葉片表面粗糙度對(duì)壓氣機(jī)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(chǎng)仿真技術(shù)，研究壓氣機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速和粗糙度下，性能的變化。結(jié)果表明，當(dāng)壓氣機(jī)葉片表面粗糙度降低時(shí)，壓氣機(jī)的增壓比和效率顯著提高，葉片表面激波強(qiáng)度減弱，總體性能得到提高。

關(guān)鍵詞：粗糙度 流場(chǎng)仿真 壓氣機(jī)特性

中圖分類號(hào)：V235.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）12（c）-0174-02

長(zhǎng)期使用，發(fā)動(dòng)機(jī)各部件型面如壓氣機(jī)和渦輪葉片積塵、腐蝕、幾何變形等，都嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。任何一種失效形式，都會(huì)導(dǎo)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(jī)氣流通道的流通能力，以及壓氣機(jī)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(jī)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(duì)壓氣機(jī)性能的影響。李釗等將積垢影響換算成壓氣機(jī)葉片粗糙度的變化，分別對(duì)積垢分布在葉片前緣、吸力面與壓力面以及在不同轉(zhuǎn)速下的壓氣機(jī)性能進(jìn)行了仿真計(jì)算。鄭贇分析了在氣動(dòng)載荷下，葉片變形對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能變化的影響。

該文在上述研究基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真壓氣機(jī)流場(chǎng)性能，研究葉片表面粗糙度降低后，壓氣機(jī)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(jī)為研究對(duì)象。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)軸流壓氣機(jī)盤三維葉型數(shù)據(jù)，建立模型，共21個(gè)截面，每個(gè)截面284個(gè)點(diǎn)，合計(jì)5964個(gè)點(diǎn)。網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選取HOH型網(wǎng)格，其中葉片前后延伸段采用H型網(wǎng)格，葉片型面附近采用O型網(wǎng)格，其中前后延伸段節(jié)點(diǎn)分布為33×61×97 （軸向×徑向×周向），葉片型面附近節(jié)點(diǎn)分布為49×61×99，端壁和葉片表面第一層網(wǎng)格尺度為0.00001 mm，保證壁面第一層網(wǎng)格0

3.2 仿真計(jì)算

以單通道進(jìn)行計(jì)算。選定流動(dòng)介質(zhì)類型為理想氣體；轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速；設(shè)定邊界條件：進(jìn)口條件為標(biāo)準(zhǔn)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(shè)定細(xì)網(wǎng)格計(jì)算和CFL數(shù)等相關(guān)參數(shù)；固壁為絕熱、無(wú)滑移邊界條件，進(jìn)出口延伸段設(shè)置為周期性邊界條件。

4 仿真結(jié)果與分析

通過(guò)降低壓氣機(jī)葉片表面粗糙度的方法來(lái)定量研究葉片表面粗糙度對(duì)壓氣機(jī)特性的影響，以獲取相關(guān)的作用機(jī)理和影響規(guī)律。

圖1給出了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)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(dǎo)致壓氣機(jī)的增壓比和效率顯著提高。

圖2給出了100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，50%葉高位置處的S1面馬赫數(shù)分布圖。由圖2可見(jiàn)，隨著葉片表面粗糙度的減小，吸力面?zhèn)燃げǖ奈恢孟蛉~片出口方向移動(dòng)，且激波的強(qiáng)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(fā)生，從而使得葉片的尾跡區(qū)范圍減小，壓氣機(jī)性能改善。隨著轉(zhuǎn)速的下降，激波強(qiáng)度減小，尾跡區(qū)范圍減小。

5 結(jié)語(yǔ)

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

（2） 隨著葉片表面粗糙度的降低，吸力面?zhèn)燃げǖ奈恢孟蛉~片出口方向移動(dòng)，且強(qiáng)度有所減小，葉片尾跡區(qū)范圍減小。

參考文獻(xiàn)

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