（动力机械及工程专业论文）压气机附面层抽吸结构设计与数值模拟.pdf

摘要 在叶轮机械的总损失中，二次流损失占了相当大的部分。尤其是在大负 荷叶栅中，二次流损失更为显著。二次流表现为在叶片表面附近复杂的三维 流动状态。因此在现代叶轮机械的设计中，认识和考虑二次流动对减少流动 总损失，提高效率具有重要意义。 叶片采用等环量扭曲规律。吸力面的抽吸槽开在不同展向，不同流向位 置，这便于从各圆柱流面研究附面层抽吸对流动的影响。利用动叶旋转产生 的离心力设计了自动抽吸装置，简化了吸气结构。为了初步研究附西层抽吸 和减少二次流损失之间的关系，本文采用商用流体计算软件对动时吸力面附 面层的抽吸进行了数值模拟。 为了控制吸力面附面层的分离，在吸力面沿流向不同叶高处开槽进行附 面层抽吸，吸除逆压梯度区的低能流体。本文对某环形低速高负荷叶栅在吸 力面沿流向开槽进行了数值模拟。等环量扭曲叶片沿叶高反动度的剧烈变 化，加上大叶型弯角的动叶设计，使上半叶展的流动状况恶化。沿流向同一 位置沿叶高不同位置处抽吸和沿流向不同位置沿叶高不同位置抽吸对上半叶 展的流动改善比下半叶展明显。 通过和原型的对比发现，跗厮层吸赊能提高叶片负荷，减小吸力面的分 离区，提高气流折转角，并最终减少叶栅出口处的总压损失。 附面层抽吸，优化了附面层的力学行为。总的来说，通过附面层抽吸， 对提高级的压比和效率有很大的潜力。 关键词压气机叶栅；二次流；抽吸技术 竺查量三些奎兰三兰堡圭兰堡篁圣 a b s t r a c t s e c o n d a r y l o s s e sa r ea c o n s i d e r a t i o n p a r t o f 也et o t a l1 0 s s e si n t u r b o m a c h i n e r y t h i sh o l e se s p e c i a l l yf o rh i g hl o a db l a d e s i ti st a k e na st h e g e n e r a l t e r n af o r c o m p l e x 3 df l o wp a t t e r nn e a rt h ew a l io fac a s c a d eo f t u r b o m a c h i n e r yp r o f i l e s t h e r e f o r e t h eu n d e r s t a n d i n ga n d p r o p e r c o n s i d e r a t i o no f t h es e c o n d a r yf l o wi sc r u c i a lf o rt h er e d u c t i o no fo v e r a l ll o s s c sa n dh e n c ef o rt h e o p t i m i z e de f f i c i e n c yo f m o d e r n t u r b o m a c h i n e r y t h em e t h o do fe q u a lc i r c u l a t i o nl a wi s a c t o p t e d t of o r m3 db l a d e 。a t d i f f e r e n tp l a c eo f s p a n w i s ea n ds t r e a m w i s et h es l o t so f s u c t i o na r eb u i l t t h u si t p r o v i d e sc o n v e n i e n c e st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fb o u n d a r ys u c t i o no ng e n e r a l s u r f a c eo fr e v o l u t i o n i nt h e s ed e s i g n s ，t h ec e n t r i f u g a lf o r c eo fr o t o ri su t i l i z e dt o s i m p l i f v t h es t r u c t u r eo fs u c t i o n t h i sy i e l d sas u c t i o ns y s t e mt h a ti ss e l f - p u m p i n g ，i n o r d e rt oi n v e s t i g a t ep r i m a r i l yt h ei m p a c t i o no f b o u n d a r ys u c t i o na n d r e d u c es e c o n d a r yl o s s e s an u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u to nt h e a p p l i c a t i o n o fa s p i r a t i o no ns u c t i o ns u r f a c eo f c o m p r e s s o r r o t o r b yu s i n g c o m m e r c i a la p p l i e dc f ds o f t w a r e t h eu s eo fb o u n d a r y l a y e r c o n t r o li nc o m p r e s s o r s b yr e m o v a l o fi o w e n e r g yf l u i di nr e g i o no f a d v e r s ep r e s s u r eg r a d i e n tb ys c o o p i n gs l o t sa td i f f e r e n t p l a c e so fs p a n w i s ea l o n gs t r e a m w i s ew a sp r e s e n t e d c o m p a r e d t oac o n v e n t i o n a l c o m p r e s s o r c a s c a d e ，t h e i n f l u e n c e so f b o u n d a r yl a y e r r e m o v a lo nt h e a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e o fa l la n n u l a r l o w - s p e e dc o m p r e s s o r c a s c a d e b y s c o o p i n gs t r e a m w i s es l o t st ob l e e db o u n d a r yl a y e rw e r en u m e r i c a li n v e s t i g a t e d t h ea c u t ec h a n g e so fr e a c t i o na l o n gs p a n w i s ea n dj a r g ef o l da n g l ew o r s e nt h e f l o wp a r t t e me s p e c i m l ya tu p s p a n w i s e t h es u c t i o na tc o m m o na n dd i f f e r e n t p l a c e so fs t r e a m w i s ea l o n gs p a n w i s eo ns u c t i o ns u r f a c es h o w e dt h a tt h ee f f e c t s o n u p s p a n w i s ea r em o r e o b v i o u st h a nd o w n - s p a n w i s e t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta tt h es a m ec o n d i t i o n s ，b o u n d a r yr e m o v a lc o u l d i n c r e a s et h eb l a d el o a d i n g ，d e c r e a s et h es e p a r a t e df l o wr e g i o no nt h eb l a d e s u c t i o ns u r f a c e ，e n h a n c et h et u r n i n gc a p a c i t yo ft h eb l a d ea n df i n a l l yd e c r e a s e 堕堡堡三些奎兰三耋堡圭兰堡丝塞 t h et o t a l p r e s s u r el o s sa tt h ec a s c a d ee x i t i t o p t i m i z e s t h e b o u n d a r yl a y e rb e h a v i o r a n y w a y t h e p o t e n t i a l i m p r o v e m e n t s i np r e s s u r er a t i oa n di ne f f i c i e n c yt h a tc a nb ea t t a i n e db yb o u n d a r y l a y e rr e m o v a l k e y w o r d sc o m p r e s s o rc a s c a d e ；b o u n d a r yl a y e r ：a s p i r a t i o n ； i i i 堕堡堡三些奎兰王：堡圭兰篁篁兰 1 1 引言 第1 章绪论 叶轮机械是国民经济各部门应用十分广泛的一类实现能量转换的装置之 一。叶栅作为叶轮机械的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到叶轮机械性 能指针。因此深入研究叶轮机械内真实流动的现象并揭示其机理，寻找减少损 失的方法，对于改善流动性能，提高效率，具有深远的意义。现代航空工业的 迅猛发展，对航空发动机的性能提出了更高的要求。压缩系统对航空发动机重 量和运行成本的减小起重要作用。为了减少部件数并提高性能，必须提高单级 压比并较好地控制叶片和端壁附面层。而级压比的提高依赖于压气机气动负荷 的增加，这就造成了压气机叶栅中横向压力梯度增加从而加强了二次流流动， 同时由于压气机叶栅内扩压流动的影响，叶片吸力面附面层容易分离造成端壁 角区内流动恶化，引起叶栅损失迅速增大，这直接导致压气机失速裕度的下 降，也限制了单级压比的提高。为了消除上述不利影响，提高压气机效率和喘 振裕度，在过去几十年中对此已进行了多种方法的研究。这些方法可以分为几 何修j 下如叶片的弯、扭、掠及缝隙叶栅【1 】等被动控制方法和在压气机叶栅中通 过局部吹气或吸气影响附面层的主动控制方法两种。通过合理设置吸气位置和 吸气量来控制扩压内叶栅附面层气体的分离，改善流动性能，减少流动损失， 提高效率。可以加大叶片负荷，减少压气机级数，带来低维护成本，低油耗等 多方面的效果。 1 2 叶轮机械内涡结构 涡是流体运动特有的存在形式，从台风到飞机周围提供升力并造成阻力的 涡系，从附面层混合到湍流，这些有组织的流动结构都是涡。最直观的涡是各 种集中的漩涡，这是涡的一种形态，也叫柱状涡，它又可分成直径远大于轴向 长度的盘状涡( 如台风) 和直径相对小的轴状涡( 如龙卷风和飞机尾涡) 。工 程技术中遇到的漩涡多来自薄涡层的快速卷绕，而这些涡层又主要是小粘性流 体流经固体形成的附面层离开物面之后的产物。附面层和自由涡层也是涡，叫 做层状涡，这是涡的另一种形态。确切地说，表征流体元旋转角速度的物理量 堕堡鎏三兰查兰三兰窒圭兰堡篁塞 称为涡量，而涡量高度集聚的流体区域就是涡。 在叶轮机流场中，由于粘性及复杂边界条件的限制产生了各种各样的二次 流动，它们在宏观上以各种旋涡运动的形式表现出来，如通道涡、尾涡、泄漏 涡、角隅涡和刮削涡等，上述旋涡运动的存在使得叶轮机流场具有强的三维性 与有旋性，可以说叶栅内的流动是以旋涡运动为主要特征的复杂流动。 这些涡的生成位置、尺度大小、强度、相互作用以及结构的稳定性都极大 地影响着损失的分布及损失的大小。若能准确描述各种旋涡结构，并能给出不 同旋涡对二次流损失的贡献，同时总结出几何构型( 包括叶片的折转角、径高 比、稠度、前后缘小圆半径的大小、叶型型面曲率) 与旋涡结构及尺度之间的 关系，将会使叶轮的设计进入到通过主动控制与利用旋涡来改变流场结构，降 低损失的阶段。从涡动力学分离流理论知道，叶栅流道内旋涡涡系的形成与叶 栅壁面附面层的性状密切相关，叶栅流道内形成的每一集中涡系，在壁面上有 相应的分离线与之对应。因此壁面流谱分析可以提供叶栅流场的部分信息，将 壁面流谱分析与叶栅三维空间流场测量和数值模拟结合起来，能比较全面地揭 示出叶栅流道内的涡系结构。 如果集中涡存在，则旋涡截面轴在线的点是一螺旋点或中心点。在横截面 上，轴在线的点由螺旋点或中心点发生转变，其过渡状态对应于分叉状态，这 种分叉状态即对应于由螺旋点到节点的过渡。因此可以从涡轴上的点的拓扑结 构的变化来预测旋涡的发展过程。国内外许多研究者在集中涡结构及其非线性 分叉行为方面进行了深入的研究，其中张涵信教授在这一领域取得了令人瞩目 的进展 2 “。目前，关于叶栅内集中涡拓扑结构及其对损失影响的研究还不多 见。 1 3 环形叶栅流动中的旋涡结构 专门研究环形叶栅中旋涡结构的文献所见很少，论及此问题一些文献在论 述到叶栅内旋涡的发生、发展时，基本是基于矩形叶栅中的l a n g s t o n 旋涡模型 【5 _ 6 。如图1 7 7 】表示的那样，来流端壁附面层遇圆柱形叶片前缘按涡量运动学 原理卷起，形成马蹄涡的两条分支。吸力侧分支围绕着进口边向形成它的叶片 的吸力面对流，并进入吸力侧壁角附近。压力侧分支穿过流道卷吸向对面叶片 的吸力侧。马蹄涡的形成与分裂发生在由再附线和分离线相交构成的分离鞍 点，通常籍助位于叶片进口边邻域的高压区辨认它。由鞍点出发，斜穿过流 道，指向相邻叶片吸力面的分离线将下端壁划出两个不同的区域。在分离线上 堕尘堡三些查兰三兰堡三兰竺丝兰 游的区域a ，来流端壁附面层在源于流道左侧压力面的横向压力梯度的作用 下，承受强烈的扭曲并流向流道右侧的吸力面，在那里以横穿过流道的马蹄涡 压力面分支为核心，与来自相邻流道的围绕进口边的马蹄涡吸力面分支相互缠 绕。在分离线的下游b 区，由于来流端壁附面层被卷入马蹄涡，新生附面层形 成，并在横向压力梯度的作用下发生扭曲，流向吸力面。在吸力面壁角，流到 那里的新生附面层与马蹄涡压力面、吸力面分支以及被卷吸的部分主流汇合形 成组合体，即通道涡。在流道的后部，通道涡与叶片吸力面强烈地相互作用， 离开端壁，向叶栅中部和压力面发展。在叶栅出口截面，由很薄的端壁附面层 ( 薄到五孔测针不能测到它) ，在它的上面的大涡通道涡、沿吸力面壁角 流出的与通道涡方向相反的小尺度涡( 这可能是由端壁新生附面层卷起形成的 或是马蹄涡吸力面分支) 以及叶型出口边流出的尾流共同构成二次流场。 但是由于环形叶栅中径向正压力梯度的存在，实际上绕流轮毂与绕流外壁 面两侧端壁之间存在差别。在此压力梯度的作用下，在轮毂侧下通道涡被正径 向压力梯度压缩在叶片吸力面壁角，附面层低能气体几乎全被下通道涡卷吸。 在外壁侧，上通道涡在径向压力梯度的推动下，沿尾迹区向轮毂区迁移，随着 气体向下游的流动，离外壁面愈来愈远。在叶栅出口截面的旋涡结构主要受径 高比的影响。径高比较大( d m l ，1 0 ) 时，径向压力梯度的影响很小，旋涡结 构类似于矩形叶栅。径高比较小时( d m l 、 5 ) ，在径向与横向压力梯度的联合 作用下，在流道内形成的各类集中涡系均被挤压在尾流区内。在这种情况下， 环形叶栅出口截面的旋涡结构研究实质是复杂的尾流结构研究【8 j 。 涡 图1 - 1 环形叶栅二次流场结构示意图 综上所述，近五十年二次流实验研究得到了涡轮矩形叶栅流道内复杂的端 壁流谱相当详细的描述，环形叶栅中旋涡结构的研究也有了相当进展，但是涡 轮旋涡结构研究的目的不仅是为了提供对二次流实际结构的完整描述，更重要 的是估价各种涡系产生的损失在总损失中所占的比例，为改善叶栅气动性能提 供依据。从各种旋涡模型得到的较一致的看法是，涡轮叶栅中集中涡系无论怎 样变化，通道涡系在其中占主导地位。所以采取什么措施控制通道涡在叶栅出 口平面上的强度、尺度与位置，是今后控制叶轮机械损失的主要任务。 1 4 研究的必要性和工作原理 由于发动机发展的需求以及空气动力学的发展，压气机的性能已经有了明 显的提高。但与发动机的发展目标与要求相比，压气机的气动性能还必须有一 个比较大的提高。这要求压气机部件提高效率、提高负荷、减少重量。研究表 明，在叶片表面吸气可以延缓气流分离，提高扩散度从而提高级压比1 9 1 。 k e r r e b r o c k 等提出了从风扇压气机叶栅流道中直接抽吸粘性附面层的主动控 制概念，成功地发展了性能估算以及气动和应力分析方法，并对此进行了系 列叶栅的设计和实验验证【1 0 3 1 1 。其实验结果表明在压气机叶栅中抽吸附面层能 够增加叶片对气流的转折能力，提高压比和喘振裕度。文献i l 训在一个压气机级 中的多个位置如转子吸力面和上下壁面以及静子吸力面和上下壁面进行附面层 抽吸，抽吸流量为入口流量的7 ，在叶尖速度相同的情况下将单级压比由2 提 堕玺篓三些奎兰三兰堡圭兰竺篓兰 高到3 5 。这一系列研究结果表明，当抽吸附面层流体的位置恰好在压力迅速 增加的区域之前，或在激波作用区域以及通常情况下位于叶片吸力面压力迅速 升高的位置，能够获得压气机扩压能力的本质提高并进而在给定叶片速度的前 提下提高每级的做功能力。其中的高速风扇可在军用涡扇发动机上用一级风扇 代替三级风扇，用1 一4 的吸气量可分别获得1 6 和3 5 的压比，其长远目 标是用3 级压气机使总压比达到3 0 1 3 - 1 6 1 。 1 4 1 应用概述 叶栅内的分离与壁面粘性，和压力梯度有关。控制分离的基本思想是防止 分离，或尽可能推迟分离发生。分离的流体是低能流体，可以通过对低能流体 吹气，加大其能量克服逆压力梯度，或通过吸气，移走低能流体，减小逆压力 梯度，来抑制分离，减小叶栅内的流动损失。通过叶片上低能量空气区的打孔 表面，把扩压器的附面层抽出，并把它引向压气机进口，这在结构上是一种比 向附面层吹气更为简便的办法。 抽吸的作用在于在附面层能发生分离之前吸去其中己阻滞了的流体。在缝 后叶将形成新的附面层，它能承受一定的逆压力梯度而不分离。在一定条件下 若能适当设计和安排吸气狭缝，则可以完全消除分离。由于没有分离区，压差 阻力也可以大大降低 1 7 1 。 如下图所示 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1 - 2 叶片进口和动叶抽吸系统示意圈 在叶片速度一定的情况下，吸除高熵流体，可以使随后的级所需的压缩功 减少，进而提高压气机的效率。 1 4 2 压缩过程暇除流体的热力学原理 图】- 3 吸除高熵流体简图 竺玺鎏三些盔：三兰塑圭兰堡篁童 图1 4 吸除系统的t s 图 压缩过程吸除流体的热力学原理【1 引如下所述： 这罩是一简化热力模型，因为讨论流体吸除影响时，应该考虑吸除流体 的利用方法以及它对发动机总性能的影响问题。为此假定吸除的流体又膨胀到 压气机的进口压力，以便能量得到最大限度的回收。 图中l 点和3 点为压气机进口和出口，2 点为中间吸气点，6 点为吸除高 熵流体的状态，剩余的大部分低熵流体状以4 点表示。 可见，与没有吸气时的3 点相比，主流压缩至5 点时有较低的熵，因而 在一定压比下所要求的压缩功较小，因而压气机效率较高。 纬。= 册c ，c i ，一正，= ，”c ，i ，( 尝) 筹一t c - - t ， 这里，巩是多相效率，下标，表示静止坐标系的滞止值。在以下的讨论 中，我们假设对于所有的压缩过程，多相效率都是相等的。 2 点吸气量西w 时的压缩功为： 氅查堡三些尘耋三兰堡圭兰堡篁塞 熹：( 矧嘣惝筹一，7 坞悯未小岛。旧等r 利用2 点的能量平衡和蟠。的表达式，并假定塑“1 ，可以求得有、无 卜螳y - i | - - i ( 等 硼。- ( 1 6 ) 如果大括弧内的数值是正的，则在一定的压比下，与没有吸气时的情况相 比，消耗功减小，相应的效率增加。其大小与吸出的气体熵增，压气机压比和 吸除气体压比有关。 为了估计厶，c 。的可能大小，将附面层视为绕叶片表面的流动，假设叶片 ，i州胪1 塑所 j 弋 塑二 堕堕。 珊一 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表面和主流( 核心流) 的静压相等，叶片表面是绝热的，叶片表面的温度接近 叶片坐标系下的滞止温度，附面层流体超过核心流的熵增为： 等一- n ( + 霉2m 2 m ， f n m 为相对于叶片的气流马赫数，因此含有熵增的指数系数是( 1 + y - i m z ) 的数量阶，将这一估计值代入输出功变化公式可得： 既 ( 埘一西w ) 普，一h 守 l _ 紫y - 1 i 1 ( 1 - 8 ) 从上式可以清楚的看出，当m 数低于某一数值时，吸气可能没有增益。 保证增益的最小马赫数肘。为： 扭躲 如果大括孤内的数值是正的，则在一定的压比下，与没有吸气时的情况相比， 消耗功减小，相应的效率增加。其大小与吸出的气体熵增，压气机压比和吸除 气体压比有关。 1 5 国内外技术状况 本课题采用高负荷的动叶，在动叶叶背吸气，下面就高负荷叶型的特点， 和吸气的现i t - 方面论述国内外的研究情况。 1 a i 1 高负荷叶型的特点 高负荷压气机的主要特点之一就是叶型负荷大，包括进口马赫数高、叶型弯 角大，常规叶型如多圆弧、双圆弧叶型已很难适应新的要求n 9 j 。目前采用较多 的超声速叶型为任意曲率中弧线叶型、三段或四段圆弧叶型，亚声速和跨声速叶 型则多为可控扩散叶型。定制叶型是可控扩散叶型的一种，有如下特点：( 1 1 定制叶型技术采用几何方法生成类似于可控扩散叶型的叶型，一方面方便实用， 另一方面又具有良好的性能。( 2 ) 定制叶型的关键是厚度分布的选取，它决定着 叶型表面速度分布。( 3 ) 定制叶型采用椭圆弧前后缘，有利于改善叶型性能j 。 对于叶轮机械，叶片节距的选择对于优化叶片数和降低制造成本是非常重要 的。 高载荷叶片一直在高压比的燃气轮机中进行研究和应用，其导致较大的流动 折转和较高的出口马赫数f 2 。许多学者对高载荷叶片叶栅的流动特性及其与 损失产生的机理进行了研究。h a s h i m o t oa n dk i m u r a l 2 4 研究了用前载入叶栅来 减少叶片数，结果表明没有增加能量损失。近年来，将燃气轮机高载荷叶片的概 念应用于大功率汽轮机的研究主要是由k i y o s h is e g a w a t 2 1 , 2 2 等人进行的，采用的 方法主要是s1 正问题设计、平面叶栅试验口”及反问题叶型设计、二维及三维 级粘性流场分析及空气透平模型试验3 ；文献【2 4 也对汽轮机采用高载荷叶片和 大焓降级的机理及其意义进行了探讨。 随着对叶轮机性能要求的不断提高以及人们对其内部流动规律认识的深入， 充分利用三维叶型以获得高性能的措施越来越受重视f z s - 2 z l 。但是，对三维复杂 型中流动现象的物理机制并不十分清楚。这不仅给设计优化带来困难，使三维叶 型参数的选择带有盲目性和任意性，在某些流动条件下甚至可能产生负的效果， 使流动恶化的问题。文献1 2 8 1 试图回答三维造型参数变化与叶片负荷分布之间 的关系这一问题。用解析与数值的方法分析弯掠等关键三维造型参数对负荷分 布的影响。认为叶片的前缘掠形和弯曲对负荷弦向分布和径向负荷分布分别起 着重要的调节作用。对于直叶片，单纯的子午前掠使叶片后加载，后掠则使叶片 前载入。正弯使得叶端负荷减少，叶中负荷增大，反弯效果相反。同时，各因素的 综合作用对叶片通道的气动损失和流通能力的影响是一个非线性过程，必须针对 叶型和气动负荷分布的具体情况，将其置于三维流动的环境中具体分析和优化， 即并不存在普适的最优弯角和掠角。 1 5 2 附面层抽气的研究现状 关于附面层抽气的研究，国外早在5 0 年代就开始了应用较多的是在机 翼流动方面的研究上f 2 9 】f 3 “，通过抽吸，移走翼型上可能引起分离的低能流 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 体，或者沿下游推迟层流向紊流的转换点，尽量延长附面层的层流区，从而减 小损失。国内也有研究人员对这方面进行了研究 3 1 1 ”l 。除此之外，附面层抽吸 技术在叶轮机械内流中也有重要的应用价值。 早在1 9 7 1 年，l o u g h e r y 等人口1 就系统研究了附面层抽气。他们考察了利用 抽气和喷气作为增加压气机静叶转折能力的方法。结果是，喷气恶化了静叶的 性能，而抽气明显改善了性能。但是他们没有作进一步深入的研究。 w e n n e r s t r o m 3 4 1 多年来研究了在轴流压气机中获得高负荷的方法。他注意 到，除了低展弦比叶片和大小叶片结构对增加扩散水平有重要的贡献之外，附 面层控制方法也对提高负荷有一定的影响。近几年来，大家又熏新对燃气涡轮 发动机中的附面层控制技术产生了兴趣，并且，l o r d 等人【3 5 1 ( 2 0 0 0 ) 研究了各种 附面层控制的方法。 m 1 t 的一些研究人员对吸气式压气机做了大量的研究1 9 9 7 年，k e r r e b r o e k 等人”6 1 发表文章讨论了吸气式压气机的概念，提出了吸气式压气机发动机性能 的热力学效果，描述了探索在跨音速压气机吸力面上激波发生处进行抽气的效果 的实验。提出了利用附面层抽气的压气机级设计的基本思想。研究结论是，移 除适量的流体能够使级压比得到明显的增加。并且由于从流道中移走了高熵流 体，效率也可能增加。实验表明，从动叶附面层中移走少曩流体对这些叶片的做 功能力有明显影响。 r e i j n e n 1 3 7 1 ( 1 9 9 7 ) 在其博士期间对跨音速压气机级利用附面层控制作了 实验研究。结果表明，由于吸气导致附面层变薄有利于增加流动转角，得到更 高的静压比。并且在动叶上观察到了旋转失速的延迟。 1 9 9 8 年。k e r r e b r o c k 等人d 踟提出了通过移除低能流体来设计压气机风扇级 系列的气动设计思想以及抽气系统的设计概念利用准三维粘性和三维欧拉计算 程序工具设计研究了设计工况下不同叶尖速度的三种风扇级结果表明，通过附 面层抽气使每个级的做功量提高了一倍 s c h u l e r 等人利用基于m i s e s 的准三维程序设计分析了在设计和非设计 工况下叶尖马赫数为0 7 ，压比为1 6 的风扇级，并且做了实验。论证了在低速叶 片表面和端壁抽气的可行性。 s c h u l e r ( 2 0 0 1 ) 4 0 1 4 ”成功试验了整个抽吸级，在动静叶上都采用抽吸。 试验结果表明和设计目的非常一致，7 5 0 英尺每秒的叶片速度获得了1 5 9 的压 比，预测的绝热效率是8 9 。 m e r c h a n t i ”1 i ”1 在m i s e s 程序中开发了吸气模型，模型假定吸气槽开在叶片 表面，并且在一系列低速和跨音速叶栅上进行了吸气模型预测结果和实验数据的 堕堡堡三些尘兰三兰堡：兰堡兰塞 对比。文献1 利用此三维粘性程序研究了叶尖速度为1 5 0 0 f l y s e c ，总压比达到 3 5 的吸气式压气机。结果表明，对于给定叶尖速的压气机级，通过附面层抽 气，可以使压比明显提高。文献【4 ”利用三维n - - s 程序研究了高速压气机级和 低反动度压气机级以及涡轮出口导叶级。计算结果表明通过少量的抽气可以在 大部分叶展上使负荷提高。 此外，k e r r e b r o c k t 4 6 j ( 2 0 0 0 ) 作了计算设计研究和一些有趣的抽吸应用。 m c c a b e 【4 ”( 2 0 0 1 ) 研究了抽吸对发动机效率的影响。h a t h a w a y t “1 ( 2 0 0 2 ) 基于抽 气和喷气能缓和端部气动阻塞趋势并结合最好的抽气和喷气结构提出了自循环 叶顶处理概念。通过对促成顶部危险叶栅失速的流动机理以及循环叶顶处理方 法的研究，结果表明，对高速跨音速动叶应用此方法使失速裕度明显增加且效 率没有减少。 国内的研究人员也对抽气作了一些研究。不过大多是在汽轮机里的应用。 孙弼等人【4 9 】【5 0 1 采用抽吸技术在透平级静、动叶根部周向间隙处将位于静 叶附面层中的那部分汽体抽出来，经过叶轮上的平衡孔流入下一级，结果使该级 动叶壁面来流附面层减薄为零，从而减少端部二次流损失，提高汽轮机的效 率。 郭绪盎和俞茂铮对抽吸在透平静叶栅中的应用。文献【5 0 对一直列湿蒸汽透 平静叶栅在进口处前缘附近进行端壁附面层抽吸进行了流场数值模拟，计算结 果表明抽吸不但可以抽出沉积水膜以防止动叶片水蚀，而且可以抑制二次流的 发展。文献p 2 j 对一直列透平静叶栅在相同抽吸量条件下，不同抽吸缝位置对二 次流发展的影响进行了数值模拟。结果表明，在叶栅端壁上抽吸附面层流体可 抑制通道涡的发展，减小二次流损失，减少气流出口偏转角和总压损失系数沿叶 高的不均匀分布程度，改善后继叶栅的工作条件。文献蜘提出了一种在调节级 静叶栅叶片吸力面侧端壁处抽吸低能流体至轴封漏汽腔室，以降低静叶栅二次 流损失的方法。 此外，王新军等人”4 1 对开有抽吸缝的平板叶片在不同抽吸条件下的流场 进行了数值模拟，研究了叶片上的附面层和抽吸缝附近流场的流动特性，分析 了抽吸缝进口处的压力与空心叶片内部压力的压差、缝隙宽度、缝隙与静叶表 面的夹角以及气流速度对流场和附面层厚度的影响。 堕堑堡三些尘兰三兰塑圭耋堡墼兰 1 6c f d 在现代涡轮机械中的发展 数值计算软件作为数值仿真试验台的软件平台，近年来在国外的发展非常 迅速，已经在国际软件产业中形成了统称为c f d 的软件产业市场，并且相继 出现了大约5 0 余种商用c f d 软件，如f l u e n t 、s t a r - c d 、c f x 、f l o w 3 d 和 n u m e c a 等等。这些商用软件大都基于有限差分和有限体积法，并且选用多种 求解方法进行求解，在求解器中的差分格式纳入了一阶、二阶迎风、中心差分 及q u i c k 等格式，湍流模型采用k s 模型、r e y n o l d s 应力模型、b l 代数模 型以及大涡模拟等模型。在网格生成方面可以采用结构化和非结构化网格结 构，还可以处理滑移网格问题，而且它们的网格模块其有与目前较为流行的 c a d c a m 软件接口，在适应复杂计算域方面具有特别的优势。此外商用软件 普遍可以解决稳态和非稳态问题，并且对多孔介质中的流动问题、牛顿与非牛 顿流体问题、涉及化学反应问题以及多相流问题都可以较好的解决。 现代叶轮机械的性能已经达到了很高的水平，而且还在向更高的效率，更 少的级数，更好的运行性能的方向发展p ”。在近几十年中，作为叶轮机械核 心技术之一的计算流体力学在计算方法研究和应用程序开发方面都有了巨大的 进步。与此相应，叶轮机械的设计方法也由过去的主要依靠经验逐步向主要依 靠计算流体力学软件的方向过渡，从而使先进叶轮机械的研制周期和费用大大 减少。例如在俄国( 前苏联) ，在以平均截面和简单径向平衡设计方法为主的年 代，研制一台新的航空发动机一般需要经过1 0 台左右样机反复调试和设计修 改；而在采用经过校准的准三维和全三维设计体系后，研制周期可缩短到2 3 台样机。我们知道航空发动机的研制费用主要是试验设备投入与试验费用，随 着发动机性能的不断提高这一投入急剧增加。为了解决这一问题，国外正在开 发大型的发动机数值模拟试验台。俄罗斯的qham 与美国的l e w i s 以及 n a s a 研究中心在这方面进行了大量的工作。他们的研究结果表明，发动机数 值仿真可减少研制经费与减少了研制周期三分之一以上。 1 7 论文的主要研究内容和目的 发动机效率是衡量发动机性能的关键参数，而如何提高其效率又涉及几何 与气动诸方面的参数，在对定压加热燃气轮机理想循环的分析中发现，整个燃 气轮机循环的效率仅取决于压气机的压比。因此，压气机性能的改善起着十分 关键的作用。本文采用u g 软件的几何造型模块，结合n s 方程三维粘性计算 程序，采用商用流体计算软件f l u e n t ，对某大折转角动叶的吸力面附面层抽 吸进行了数值模拟，并系统地对其气动性能进行分析，探讨了损失的形成和发 展过程。具体内容如下： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 、针对动叶高速转动的特点，考虑结构上的机械加工工艺，设计了吸力 面附面层抽吸的结构。 2 、初步讨论了吸力面附面层抽吸对高负荷环型叶栅的影响，通过多参数 比较和分析，确定了对流动分离改善较好的抽吸槽的位置。 3 、分析了吸力面附面层抽吸对流场的影响，初步探讨了吸气对冲角和出 口气流角的影响。 4 、最后总结全文，并得出结论。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章流场数值模型 在叶轮机械内部流动数值模拟中，现在最普遍，最有效的方法就是对三维 n s 方程的求解。虽然受到了湍流模型适用性和经验性的限制，但与e u l e r 方 程加损失模型的计算方法相比，n - s 方程计算结果仍能够较为全面的反映流场 的详细结构。n s 方程求解的准确性与许多因素有关，差分格式的精度及其对 间断的捕捉能力，直接影响着对复杂流动预测的准确性。而湍流模型的通用性 与准确性直接影响到对粘性现象是否能够正确模拟。另外边界条件的给法，网 格的质量的好坏对仿真结果的好坏也都有着重要的影响。 本文讨论和计算中，对流体做如下假设：1 ) 牛顿流体；2 ) 各向同性；3 ) 忽 略流体重力。 2 2 柱坐标系下的三维粘性流体控制方程 其中 柱坐标系下无量纲化的三维粘性流体控制方程 旦8 t + 署+ 堡8 r + 嘉r 8 = 争+ 上r e ( 争+ 署+ 雾+ 嘉， ， 一+ 一+ 一+ 一= = + 一i 卫+ 二+ + 一l f 2 1 、 跣8r、ra za r旧e 。 、。 u = p 删 p v p w e e = p u p + p u 2 p u v p u w ( p + p ) 甜 f = p v p u v p + 卿 p v w p + p ) ， g = p w p u w p v w p + p w 。 r p + p ) w 堕玺篓三些当兰三兰堡圭兰堡兰三 q = 0 乞 勺 t 口 4 z = r = 一例 一p u v 所( ，+ 婀) 2 一v 2 】 一2 p v ( w + c o r ) p v c 0 2 r 2 一p 十p ) v 0 f 庀 o t r e 4 五= 吒却( 罢甲1 矿) 铲：皓一j 1v 矿 嘞却嚆+ 乏v 矿 。= = 2 程+ 雾) 砀= = 2 弋( ，a o u 万+ 瓦o w ) 铂却( 警+ 丽o v 一爿 v 识老+ 宴o r + 善r o f f + 詈d z r 4 2 r 。甜+ f ，_ l ，+ t z o w l 。i t i 万 “刃 - 1 6 - s = 0 龟 珞 4 ( 2 - 2 ) f 2 3 a ) ( 2 3 b ) ( 2 - 3 c ) ( 2 - 3 d ) r 2 3 e ) ( 2 3 f ) ( 2 - 3 9 ) f 2 - 3 h ) 锄。 o一，珥4 r 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 = 州 嵋告雾 以= 吒甜+ 珞v + w + 百z 万o t ( 2 3 j ) r ：上旦( 2 3 k ) 豇- 1 口 旺击”p 2 ( u 2 + v 2 + w 2 ) ( 2 - 3 1 ) 。肼，生p r 等噜( 2 - 3 m ) 式中卜一时间；p 一密度：p 一压力 t 一温度；“，v ，w 一相对速度向 量沿三，r ，0 三个坐标轴的分量：一相对坐标系的旋转角速度；m ，鸬一层 流和湍流粘性系数；p r _ 一层流和湍流p r a n d t l 数，层流取p r = 0 7 2 ，湍流取 p r | ；0 9 ：r 一比热比；r e - - r e y n o l d 数。 一长度特征量； a c t 特征速度，取为进口中径气流临界音速 口量= 焉i r ； ( 2 - 4 )口辛= _ 式。；【2 4 j r + p 0 特征密度，取为进口中径气流临界状态的密度，其计算式为 以= c 南，击患 倍s ， 此时基本无量纲参数为，在方程( 2 1 ) 中各无量纲量为书写简便略去了上 标一 三= 主，= 等，万2 号，芦2 惫，珏毒 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 f 5 ：甄t ，丽= 毒，可2i v ，面。薏 c z 6 ) 由此可得 芦：上， j u c r r e ：譬华( 2 - 7 ) 弘c r 式中的，o 为进口中径处气流临界状态下的运动粘性系数。 遵循以上参数可以得到气态方程的无量纲形式 芦；x - 1 万t ( 2 8 )p 。( 2 。劲 _ i r 2 3 任意曲线坐标系下的粘性流体控制方程 其中 设曲线坐标系的坐标架方程为 亭= 善o ，0 ) ，r = r l ( z ，r ，口) ， f = f g ，r ，0 ) ( 2 。9 ) 经过变换可得方程( 3 1 ) 在任意曲线坐标系下的形式为 鱼+ 堕+ 堡+ 箜：亟+ 上f 巫+ 叟+ 里+ 堡)( 2 1 0 ) a t j a ja 玎ja rr c 、r 8 薯a n6 1 7 e f g = j r 2 1 l a ) el 丌i ，i( 2 - 1 l b ) g l 1，j 厶 品靠 阿 尊仉鲁 = 抗 复仉幺 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 若记 慝 小陵 专z 孳r = i 仉仉 【乞缶 ( 2 1 1 c ) 则话，矿，谛分别为茧玑f 三个方向的速度逆变分量。利n ( 3 一l i d ) 式记法，可得无 ：# d i j l ! l n ：e ，f ，g 的通式 、壬，= j p 毕 p u n + p k ： 审+ p k r 刚中七p k e | r ( e + p ) n 当k 分别为喜r , f 时，矿分别为掰，矿，访，则少分别为e ，f ，g 。 粘性通量q ，r ，s 的通式 其中 国= 纯 f 0 2 ( 0 3 吼 纯 妒1 = 0 r 2 - 1 l e ) ( 2 - 1 l f ) r 2 - 1 l g ) q r s 1，j 厶 磊白 = 列纠 lo q 门叫叫l10，j 厶厶厶 岛厶 窒尘鎏三些盔主三耋堡圭耋竺篓兰 m k 忖t f 2 1 l h ) 妒s = u ( 0 2 + v 伤堋。+ 鲁( t 要托雾+ 了c o 丽o t j ( 2 - l l i ) 当k 分别为夤仍f 时，西分别为q ，r ，s 。 式( 2 1 1 h ) 中的f 各个分量在任意曲线坐标系下的表达式为 吃= 2 c 色舅+ 珑考+ 幺善一j 1 乳， c z 也曲 。= 2 ( 尊鲁+ 仉考+ 鼻安一j 1 n )r 2 - 1 2 b ) ；v o ) ( 2 - 1 2 c ) 。= = ( 受善+ 仇亳+ 幺毒+ 岳虿8 u + 仉- g 锄+ 鲁害) 2 d ) f z 02 龟 2f r 0 可w = u ：芎：+ v ：专r + w ；孳8 + 牡q r l + v q r r wq q 8 扣 + 叱幺+ 心+ w f 白，+ 三 2 _ 1 2 8 = 玩，厶= 职 2 0 - ( 2 - 1 3 ) lll叫 也t 一 一 _l 锄 o o v r + 丝西 血， 咖一纫 一， + 丝髫 品一r 印 | | 鱼， + 锄一却 塑， + 办一考 品一， + 塑髫 幺 + 丝却 玑 + 坐西 色从 = 丝彤 + 丝却 仉 咖一髫 毒 + 却一髫 亟， + a 一研 塑， + 蹄一劈 岛一r “ i | 窒堡鎏三些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 由柱坐标系向任意曲线坐标系转换关系式为 戋= ；( 。巴一誓岛) 玑= 专( o 一名巳) = 专( 岛一r o e ；) 鲁= ；( 乙岛一色) 仉= 与( 咚一乃唿) = 了1 ( = 。咚一乃岛) 其中u ，为j a c o b i n 转换矩阵行列式 z qz 誓 e he ： 2 4f l u e n t 数值格式概况 品= ( z 。名一，：7 q 8 = 孓z ；r 飞 厶= ；( 乇。_ 嘻 f 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) f l u e n t 提供两种数值求解方法：分离解法和耦合解法。 f l u e n t 的两种解法都可以解守恒型积分方程，其中包括动量、能量、质 量以及其它标量如湍流和化学组分的守恒。在两种情况下都应用了控制体技 术，对控制方程在控制区域内进行积分以建立代数方程，这些代数方程中包括 各种相关的离散变量如：速度、压力、温度以及其它的守恒标量两种数值方 法采用相似的离散过程有限体积，但线化的方法以及离散方程的解法是不 同的。 2 4 1 分离解方法 使用该方法，控制方程是分离解出的( 即：一个一个的解) 。因为控制方 程是非线性的( 还是耦合的) ，所以在得到收敛解之前，必须进行迭代。 死曙班 = 堕o仉塑聪 = 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 1