离心叶轮与扩压器相互干扰数值模拟

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252012Vol33No71173—1180ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：Bhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR文章编号：10006893(2012)07—1173—08离心叶轮与扩压器相互干扰数值模拟魏宝锋，金东海，桂幸民*北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191摘要：采用定常与非定常数值模拟方法，对某小型离心压气机进行数值计算，首先比较了定常结果与非定常时均结果的特

2、性；然后结合离心叶轮出口和径向扩压器进口典型位置非定常压力脉动的频域特性，研究了离心口f轮与扩压器之问的转静干涉作用；最后着重分析了离心叶轮带与不带分流叶片对径向扩压器进13压力脉动频率特性的影响。结果表明：在相同流量下，非定常时均结果的压比偏高约3．7％，效率偏高0．1％；在带有分流叶片的离心压气机中，离心叶轮叶片出口与扩压器叶片进El的脉动除了叶片通过频率的非定常脉动外，分流叶片尾缘会产生与之强度相当的2倍叶片通过频率的非定常压力脉动。同时，分流叶片会对径向扩压器进El产生更强的0．5倍叶片通过频率非定常压力脉动，这些

3、频率的非定常压力脉动很可能会对离心压气机叶片的疲劳强度造成影响。关键词：离心压气机；分流叶片；转静干涉；非定常流动；数值模拟中图分类号：V231+3文献标识码：A经过半个多世纪的发展，中小型航空发动机的性能已经有了巨大的改善，且被作为民用直升机、教练机、轻型攻击机、无人机和巡航导弹的动力而被广泛应用。近年来，中小型航空发动机的产量已经占世界航空发动机市场的80％以上，产值超过了一半。因此，中小型航空发动机是航空发动机领域的一个重要组成部分[1]。离心压气机因具有结构简单、尺寸小、重量轻、在小流量情况下能得到高的单级增压比和

4、相对宽广的稳定裕度等优点而在小型航空发动机中得到了广泛的应用∞j。然而，由于离心压气机叶轮与扩压器的径向间隙较小，叶轮出口的流动还未达到充分混合就以非定常的形式向下游扩压器传播，而扩压器叶片的存在又对上游的叶轮构成了一种非定常干扰口]。因此，离心压气机内部流场不仅在空间上极其复杂，而且在时间上也表现为强非定常性。这种离心叶轮与扩压器相互作用的非稳态流动不仅影响了离心压气机的效率和稳定工作范围等气动性能，还对压气机叶片的疲劳强度和可靠性等机械性能提出了更高的要求，并且这也是离心压气机运行中产生气动噪声的原因之一[4]。所以，

5、研究离心叶轮与扩压器之间由于非定常相互干扰产生的非定常叶片气动力的大小和频率对于提高离心压气机叶片的疲劳强度和可靠性具有重要意义。目前，关于离心叶轮与扩压器之间的非定常相互干扰作用的研究，国内外学者在实验和数值方面做了很多工作[3’16

6、。其中，多数针对离心叶轮和扩压器之间的非定常相互干扰对离心压气机的气动性能和内部流动进行了深入研究，而对于离心叶轮与扩压器之间相互干扰产牛的非定常脉动的频域分析研究较少。尤其在广泛采用分流叶收稿日期：2011—09—14；退修日期：2011-10—23；录用日期：2011-12—04；网络

7、出版时间：2011—12-2111：32网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／delail／11．1929V．201112211132005html基金项目：国家自然科学基金(50736007，51006005)；“凡舟”青年科研基金(20100401)*通讯作者Tel．：010-82339387E-mail：guixm@buaaeducrl戮鬲椿武tWeiBF，JinDFt，GuiXMNumericalsimulationofimpeller-diffuserinteractionincentrifugalc

8、ompressor．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2012，33(7)：1173—1180．魏宝锋．金东海．桂毒民离心叶轮与扩压器相互f扰数值模拟，航空学扳．2012，33(7)：1173．jt80．航空学报片的高压比离心压气机中，关于分流叶片的存在对离心叶轮和扩压器之间相互干扰的非定常脉动的频域特性研究工作很少，只有文献[16-1对其进行了初步的实验研究。因此，本文在文献[17]和文献[183对离心压气机研究的基础上。采用NU—MECA软件对某小型离心压气机进行了定常与非定常数值

9、模拟，并对离心叶轮与扩压器之间的非定常扰动进行了频域分析，重点研究了分流叶片对径向扩压器进El非定常压力脉动频域特性的影响。1研究对象本文研究对象是一个高转速、小型离心压气机，设计转速为108000r／min。离心压气机由离心叶轮、径向扩压器和轴向扩压器组成，其离心压气机整级的子午流道图如图1所示。其中