跨聲速軸流壓氣機(jī)間隙設(shè)計(jì)與失速控制研究

跨聲速軸流壓氣機(jī)間隙設(shè)計(jì)與失速控制研究

葉尖間隔檢測(cè)器是控制旋轉(zhuǎn)葉片尖間隙變化的重要技術(shù)措施。該技術(shù)被認(rèn)為是發(fā)展先進(jìn)混合動(dòng)力車輛比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)必要技術(shù)支持之一。英美和其他國(guó)家非常重視相關(guān)研究工作。例如，美國(guó)航天局（nikama）在最近的研究中提出了一項(xiàng)詳細(xì)的自動(dòng)間隙控制技術(shù)長(zhǎng)期開發(fā)計(jì)劃，并斯奈克瑪開發(fā)的“銀冠電機(jī)”也采用了該技術(shù)。間隙控制技術(shù)的關(guān)鍵是研究間隙對(duì)壓氣機(jī)（渦輪）的氣影響、間隙估計(jì)、測(cè)量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從動(dòng)態(tài)的角度來看，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段的應(yīng)用上進(jìn)行了大量的研究。smith等人研究了低速壓氣機(jī)的間隙流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)間隙從動(dòng)葉帶的長(zhǎng)度從1%增加到6%，最大壓升降至23%，近速帶的質(zhì)量流量從15%增加到15%。然而，顧亞德等人發(fā)現(xiàn)，間隙變化對(duì)最大壓升幾乎沒有影響。在早速行上，非定常流動(dòng)和失速之間存在著密切關(guān)系。杜等人認(rèn)為，較大空間和小空間沒有固定的流。schlechner等人已經(jīng)證明，間隙泄漏的破碎是由隨后的波序列流和間隙泄漏流組成的。這可能是近年來近速下非常性特征的原因之一。在聲速壓氣機(jī)中，間隙泄漏軸和橫截面積、邊緣層和激波的相位形成了復(fù)雜的流動(dòng)，這需要充分的理解和理解之間的關(guān)系。此外，應(yīng)結(jié)合流場(chǎng)分析，為壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)和間隙控制技術(shù)的應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ)研究。本文以跨聲速軸流壓氣機(jī)rotor37為研究對(duì)象,利用數(shù)值仿真計(jì)算方法,對(duì)設(shè)計(jì)間隙、1/2設(shè)計(jì)間隙、1/4設(shè)計(jì)間隙、零間隙以及2倍設(shè)計(jì)間隙下近失速狀況進(jìn)行研究,探索不同間隙對(duì)跨聲速軸流壓氣機(jī)性能的影響以及相關(guān)失速機(jī)理,探求間隙設(shè)計(jì)與失速的關(guān)聯(lián)性,為跨聲速軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)間隙的選取提供設(shè)計(jì)參考,并為應(yīng)用間隙控制技術(shù)改善跨聲速軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定性提供必要的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.1對(duì)象與數(shù)值法的研究1.1研究主題本文以跨聲速軸流壓氣機(jī)(下文簡(jiǎn)稱壓氣機(jī))rotor37單轉(zhuǎn)子通道為研究對(duì)象,其相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示,其細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn).1.2數(shù)值仿真結(jié)果分析對(duì)于現(xiàn)代網(wǎng)格的重要性圖1顯示了計(jì)算網(wǎng)格模型,計(jì)算網(wǎng)格主要被分為兩個(gè)區(qū)域:一個(gè)區(qū)域是轉(zhuǎn)子主要流通區(qū)域;另一個(gè)部分是間隙區(qū)域.設(shè)計(jì)間隙條件下網(wǎng)格數(shù)量為248萬,通道網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為HOH型,間隙為蝶形和H型網(wǎng)格結(jié)構(gòu),網(wǎng)格分布如表2所示.為了增加可比性,減少網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,1/2設(shè)計(jì)間隙、1/4設(shè)計(jì)間隙、2倍設(shè)計(jì)間隙網(wǎng)格劃分情況同上,總網(wǎng)格數(shù)量為248萬.零間隙下不存在泄漏流,其網(wǎng)格數(shù)為209萬.1/4設(shè)計(jì)間隙高度為8.9×10-5m,與零間隙較為接近,兩者對(duì)比,可以進(jìn)一步考察泄漏流對(duì)流動(dòng)的影響.數(shù)值仿真基于NUMECAFINE/Turbo平臺(tái),對(duì)三維雷諾平均控制方程進(jìn)行定常求解,采用中心差分法,湍流模型參考文獻(xiàn),采用Spalart-Allmaras模型,定常計(jì)算采用局部時(shí)間步,多重網(wǎng)格方法以加速收斂過程,CFL(CourantFriedrichs-Lewy)數(shù)為3.0.考慮其黏性,邊界條件為固壁邊界,第1層網(wǎng)格點(diǎn)距離固體壁面的距離為3×10-6m,可以保證y+<1.2數(shù)值模擬的結(jié)果和討論2.1安裝間隙控制圖2給出了100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下,壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用設(shè)計(jì)間隙、1/2設(shè)計(jì)間隙、1/4設(shè)計(jì)間隙(近似零間隙)、零間隙以及2倍設(shè)計(jì)間隙特性對(duì)比圖.為了顯示計(jì)算的可靠性,相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也顯示在該圖.對(duì)圖中橫坐標(biāo)流量進(jìn)行無量綱化,其為流量與堵塞流量之比.設(shè)計(jì)間隙條件下,計(jì)算的可靠性參考文獻(xiàn).從圖2中顯然可以發(fā)現(xiàn)如下問題:(1)間隙變化后,絕熱效率有所改變,最高絕熱效率在2倍設(shè)計(jì)間隙條件下減小2%,其他各種間隙變化不大.(2)間隙由設(shè)計(jì)間隙減小至零間隙,最高壓比變化不大;但是隨著葉尖磨損,間隙由設(shè)計(jì)間隙擴(kuò)大至2倍設(shè)計(jì)間隙時(shí),最高壓比降低6%.(3)Suder等在實(shí)驗(yàn)中測(cè)定100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子失速點(diǎn)相對(duì)流量約為0.919,計(jì)算中設(shè)計(jì)間隙失速點(diǎn)相對(duì)流量為0.92,與實(shí)驗(yàn)符合較好;在1/2設(shè)計(jì)間隙時(shí),壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子失速點(diǎn)相對(duì)流量為0.876,穩(wěn)定工作范圍提高4%(流量裕度為4%,綜合裕度為10%).1/4設(shè)計(jì)間隙、零間隙和設(shè)計(jì)間隙相比較,穩(wěn)定工作范圍也有所提高,但改善較小.間隙由設(shè)計(jì)間隙擴(kuò)大至2倍設(shè)計(jì)間隙時(shí),穩(wěn)定工作范圍比設(shè)計(jì)間隙明顯減小.從上述性能計(jì)算中可以發(fā)現(xiàn),在壓氣機(jī)中應(yīng)用間隙控制技術(shù),如果由設(shè)計(jì)間隙調(diào)整至更小間隙,同時(shí)還要避免轉(zhuǎn)子和機(jī)匣的碰摩,會(huì)給間隙測(cè)量、間隙調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶來重重困難,并且效果不明顯;但是隨著葉尖磨損,間隙增大,應(yīng)用間隙控制顯然可以起到延長(zhǎng)壓氣機(jī)使用壽命,確保高性能的運(yùn)行狀態(tài)的作用,并且由于這時(shí)執(zhí)行間隙控制,可以在發(fā)動(dòng)機(jī)維修、保養(yǎng)或非運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行,可以大大簡(jiǎn)化執(zhí)行機(jī)構(gòu),降低成本.2.2設(shè)計(jì)間隙的影響Wilke等對(duì)跨聲速壓氣機(jī)葉尖失速進(jìn)行了分類,分別稱之為葉尖失速(bladetipstall)和堵塞失速(tipblockagestall),并且為了對(duì)壓氣機(jī)失速進(jìn)行定性分析,提出了參數(shù)Bp和Bs兩種失速判別因子.Bp是近失速狀態(tài)下來流與間隙泄漏流分別相對(duì)葉片安裝角的變化量的比值,其越接近1,說明越有可能是由于葉片流動(dòng)分離產(chǎn)生的失速,即葉尖失速.Bs表征主流通過激波時(shí)馬赫數(shù)變化情況,其越接近1,說明越有可能是間隙泄漏渦導(dǎo)致的失速,即堵塞失速.圖3給出不同間隙在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況下95%葉高處的S1截面相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖.從圖中可以發(fā)現(xiàn)激波在近失速條件下成為脫體激波.和絕熱效率峰值點(diǎn)相比較,激波發(fā)生彎曲,并與下一個(gè)葉片的吸力面相交.設(shè)計(jì)間隙下,激波后出現(xiàn)低能團(tuán).根據(jù)文獻(xiàn),可知這個(gè)低能團(tuán)是間隙泄漏流和來流相交,在激波后形成低能團(tuán).隨著間隙的減小,這個(gè)低能團(tuán)逐漸減小甚至幾乎消失.由設(shè)計(jì)間隙增大到2倍設(shè)計(jì)間隙時(shí),這個(gè)低能團(tuán)突然增大.顯然這個(gè)低能團(tuán)的產(chǎn)生和間隙的大小有著密切的關(guān)系.激波發(fā)生彎曲,與下一個(gè)葉片的吸力面相交處,其波后也形成微小低能團(tuán),并且靠近后緣.設(shè)計(jì)間隙下,存在這個(gè)低能團(tuán),與實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)計(jì)算是一致的.根據(jù)Wilke等,這個(gè)低能團(tuán)是由于葉片流動(dòng)分離產(chǎn)生.從圖3(b)~圖3(e)可以發(fā)現(xiàn),隨著間隙的逐漸縮小,吸力面低能團(tuán)逐漸變大,邊界層分離點(diǎn)不斷前移,成為葉尖失速的主要原因.圖3(b)、圖3(f)可以看出,間隙由設(shè)計(jì)間隙增加到2倍設(shè)計(jì)間隙,分離點(diǎn)明顯推后.由此可知,吸力面低能團(tuán)也受到間隙的影響.對(duì)設(shè)計(jì)間隙下Bp和Bs進(jìn)行估算,Bp=0.4375,Bs=0.702916,可以斷定是由于間隙泄漏渦導(dǎo)致的失速,對(duì)1/2設(shè)計(jì)間隙進(jìn)行估算,Bp=0.9375,Bs=0.846829,兩者都較為接近1,間隙泄漏渦和邊界層分離共同導(dǎo)致失速.2.3間隙螺旋度的變化渦破碎在流體力學(xué)研究和實(shí)際工程應(yīng)用上具有重要的價(jià)值,其本質(zhì)特征是渦結(jié)構(gòu)上的突然變化,其主要形態(tài)是螺旋型和泡型兩種.流向上的螺旋密度和逆壓梯度對(duì)渦破碎有著重要的影響.渦破碎的發(fā)生往往在流量場(chǎng)中產(chǎn)生渦快速膨脹以及振動(dòng).根據(jù)文獻(xiàn),確定旋渦破碎的標(biāo)準(zhǔn)主要有3個(gè)方面:(1)高絕對(duì)渦量的消失;(2)渦核尺度的明顯膨脹;(3)流線的局部回旋現(xiàn)象.螺旋密度表示流體一面以相對(duì)速度w運(yùn)動(dòng),一面以相對(duì)速度w為旋轉(zhuǎn)軸的螺旋前進(jìn)的性質(zhì),即在相對(duì)速度方向上的相對(duì)渦量,它的取值表征了渦、渦核的存在以及渦量的衰減.標(biāo)準(zhǔn)螺旋度(Hn)定義如下:其中ξ表示渦量;w表示相對(duì)速度.圖4表示了不同間隙螺旋度和相對(duì)速度矢量跡線圖.在設(shè)計(jì)間隙下,在轉(zhuǎn)子通道靠近葉片前緣處,間隙泄漏渦在螺旋度接近-1的區(qū)域,表現(xiàn)出螺旋度的快速變化,間隙泄漏渦突然出現(xiàn)膨脹,出現(xiàn)核心滯止區(qū)域,根據(jù)參考文獻(xiàn)旋渦破碎標(biāo)準(zhǔn),說明在近失速點(diǎn)處存在渦破碎;在1/2設(shè)計(jì)間隙、1/4設(shè)計(jì)間隙,盡管存在螺旋度較小區(qū)域,但是間隙泄漏渦沒有出現(xiàn)核心滯止區(qū)域,不存在旋渦的突然膨脹,間隙泄漏渦沒有發(fā)生破碎.在1/2設(shè)計(jì)間隙情況下,由于激波后邊界層分離是失速的主導(dǎo)原因,但分離又沒有1/4設(shè)計(jì)間隙和零間隙情況下嚴(yán)重,因此1/2設(shè)計(jì)間隙情況下,穩(wěn)定工作范圍較大.2倍設(shè)計(jì)間隙處存在明顯渦破碎的情況,但是二次泄漏流發(fā)生明顯.渦破碎附近螺旋度變化劇烈,能量損耗較為嚴(yán)重.2.4葉尖前間隙式設(shè)計(jì)間隙與最高速度a葉尖間隙泄漏流是由于葉片表面存在壓差而產(chǎn)生的.圖5、圖6為不同間隙下近失速狀態(tài)95%葉高處葉片表面靜壓、葉尖間隙沿弦向分布的相對(duì)速度圖.從圖中可以看出,由于葉尖前緣壓差較大,最高速度出現(xiàn)在葉尖前緣.進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),由設(shè)計(jì)間隙至1/2設(shè)計(jì)間隙再到1/4設(shè)計(jì)間隙,隨著間隙減小,最高速度逐漸降低,但降低幅度不大;但是如果間隙由設(shè)計(jì)間隙擴(kuò)大至2倍設(shè)計(jì)間隙,最高速度會(huì)大幅降低.這是因?yàn)槿~尖間隙泄漏流與激波后來流摻混,能量有損耗,因而產(chǎn)生低能團(tuán).間隙對(duì)壓力面壓力影響不大,但對(duì)吸力面有較大影響.間隙過大,激波與吸力面處相交位置較后,并且壓升較小,壓差減小不大,致使在大間隙下間隙泄漏流產(chǎn)生較大的通道內(nèi)橫向流動(dòng),和來流摻混后存在較大能量損失.3葉尖失速和激波后間隙的變化本文采用數(shù)值模擬的方法,研究間隙對(duì)壓氣機(jī)rotor37性能的影響,并進(jìn)一步探索間隙失速機(jī)理.研究發(fā)現(xiàn):1)間隙對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍有重要影響.壓氣機(jī)rotor37間隙由設(shè)計(jì)間隙減小到1/2設(shè)計(jì)間隙時(shí),壓氣機(jī)絕熱效率以及壓升損失不大,壓氣機(jī)失速裕度卻提高了4%,但是隨著間隙的進(jìn)一步減少,壓氣機(jī)穩(wěn)定性降低.2)邊界層分離產(chǎn)生的失速和激波后間隙泄漏渦與來流相交產(chǎn)生的失速是葉尖失速的兩種主要形式,間隙的變化可以誘導(dǎo)不同的失速形式.間隙小,失速形式是邊界層分離產(chǎn)生的失速;間隙大主要失速形式是激波后間隙泄漏渦與來流相交產(chǎn)生的失速.在工程中,隨著葉尖的磨損,間隙增大,出現(xiàn)激波后間隙泄漏渦與來流相交產(chǎn)生的失