浅谈静叶尾迹对压气机动叶非定常气动载荷的影响

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1、浅谈静叶尾迹对压气机动叶非定常气动载荷的影响1　研究对象和方法　　本研究以某型压气机前一级静叶和下游动叶的三维流场为研究对象，静、动叶片数量相等为38，选取单扇区流场通道作为计算区域，应用计算流体力学(putational　fluid　dynamics，简称CFD)的专业前处理软件Gambit生成结构化六面体X格。X格单元数为106　758，节点数为116　679，且X格的长宽比小于5，正交性大于10，延展比小于1　000，X格的质量良好，压气机工作转速为11　383r/min，采用进口总压、出口静压边界类型，介质为可压缩理想空气。已知进口总压Pinlet为1.0105　

2、Pa、温度Tinlet为300K，出口静压Poutlet为1.08105　Pa、温度Toutlet为300K，动叶排轴向长度Cx为0.037　31m、节距b为0.043　69m　　2　计算结果分析　　2.1　SM方法与MRF方法的比较　　由于压气机动、静叶流场的交界面为旋转面，且与动叶流场的转轴重合，因此对于动静交界面的设置不仅可以采用SM方法，还可以采用MRF方法。　　2.1.1　计算收敛性　　为了保证计算的稳定性和收敛效果，采用隐式耦合求解方法对压气机内部流场进行了500步的定常分析，将得到的稳定流场作为初场，启动非定常分析。综合考虑动叶的旋转速度和三维非定常计算的耗

3、时性，选定物理时间步长为2.31μs，同时设定虚拟迭代步数为20，计算时间步为2280。在计算过程中，通过监测动叶表面的系数曲线来判定收敛情况。SM方法和MRF方法的非定常升力系数监视曲线。可以看出：经过3ms计算后，SM方法和MRF方法的计算结果收敛，且二者都属于震荡收敛，这是由于压气机内部流场的非定常性决定的;MRF方法监视曲线的震荡幅值要远小于SM方法的震荡幅值。相比较而言，MRF方法的收敛性更好。　除了使用特征量的监控值来判定计算的收敛外，一般还把进出口的流量之差作为一个评价计算收敛性的重要标准。两种方法的进出口流量值及偏差。可以看出，MRF方法的进出口流量

4、偏差0.3%小于SM方法的偏差0.8%，这说明了MRF方法的收敛效果优于SM方法。　　2.1.2　计算所需时间　　在计算设备相同的情况下，SM方法非定常计算所耗用的时间约为5.50h，而MRF方法耗用时间约为9.75h，可见MRF方法的计算效率更高。为了保证计算的准确性和高效性，本研究采用MRF方法模拟压气机内部的三维非定常旋转流场。　　2.2　静叶尾迹对动叶流场的非定常干扰　　经过2280个时间步计算后，监测的进出口流量以及动叶升力系数等参数都达到了良好的周期性(震荡幅值数量级为10-2)，据此判定计算结果已收敛。　　提取定常流和非定常流的速度云图。从速度云图看到，当气

5、流从前一级静叶流入下一级动叶时，每两个叶片通道之间会产生一条尾迹，这个尾迹从前一级静叶的尾缘一直延伸到动叶的前缘。定常流的速度云图显示了前一级静叶尾迹自然流动时的形态。施加转速后，在前一级静叶尾迹输运至下游动叶流场通道时，被转子叶片周期性地扫过，这对动叶流场产生了较大幅度的非定常扰动，使动叶压力面的压力远大于吸力面，导致前一级静叶的尾迹被挤向了下一个动叶的吸力面一侧，在动叶前缘形成了速度较低的不均匀流场区域。　　为进一步研究压气机内部的流动特性和前一级静叶尾迹的变化，分别计算了1.3，2.6，3.9和5.2ms时刻的非定常流场，得到了各时刻压气机内部流场的静压分布情况。叶

6、顶和轮毂的静压分布图。随着时间的推移，静动叶流场的压力均有小幅度降低，且分布越来越均匀，直到流场稳定，这尤其体现在静叶和动叶尾缘区域。在1.3ms时刻静动叶流场的压力梯度相对比较复杂，存在较多的压力涡，当到达3.9ms时刻后，压气机内部流场的压力涡明显减少，分布基本稳定，压力梯度趋于均匀，此时流动收敛。还看到，动叶压力面的压力明显大于吸力面，这使得在动叶流场的前缘形成了低压、低速的不均匀流场区域，且在叶顶位置存在两个明显的压力分布集中点，这两个集中点为整个流场的最大压力和最小压力所在处，也是非定常气动载荷对转子叶片影响最突出的位置。　　2.3　非定常气动载荷的分布特性　　

7、经过对叶顶和轮毂的压力分析，初步掌握了动叶周围压力的分布情况。为了进一步研究动叶表面气动载荷的变化规律，对动叶压力面和吸力面的静压进行了监测，得到了动叶表面的静压变化曲线。可见，当压气机内部的流场收敛后，动叶压力面和吸力面的气动载荷也达到平稳。可以看出，压力面和吸力面静压的变化情况相似，且二者达到平稳后都处于震荡收敛状态，并呈现出正、余弦变化规律。另外，压力面静压的收敛值(1.08105　Pa)远大于吸力面静压的收敛值(0.85105　Pa)，但从震荡幅值来看，吸力面静压的震荡幅值明显大于压力面的幅值。　　为了详细获得动叶表面