和节距方向扩大。
