淺談靜葉尾跡對(duì)壓氣機(jī)動(dòng)葉非定常氣動(dòng)載荷的影響論文
1 研究對(duì)象和方法
本研究以某型壓氣機(jī)前一級(jí)靜葉和下游動(dòng)葉的三維流場(chǎng)為研究對(duì)象，靜、動(dòng)葉片數(shù)量相等為38，選取單扇區(qū)流場(chǎng)通道作為計(jì)算區(qū)域，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)的專業(yè)前處理軟件Gambit生成結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格單元數(shù)為106 758，節(jié)點(diǎn)數(shù)為116 679，且網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比小于5，正交性大于10，延展比小于1 000，網(wǎng)格的質(zhì)量良好，壓氣機(jī)工作轉(zhuǎn)速為11 383r/min，采用進(jìn)口總壓、出口靜壓邊界類型，介質(zhì)為可壓縮理想空氣。已知進(jìn)口總壓Pinlet為1.0×105 Pa、溫度Tinlet為300K，出口靜壓Poutlet為1.08×105 Pa、溫度Toutlet為300K，動(dòng)葉排軸向長(zhǎng)度Cx為0.037 31m、節(jié)距b為0.043 69m
2 計(jì)算結(jié)果分析
2.1 SM 方法與MRF方法的比較
由于壓氣機(jī)動(dòng)、靜葉流場(chǎng)的交界面為旋轉(zhuǎn)面，且與動(dòng)葉流場(chǎng)的轉(zhuǎn)軸重合，因此對(duì)于動(dòng)靜交界面的設(shè)置不僅可以采用SM 方法，還可以采用MRF方法。
2.1.1 計(jì)算收斂性
為了保證計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂效果，采用隱式耦合求解方法對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了500步的定常分析，將得到的穩(wěn)定流場(chǎng)作為初場(chǎng)，啟動(dòng)非定常分析。綜合考慮動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)速度和三維非定常計(jì)算的耗時(shí)性，選定物理時(shí)間步長(zhǎng)為2.31μs，同時(shí)設(shè)定虛擬迭代步數(shù)為20，計(jì)算時(shí)間步為2280。在計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)動(dòng)葉表面的系數(shù)曲線來(lái)判定收斂情況。SM 方法和MRF方法的非定常升力系數(shù)監(jiān)視曲線�？梢钥闯觯航�(jīng)過(guò)3ms計(jì)算后，SM 方法和MRF方法的計(jì)算結(jié)果收斂，且二者都屬于震蕩收斂，這是由于壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的非定常性決定的;MRF方法監(jiān)視曲線的震蕩幅值要遠(yuǎn)小于SM 方法的震蕩幅值。相比較而言，MRF方法的收斂性更好。 除了使用特征量的監(jiān)控值來(lái)判定計(jì)算的收斂外，一般還把進(jìn)出口的流量之差作為一個(gè)評(píng)價(jià)計(jì)算收斂性的重要標(biāo)準(zhǔn)。兩種方法的進(jìn)出口流量值及偏差�？梢钥闯觯琈RF方法的進(jìn)出口流量偏差0.3%小于SM 方法的偏差0.8%，這說(shuō)明了MRF方法的收斂效果優(yōu)于SM 方法。
2.1.2 計(jì)算所需時(shí)間
在計(jì)算設(shè)備相同的情況下，SM 方法非定常計(jì)算所耗用的時(shí)間約為5.50h，而MRF方法耗用時(shí)間約為9.75h，可見MRF方法的計(jì)算效率更高。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性和高效性，本研究采用MRF方法模擬壓氣機(jī)內(nèi)部的三維非定常旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)。
2.2 靜葉尾跡對(duì)動(dòng)葉流場(chǎng)的'非定常干擾
經(jīng)過(guò)2280個(gè)時(shí)間步計(jì)算后，監(jiān)測(cè)的進(jìn)出口流量以及動(dòng)葉升力系數(shù)等參數(shù)都達(dá)到了良好的周期性(震蕩幅值數(shù)量級(jí)為10-2)，據(jù)此判定計(jì)算結(jié)果已收斂。
提取定常流和非定常流的速度云圖。從速度云圖看到，當(dāng)氣流從前一級(jí)靜葉流入下一級(jí)動(dòng)葉時(shí)，每?jī)蓚�(gè)葉片通道之間會(huì)產(chǎn)生一條尾跡，這個(gè)尾跡從前一級(jí)靜葉的尾緣一直延伸到動(dòng)葉的前緣。定常流的速度云圖顯示了前一級(jí)靜葉尾跡自然流動(dòng)時(shí)的形態(tài)。施加轉(zhuǎn)速后，在前一級(jí)靜葉尾跡輸運(yùn)至下游動(dòng)葉流場(chǎng)通道時(shí)，被轉(zhuǎn)子葉片周期性地掃過(guò)，這對(duì)動(dòng)葉流場(chǎng)產(chǎn)生了較大幅度的非定常擾動(dòng)，使動(dòng)葉壓力面的壓力遠(yuǎn)大于吸力面，導(dǎo)致前一級(jí)靜葉的尾跡被擠向了下一個(gè)動(dòng)葉的吸力面一側(cè)，在動(dòng)葉前緣形成了速度較低的不均勻流場(chǎng)區(qū)域。
為進(jìn)一步研究壓氣機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特性和前一級(jí)靜葉尾跡的變化，分別計(jì)算了1.3，2.6，3.9和5.2ms時(shí)刻的非定常流場(chǎng)，得到了各時(shí)刻壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的靜壓分布情況。葉頂和輪轂的靜壓分布圖。隨著時(shí)間的推移，靜動(dòng)葉流場(chǎng)的壓力均有小幅度降低，且分布越來(lái)越均勻，直到流場(chǎng)穩(wěn)定，這尤其體現(xiàn)在靜葉和動(dòng)葉尾緣區(qū)域。在1.3ms時(shí)刻靜動(dòng)葉流場(chǎng)的壓力梯度相對(duì)比較復(fù)雜，存在較多的壓力渦，當(dāng)?shù)竭_(dá)3.9ms時(shí)刻后，壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的壓力渦明顯減少，分布基本穩(wěn)定，壓力梯度趨于均勻，此時(shí)流動(dòng)收斂。還看到，動(dòng)葉壓力面的壓力明顯大于吸力面，這使得在動(dòng)葉流場(chǎng)的前緣形成了低壓、低速的不均勻流場(chǎng)區(qū)域，且在葉頂位置存在兩個(gè)明顯的壓力分布集中點(diǎn)，這兩個(gè)集中點(diǎn)為整個(gè)流場(chǎng)的最大壓力和最小壓力所在處，也是非定常氣動(dòng)載荷對(duì)轉(zhuǎn)子葉片影響最突出的位置。
2.3 非定常氣動(dòng)載荷的分布特性
經(jīng)過(guò)對(duì)葉頂和輪轂的壓力分析，初步掌握了動(dòng)葉周圍壓力的分布情況。為了進(jìn)一步研究動(dòng)葉表面氣動(dòng)載荷的變化規(guī)律，對(duì)動(dòng)葉壓力面和吸力面的靜壓進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得到了動(dòng)葉表面的靜壓變化曲線�？梢�，當(dāng)壓氣機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)收斂后，動(dòng)葉壓力面和吸力面的氣動(dòng)載荷也達(dá)到平穩(wěn)。可以看出，壓力面和吸力面靜壓的變化情況相似，且二者達(dá)到平穩(wěn)后都處于震蕩收斂狀態(tài)，并呈現(xiàn)出正、余弦變化規(guī)律。另外，壓力面靜壓的收斂值(1.08×105 Pa)遠(yuǎn)大于吸力面靜壓的收斂值(0.85×105 Pa)，但從震蕩幅值來(lái)看，吸力面靜壓的震蕩幅值明顯大于壓力面的幅值。
為了詳細(xì)獲得動(dòng)葉表面氣動(dòng)載荷的分布細(xì)節(jié)，繪制了在1.3，2.6，3.9和5.2ms時(shí)刻的動(dòng)葉壓力面和吸力面的靜壓分布圖�？梢钥闯觯瑝毫γ婧臀γ娴臍鈩�(dòng)載荷分布規(guī)律相反。從動(dòng)葉的葉頂至輪轂、前緣至尾緣，壓力面的壓力大小和波動(dòng)幅度逐步遞減，這反映出動(dòng)葉壓力面的非定常壓力主要是因?yàn)槭芮耙患?jí)靜葉尾跡影響而產(chǎn)生的。對(duì)于吸力面來(lái)說(shuō)，附面層和上游葉片尾跡共同影響其非定常表面的壓力波動(dòng)，且以附面層的作用為主，故其壓力分布規(guī)律與壓力面不同，呈現(xiàn)出逐步遞增的趨勢(shì)。動(dòng)葉表面的壓力隨時(shí)間的變化與葉頂和輪轂一致，在開始階段壓力波動(dòng)幅度較大，在3.9ms以后流動(dòng)收斂，動(dòng)葉表面的壓力分布基本穩(wěn)定。動(dòng)葉表面的氣動(dòng)載荷取決于壓力面和吸力面的受力情況，在動(dòng)葉前緣的壓力梯度較大，且二者的壓力反相變化，故此處為主要受力區(qū)。另外，在動(dòng)葉前緣葉頂位置壓力面和吸力面分別出現(xiàn)了最大壓力和最小壓力，此處壓力面與吸力面的壓力差最大。
將動(dòng)葉壓力面和吸力面的氣動(dòng)載荷作為外載荷，施加在動(dòng)葉表面進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到了榫頭各位置的總變形和等效應(yīng)力分布。榫頭動(dòng)葉葉頂前緣的位移變形量最大，動(dòng)葉葉根位置產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，最大值為4.07×106 Pa，這證明在榫頭動(dòng)葉葉頂前緣位置受到的氣動(dòng)載荷最為顯著。
3 結(jié) 論
1)當(dāng)前一級(jí)靜葉尾跡運(yùn)動(dòng)至下游動(dòng)葉流場(chǎng)通道時(shí)，由于受到轉(zhuǎn)子葉片周期性地切割，使得動(dòng)葉壓力面的壓力要遠(yuǎn)大于吸力面，導(dǎo)致前一級(jí)靜葉的尾跡被擠向了下一個(gè)動(dòng)葉的吸力面一側(cè)，在動(dòng)葉流場(chǎng)的前緣形成了較主流區(qū)壓力和速度較低的不均勻流場(chǎng)區(qū)域，且動(dòng)葉前緣葉頂位置受到的氣動(dòng)載荷最為顯著。
2)動(dòng)葉壓力面和吸力面非定常氣動(dòng)載荷的分布規(guī)律相反，壓力面主要受前一級(jí)靜葉尾跡的影響，從葉頂至輪轂、前緣至尾緣非定常氣動(dòng)載荷的大小和波動(dòng)幅度逐步遞減，而吸力面受靜葉尾跡的影響較小，以附面層作用為主，呈現(xiàn)出逐步遞增的趨勢(shì)。
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