串列葉柵葉片周向相對位置對風(fēng)機(jī)性能的影響(1)

風(fēng)機(jī)廠石家莊風(fēng)機(jī)廠石家莊風(fēng)機(jī)石家莊市風(fēng)機(jī)廠石家莊風(fēng)機(jī)維修石家莊風(fēng)機(jī)銷售

針對一款軸流式子午加速風(fēng)機(jī)，利用數(shù)值模擬的方法，研究了串列動葉前后葉片在不同相對周向位置下的風(fēng)機(jī)性能。通過分析得出了改變串列動葉前后葉片周向相對位置，可以降低風(fēng)機(jī)的流量和壓比，其調(diào)節(jié)效果相當(dāng)于降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；且注意到串列動葉前后葉片周向相對位置，對風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作范圍有較大影響，合理選擇串列動葉前后葉片周向相對位置，可以有效擴(kuò)大風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。在串列葉柵中，一個(gè)葉柵由前后兩排葉片共同實(shí)現(xiàn)氣流的折轉(zhuǎn)，故可以對氣流實(shí)現(xiàn)更大的折轉(zhuǎn)[1]。一般認(rèn)為，串列葉柵具有氣流轉(zhuǎn)折角大、總壓損失小和工作范圍寬廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。

早在1974年，美國NASA在研究高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)時(shí)，就開始對串列葉柵進(jìn)行研究。國內(nèi)的苗厚武等在航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)出口靜葉上采用串列葉柵技術(shù)，提高了效率，擴(kuò)大了壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍[4]。李紹斌等研究了串列葉柵后排靜葉周向位置對壓氣機(jī)性能的影響[5]。陳美寧等對一款末級靜葉為串列葉柵的四級航空發(fā)動機(jī)用風(fēng)扇進(jìn)行了數(shù)值分析[6]。同時(shí)，針對風(fēng)機(jī)性能和穩(wěn)定工作范圍的影響因素，學(xué)者們也開展了大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。周帆等研究了輪轂比對風(fēng)機(jī)性能的影響，認(rèn)為對特定風(fēng)機(jī)，存在最佳輪轂比[7]。呂峰研究了葉片切頂對大型軸流風(fēng)機(jī)的影響[8]。劉穎研究了翼型厚度對軸流風(fēng)機(jī)性能的影響[9]。趙丹丹研究了環(huán)量分布對軸流風(fēng)扇氣動性能的影響[10]。在風(fēng)機(jī)擴(kuò)穩(wěn)方面，上海交通大學(xué)的B.Yang研究了彎葉片對風(fēng)機(jī)性能和風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性的影響[11]。蔡娜等在風(fēng)機(jī)中采用彎掠動葉，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彎掠動葉可以大幅度擴(kuò)大風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍[12]。王維等設(shè)計(jì)了一種新的轉(zhuǎn)子葉頂結(jié)構(gòu)，使壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定工作裕度得到提升[13]。劉樂等針對周向單槽對穩(wěn)定性的影響，在低速單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究，得出了有益的結(jié)論[14]。上述研究大多數(shù)針對的是普通軸流風(fēng)機(jī)或壓氣機(jī)，且串列葉柵多為靜葉。子午加速式軸流風(fēng)機(jī)中動葉采用串列葉柵時(shí)，其前后排葉片的周向相對位置必然會對風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場和風(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生影響，而這方面研究還相對較少。

1數(shù)值建模與邊界條件本文數(shù)值模擬所針對的軸流式子午加速風(fēng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：導(dǎo)葉數(shù)為17；動葉數(shù)為12；靜葉數(shù)為17；機(jī)殼直徑1 196mm；動葉葉頂間隙為1mm；進(jìn)口輪轂比0.4；出口輪轂比0.8。其中，動葉和靜葉均采用串列葉柵。計(jì)算域包括進(jìn)口導(dǎo)葉、動葉和靜葉，不包括進(jìn)氣箱以及靜葉之后的擴(kuò)壓器。為了減小由于邊界條件給定的不合理而產(chǎn)生的分析誤差，適當(dāng)延長了靜葉出口處距離。風(fēng)機(jī)的子午流面與葉片俯視圖見圖1，串列動葉的三維圖見圖2。為簡潔起見，下文中的前葉片和后葉片均指串列動葉中的前葉片和后葉片。風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬采用葉輪機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬通用軟件NUMECA完成，控制方程為三維雷諾平均Navier-Stokes方程組，空間離散采用Jameson中心差分格式，時(shí)間離散為顯式4階Runge-Kutta法，湍流模型為Spalart-Allmaras(S-A)一方程模型，使用當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長和多重網(wǎng)格等加速收斂技術(shù)。計(jì)算中，進(jìn)出口流量誤差小于0.5%，壓比和效率趨于穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。計(jì)算網(wǎng)格采用NUMECA自動網(wǎng)格生成器IGG/Autogrid生成，為了避免由于網(wǎng)格劃分差異造成的分析誤差，四組計(jì)算網(wǎng)格采用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)格總數(shù)基本不變，網(wǎng)格數(shù)為180萬。為了盡可能地接近實(shí)際情況，本文數(shù)值計(jì)算中使用的工質(zhì)是氮?dú)夂鸵谎趸嫉幕旌衔铮叩哪柊俜謹(jǐn)?shù)分別是70%和30%，其物性參數(shù)通過軟件REFPROP計(jì)算得到。