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轴流压缩机出口级附近流道形状变化对静子叶片气动性能的影响多层陶瓷

发布时间:2022-09-20 05:03:43 来源:房山五金网

轴流压缩机出口级附近流道形状变化对静子叶片气动性能的影响

轴流压缩机出口级附近流道形状变化对静子叶片气动性能的影响 2011年12月09日 来源:   在多级轴流压缩机内部,由于气体的流动过程非常复杂,三维流动的影响十分显著,尖部泄漏流、根部角区失速、二次流和通道涡的形成将严重影响叶片的设计性能,尤其是在三维流动效应较强的叶片端壁区域,采用二维或准三维叶片设计体系已不能完全适应进一步研制高性能叶片的需求,其设计结果与实际流动情况存在较大差异。随着轴流压缩机气动设计不断向高速、高负荷、大流量、高效率的方向发展,探索三维叶片设计体系已成为当务之急。与二维和准三维叶片设计相比,三维气动设计技术能在更接近于真实压缩机复杂流动的环境下完成整个设计叶片的过程,更全面地考虑和捕捉三维流动产生的各种效应,易于实现对气流的控制,达到有效减少损失的目的,并借助叶片生成过程的控制以改善叶片通道内的流动。在端壁几何设计方面,除收扩度控制外,还增加了曲率控制,以优化轴向马赫数沿径向分布。  资料分析表明,目前国外对发展三维叶片设计技术十分关注,并在不断改进和完善准三维叶片设计体系的同时,对多级轴流压缩机静子的三维叶片设计进行了探索性的研究工作,并已初见成效,进入80年代后期和90年代以来,已有这方面的公开资料报道,其中一类是给定叶片表面气流参数分布,用纯反方法来完成叶片设计[1~6],这种方法易于实现对叶片表面气流参数分布的控制,但可能导致不合理型面生成,而且适用范围有限,目前仅用于低速且叶型较薄的小型径向和混流式叶轮机械中;另一类则主要借助两类流面(S1和S2)相互迭代的方法对初始型面反复迭代修正,最终得到较为满意的叶片表面气流参数分布和叶片几何形状[6~11]。此类方法的关键是确定修正大小和修正的方向,并缩短迭代计算时间。从国外整个研究现状来看,三维叶片气动设计技术仍存在许多技术难点,特别是在探索三维气动设计模型、分析和修正端壁三维流动对叶片设计性能的影响,并最终建立流场参数分布(尤其是叶片表面参数)与型面几何参数的内在关联上,现有的研究尚处于初步探索阶段[12]。  本文正是基于上述考虑,在国内外已有研究工作的基础上,以先进的CFD数值模拟技术为主要手段,探索三维静子叶片设计方法。结合表面气流参数分布准则及流动参数与叶片型面的内在关系,重点研究分析诸如端壁形状变化、曲率控制等对静子叶片设计性能的影响,为进一步发展和完善三维静子叶片设计体系,进行先期探索和研究。  1 原始压缩机静子叶片设计参数及特点  本文重点研究了一台小型发动机带进口导流叶片的两级压缩机的第二级静子叶片。其设计转速为45000r/min,设计流量为3.94kg/s,设计压比为2.054,设计效率为0.8495,导流叶片、转子、静子叶片数依次为:20、14、36、17、36。其子午面流道投影如图1所示,流道为下平上缩形式且沿轴向变化较大,由于叶片较短,端壁形状和曲率变化对叶片气动性能的影响明显。因此在模拟三维流动对叶片设计性能的影响方面有其独特性,这也是本研究选择其作为主要算例的原因之一。图1 某型压缩机子午面流道投影  第二级静子叶片设计时所需的气动与几何参数由S2计算提供,主要包括冲角、落后角等。其它叶片设计参数,如最大厚度和最大厚度位置以及叶片前、后缘厚度等参数的沿径向分布,需设计者根据需要给出。  这是一套典型的跨音速压缩机静子叶片,其尖、中、根的设计进口马赫数分别为:0.72085、0.65087、0.8843,叶型转折角分别为61.34°、46.20°、62.91°,气动负荷较高。  2 中弧线采用多项式曲线的静子叶片设计计算结果分析  依据给定的设计条件,首先完成了第二级静子叶片气动设计、叶片造型和三维流场计算。现对设计和计算结果分析如下:图2 静子叶片气动设计截面与轴向网格划分  图2给出了由S2计算得到的第二级静子叶片气动设计截面与轴向网格划分,沿轴向取8个计算站(其中,叶片前缘至后缘有6站,进、出口各1站),共11个叶片气动设计截面(沿径向按等环面划分),以下类同。  图3给出了中弧线用多项式曲线设计的该压缩机第二级静子叶片制造截面投影图(从上往下看),叶片以各截面质心为中心进行积叠,所生成的叶片几何型面较为理想且与前缘椭圆弧及后缘圆弧之间光滑过渡。该静子叶片计算域在子午流面的投影如图4所示,其进、出口区分别由转子后缘和静子出口各延伸一段距离来形成。用于三维流场计算的网格投影示意图分别见图5(a)、(b)、(c)。

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