叶片型线曲率与压气机叶型损失

叶片型线曲率与压气机叶型损失

0叶型设计理念在压气机中的应用原油和涡轮机的发展对压力飞机的负荷和效率提出了越来越高的要求，并促进了压气机叶片的研究。一方面,压气机叶型不断进步。早期压气机设计采用NACA-65,C4等系列叶型,自上世纪七十年代以来,可控扩散叶型由于其与传统系列叶型相比,能够更好地控制扩散、抑制边界层的分离,在高马赫数下降低激波损失,因而能够减小型面损失、扩大攻角范围,且在多级环境下易于匹配,在压气机中得到广泛应用,并且随后又发展了考虑端区流动的第二代可控扩散叶型。近年来,提出了一种新的叶型设计理念,即通过控制型面曲率分布来设计得到叶型,因而能够改善叶片吸力面的边界层发展,降低损失,基于曲率分布的叶型设计方法在压气机和透平上都得到了初步的应用。另一方面,叶片前缘形状对于压气机叶型损失的影响也得到国内外学者的广泛重视。在前缘附近,型线曲率对于边界层的影响更为显著,圆弧前缘由于前缘和吸力面型线切点处曲率不连续,容易发生分离,使得叶片表面边界层厚度增加,而国内外大量已有的研究都表明椭圆前缘能够改善前缘流动,抑制分离泡的产生在圆弧和椭圆前缘的基础上,一些研究者开展了对压气机叶片前缘形状的优化研究,例如陆宏志等提出了带平台圆弧形前缘,通过数值模拟和实验验证表明该型前缘形成了强度较弱的双吸力峰,其抑制前缘分离的效果不亚于椭圆前缘。Goodhand等对椭圆前缘进行优化,优化后消除了吸力面前缘的速度峰值。上述研究表明,叶片型线曲率,特别是前缘的曲率不连续现象对于压气机叶型损失有较大影响,因此,本文针对前缘形状对压气机叶型损失的影响开展数值模拟研究,比较了某压气机叶型在使用圆弧前缘、椭圆前缘和曲率连续的前缘时不同攻角下的前缘流动,研究了前缘曲率是否连续对于叶型损失的影响。2计算模型与网格的拓扑采用商用CFD软件ANSYSCFX进行二维叶型计算,由于边界层转捩的预测对于前缘流动的计算非常重要,计算中使用SST湍流模型加Gamma-Theta转捩模型。图1所示为计算使用的网格,采用H型网格拓扑,网格数为229×101,对叶片前缘和叶片表面的网格进行局部加密,保证壁面y+<1以满足Gamma-Theta转捩模型的要求。进口边界给定总压总温和来流湍流度,进口气流速度方向根据所选择的工况确定,出口给定背压。3结论分析3.1冲角大小对叶片损伤的影响首先对原始叶型(圆弧前缘)不同冲角下的前缘流动状况进行分析。图2给出了原始叶型的损失特性,可以看到原始叶型的低损失冲角范围(即总压损失小于两倍的最小损失的冲角范围)约10°。在冲角-2°时,总压损失最小,图3给出了冲角-2°时叶片通道内的马赫数分布。从损失分布可以看到,当冲角大于一2°时,叶型损失显著增加。为分析产生上述现象的原因,图4、图5给出了最小损失冲角附近的前缘流线和吸力面壁面摩阻系数分布。如图4所示,冲角-3°时,叶片吸力面前缘无分离,压力面前缘存在分离,但是压力面前缘分离对型面损失的影响较小。冲角-2°时,吸力面前缘开始出现分离泡。结合图5的壁面摩阻系数分布可以看到冲-2°时尽管出现了分离泡,但是并没有引起边界层的提前转捩,吸力面层流边界层仍然保持到约50%的流向位置,而当冲角达到-1°时,压力面分离泡消失,但是吸力面前缘分离位置提前同时分离泡扩大,使得吸力面层流边界层在前缘附近提前转捩,导致损失显著增大。上述分析表明,与压力面前缘分离泡相比,吸力面前缘分离泡由于引起边界层的提前转捩,对于叶型损失有较大的影响。因此,下文着重研究冲角大于-2°时曲率连续前缘对叶型损失的影响。3.2椭圆高效冲角的特性针对圆弧前缘由于曲率不连续导致前缘出现分离泡的问题,使用曲率连续前缘代替原始叶型的圆弧前缘,研究前缘形状对于叶型损失的影响。图6给出了不同前缘的形状的示意图,其中曲率连续前缘由两条贝塞尔曲线构成,保证前缘与压力面和吸力面切点处曲率连续。同时对椭圆前缘的情况进行了计算以作比较。图7所示为使用不同前缘时的叶型损失特性。使用椭圆前缘,冲角从-2°增加到-1°时总压损失继续减小,冲角为0°时总压损失才出现显著增大,结合前面对不同冲角下原始叶型前缘流动的分析可知,椭圆前缘起到了一定的抑制前缘分离的作用,将吸力面边界层发生提前转捩的工况推迟了1°。而曲率连续前缘对于前缘分离的抑制更为明显,冲角0°时仍然没有发生边界层的提前转捩,如图8。当冲角继续增大时,尽管使用曲率连续前缘的叶型也发生了边界层的提前转捩,如图9所示,但是其损失仍然小于圆弧前缘和椭圆前缘。为说明这一现象,图10所示为冲角i=3°的工况下叶片前缘附近流线,三种前缘在该冲角下均产生了分离泡,但是曲率连续前缘显著减小了分离泡的大小,因而减小了吸力面边界层厚度,降低了总压损失。4减少了吸力面内部分离泡本文以某压气机叶型为研究对象,通过数值模拟手段研究了前缘形状对于压气机叶型损失的影响,得到的主要结论如下:原始叶型(圆弧前缘)冲角增大时前缘吸力面侧出现分离泡,吸力面分离达到一定程度时使得吸力面层流边界层提前发生转捩,导致损失显著增大。压力面分离泡对叶型损失的影响相对较小。使用曲率连续前缘对原始叶型进行优化后,抑制