CN110032784B - 带封严篦齿的高速轴流压气机的低速模化设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种带封严篦齿的高速轴流压气机的低速模化设计方法，根据高速轴流压气机的转子与静子叶片叶型模化设计，确定压气机篦齿封严腔低速模化设计方案并分别进行建模和网格划分，并且通过雷诺平均NS方程求解设计点工况的流场数值解，对该流场进行不同方面的对比分析，最后将绝热效率最接近高速原型的低速模化设计方案中的篦齿个数作为低速方案的最优篦齿个数以实现其优化制造。本发明采用低速模化设计，得到低速轴流压气机的篦齿数的最佳个数，为航空发动机轴流压气机篦齿数的设计提供方向。

Description

带封严篦齿的高速轴流压气机的低速模化设计方法
技术领域
本发明涉及的是一种叶轮机械领域的技术，具体是一种带封严篦齿的高速轴流压气机的低速模化气动设计方法。
背景技术
轴流压气机的气动设计为航空发动机研制中的关键技术，轴流压气机的转子与静子之间多采用篦齿封严腔结构来封气，目的是减少转子与静子之间由于气流逆压梯度作用导致的漏气现象，提高压气机的绝热效率，并减少对压气机动稳定性的不利影响。轴流压气机篦齿封严处因存在径向间隙，从而形成了泄漏流，其与叶片根部表面和环形端壁上的二次流相互掺混，使得该处的流场结构复杂。目前，封严腔泄漏已成为影响航空发动机性能的主要因素之一，进一步研究发现，篦齿封严腔流场特性的准确认识有助于提高航空发动机的性能。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种带封严篦齿的高速轴流压气机的低速模化气动设计方法，通过该方法设计低速大尺寸模型压气机实验件来开展工作，能够反映出高速原型压气机内部流场的结构特点和流场参数变化趋势，从而对高速原型压气机进行针对性改进设计，实现高速轴流压气机的优化制造。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明根据高速、低速轴流压气机的转子与静子叶片叶型模化设计，确定压气机篦齿封严腔高速与低速模化设计方案并分别进行建模和网格划分，并且通过雷诺平均NS方程求解设计点工况的流场数值解，对该流场进行不同方面的对比分析，最后将绝热效率最接近高速原型的低速模化设计方案中的篦齿个数作为低速方案的最优篦齿个数以实现其优化制造。
所述的高速、低速轴流压气机的转子与静子叶片叶型模化设计是指：根据相似理论将高速轴流压气机的静子叶片进行放大，再根据流场对静子叶片几何参数进行修改，保证高、低速下静子叶片的气动参数一致。
所述的压气机篦齿封严腔高速与低速模化设计方案包括：压气机篦齿封严腔高速设计方案和压气机篦齿封严腔低速模化设计方案，其中：压气机篦齿封严腔高速设计方案是指：将单个篦齿的几何形状、篦齿径向间隙与叶高的比值、篦齿前后与主流交界面的轴向间隙与静子叶片中径弦长的比值、篦齿腔表面粗糙度；压气机篦齿封严腔低速模化设计方案是指：参照高速原型的篦齿数n，设计篦齿数为n-2、n-1和n三种低速模化方案，第一方案中：篦齿距离左侧篦齿外环为5.8cm、篦齿高度为1.5cm、上方宽度为0.1cm、下方宽度为0.6cm、篦齿间隙为0.08cm、篦齿斜角为72°；第二方案中：篦齿距离左侧篦齿外环为5.8cm、篦齿高度为1.5cm、上方宽度为0.1cm、下方宽度为0.6cm、篦齿间隙为0.08cm、篦齿斜角为72°、两个篦齿之间的距离为0.8cm；第三方案中：篦齿距离左侧篦齿外环距离为3.2cm、篦齿高度1.5cm、上方宽度为0.1cm、下方宽度为0.6cm、篦齿间隙为0.08cm、篦齿斜角为72°、两个篦齿之间的距离为0.8cm。
所述的建模，针对压气机篦齿封严腔低速模化设计方案和光壁方案进行建模。
所述的网格划分是指：主流区采用O4H网格分区，封严腔内采用H型网格，保证主流区与封严腔较好过渡，第一层网格高度设置为3*10-6m，网格的最小正交性保证30°。
所述的雷诺平均NS方程的数学表征为：采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程：
Figure BDA0002013643680000021
其中：
Figure BDA0002013643680000022
为守恒型参数向量，
Figure BDA0002013643680000023
Figure BDA0002013643680000024
和
Figure BDA0002013643680000025
分别是无粘矢通量和粘性矢通量，
Figure BDA0002013643680000026
qi为热源项，
Figure BDA0002013643680000027
τij为应力，
Figure BDA0002013643680000028
δij为克罗内克符号，
Figure BDA0002013643680000029
Q为源项，
Figure BDA00020136436800000210
Figure BDA00020136436800000211
代表外作用力，Wf代表这些外作用力所做的功，
Figure BDA00020136436800000212
所述的对该流场进行不同方面的对比分析包括：对比不同低速模化设计方案的篦齿腔内静压云图与流线、静子叶片表面压力系数分布和静子叶片前缘进口俯仰气流角分布、对比高速轴流压气机和低速模化设计方案的低速压气机的绝热效率。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用低速模化设计，得到高速轴流压气机的低速模化篦齿数的最佳个数，为航空发动机轴流压气机低速模化篦齿数的设计提供方向。
附图说明
图1为高速轴流压气机篦齿封严腔的结构示意图；
图2为三种篦齿封严腔低速模化设计几何结构，以及篦齿腔内静压云图和流线图；
图中：a为一个篦齿；b为两个篦齿；c为三个篦齿；
图3为三种篦齿数和光壁结构方案的静子叶片压力系数分布图；
图4为三种篦齿数和光壁结构方案的静子叶片前缘进口俯仰气流角分布图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例以某航空发动机高速轴流压气机的一级转子与静子的叶片为例，该高速压气机静子叶片的篦齿封严腔采用三个篦齿的几何结构，所有篦齿间隙保持一致，为0.7％相对叶高。
本发明通过以下步骤实现：
1)制定高、低速模化设计方案：在完成高速、低速轴流压气机的转子与静子叶片叶型模化设计后，进行压气机篦齿封严腔的高速、低速模化设计，其中：
高速、低速轴流压气机的转子与静子叶片叶型模化设计是指：根据相似理论将高速压气机叶片进行放大，再根据流场对叶片几何参数进行修改，保证高低速的流场一致。
压气机篦齿封严腔低速模化设计是指：将单个篦齿的几何形状、篦齿径向间隙与叶高的比值、篦齿前后与主流交界面的轴向间隙与静子叶片中径弦长的比值、篦齿腔表面粗糙度全部与高速原型保持一致。
压气机篦齿封严腔低速模化设计是指：参照高速原型的篦齿数，设计了三种低速模化方案，如图2所示，分别为单篦齿方案SS_1tooth、双篦齿方案SS_2tooth和三篦齿方案SS_3tooth，其中：单篦齿方案中：篦齿距离左侧篦齿外环为5.8cm、篦齿高度为1.5cm、上方宽度为0.1cm、下方宽度为0.6cm、篦齿间隙为0.08cm、篦齿斜角为72°；双篦齿方案中：篦齿距离左侧篦齿外环为5.8cm、篦齿高度为1.5cm、上方宽度为0.1cm、下方宽度为0.6cm、篦齿间隙为0.08cm、篦齿斜角为72°、两个篦齿之间的距离为0.8cm；三篦齿方案中：篦齿距离左侧篦齿外环距离为3.2cm、篦齿高度1.5cm、上方宽度为0.1cm、下方宽度为0.6cm、篦齿间隙为0.08cm、篦齿斜角为72°、两个篦齿之间的距离为0.8cm。
2)对设计方案建模、网格划分并计算雷诺平均NS方程，具体步骤包括：选定如图1所示的高速轴流压气机转子与静子叶片，其中静子叶片根部带有篦齿封严腔，作为模化对象的原型，以步骤1)中的三种低速模化方案作为低速模化设计模型，并为了比较篦齿对压气机根部流场的影响，增设了第四个模型，即光壁结构IS，对单篦齿方案SS_1tooth、双篦齿方案SS_2tooth、三篦齿方案SS_3tooth和光壁方案IS建模并进行网格划分，采用数值模拟方法，在设计点工况下，求解雷诺平均NS方程。
所述的网格划分是指：主流区采用O4H网格分区，封严腔内采用H型网格，保证主流区与封严腔较好过渡，第一层网格高度设置为3*10-6m，网格的最小正交性保证30°。
所述的雷诺平均NS方程的数学表征为：采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程：
Figure BDA0002013643680000041
其中：
Figure BDA0002013643680000042
为守恒型参数向量，
Figure BDA0002013643680000043
Figure BDA0002013643680000044
和
Figure BDA0002013643680000045
分别是无粘矢通量和粘性矢通量，
Figure BDA0002013643680000046
qi为热源项，
Figure BDA0002013643680000047
τij为应力，
Figure BDA0002013643680000048
δij为克罗内克符号，
Figure BDA0002013643680000049
Q为源项，
Figure BDA00020136436800000410
Figure BDA00020136436800000411
代表外作用力，Wf代表这些外作用力所做的功，
Figure BDA00020136436800000412
3)从不同方面进行计算结果的对比分析：由图2所示的单篦齿方案SS_1tooth、双篦齿方案SS_2tooth和三篦齿方案SS_3tooth模化方案的篦齿腔内静压云图和流线的对比，明确其腔内流场存在差异，该差异具体是指从后气封口到前气封口的静压下降过程差异及封严腔内流场结构的差异。
如图3和图4所示，依次展示了静子叶片表面压力系数和静子叶片前缘进口俯仰气流角分布，其中：叶片表面压力系数
Figure BDA00020136436800000413
Figure BDA00020136436800000414
为叶片通道进口总压，pin为叶片通道进口静压，pblade为叶片表面静压。不同篦齿封严结构，导致静子叶片根部2％叶高截面的气动载荷不同，影响到静子叶片前缘的进口俯仰气流角不同，最终导致低速模化压气机的性能发生变化。低速实验压气机模型的几何尺寸、转速、压力、温度等参数与高速压气机不同，但两者的气动特性绝热效率在模化时要保持相同或极其接近，绝热效率
Figure BDA00020136436800000415
其中：
Figure BDA00020136436800000416
为压气机的增压比，
Figure BDA00020136436800000417
为压气机的出口总温，
Figure BDA00020136436800000418
为压气机的进口总温，k为理想空气的绝热指数，得到：高速原型、IS、SS_1tooth、SS_2tooth、SS_3tooth低速模化设计方案的绝热效率计算值分别为：82.97％、89.22％、86.49％、82.70％、85.76％，由此得出，SS_2tooth方案的绝热效率与高速原型最接近，相对误差只有0.33％。因此，带封严篦齿的高速轴流压气机低速模化设计的篦齿数最终选择双篦齿方案SS_2tooth，即篦齿方案中：篦齿距离左侧篦齿外环为5.8cm，篦齿高度为1.5cm，上方宽度为0.1cm，下方宽度为0.6cm，篦齿间隙为0.08cm，篦齿斜角为72°，两个篦齿之间的距离为0.8cm。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种带封严篦齿的高速轴流压气机的低速模化设计方法，其特征在于，根据高速轴流压气机的转子与静子叶片叶型低速模化设计，确定压气机篦齿封严腔低速模化设计方案并分别进行建模和网格划分，并且通过雷诺平均NS方程求解设计点工况的流场数值解，对该流场进行不同方面的对比分析，最后将绝热效率最接近高速原型的低速模化设计方案中的篦齿个数作为低速方案的最优篦齿个数以实现其优化制造；
所述的压气机篦齿封严腔高速与低速模化设计方案包括：压气机篦齿封严腔高速设计方案和压气机篦齿封严腔低速模化设计方案，其中：压气机篦齿封严腔高速设计方案是指：单个篦齿的几何形状、篦齿径向间隙与叶高的比值、篦齿前后与主流交界面的轴向间隙与静子叶片中径弦长的比值、篦齿腔表面粗糙度；压气机篦齿封严腔低速模化设计方案是指：参照高速原型的篦齿数n，设计篦齿数为n-2、n-1和n三种低速模化方案，第一方案中：篦齿距离左侧篦齿外环为5.8cm、篦齿高度为1.5cm、上方宽度为0.1cm、下方宽度为0.6cm、篦齿间隙为0.08cm、篦齿斜角为72°；第二方案中：篦齿距离左侧篦齿外环为5.8cm、篦齿高度为1.5cm、上方宽度为0.1cm、下方宽度为0.6cm、篦齿间隙为0.08cm、篦齿斜角为72°、两个篦齿之间的距离为0.8cm；第三方案中：篦齿距离左侧篦齿外环距离为3.2cm、篦齿高度1.5cm、上方宽度为0.1cm、下方宽度为0.6cm、篦齿间隙为0.08cm、篦齿斜角为72°、两个篦齿之间的距离为0.8cm；
所述的雷诺平均NS方程求解是指：采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程：
Figure FDA0003955017270000011
其中：
Figure FDA0003955017270000012
为守恒型参数向量，
Figure FDA0003955017270000013
Figure FDA0003955017270000014
和
Figure FDA0003955017270000015
分别是无粘矢通量和粘性矢通量，
Figure FDA0003955017270000016
qi为热源项，
Figure FDA0003955017270000017
τij为应力，
Figure FDA0003955017270000018
δij为克罗内克符号，
Figure FDA0003955017270000019
Q为源项，
Figure FDA00039550172700000110
Figure FDA00039550172700000111
代表外作用力，Wf代表这些外作用力所做的功，
Figure FDA00039550172700000112
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的高速轴流压气机的转子与静子叶片叶型低速模化设计是指：根据相似理论将高速轴流压气机的静子叶片进行放大，再根据流场对静子叶片几何参数进行修改，保证高、低速下静子叶片的流场一致。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的建模，针对压气机篦齿封严腔低速模化方案和光壁方案进行建模。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的网格划分是指：主流区采用O4H网格分区，封严腔内采用H型网格，保证主流区与封严腔较好过渡，第一层网格高度设置为3*10-6m，网格的最小正交性保证30°。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的对该流场进行不同方面的对比分析包括：对比不同低速模化设计方案的篦齿腔内静压云图与流线、静子叶片表面压力系数分布和静子叶片前缘进口俯仰气流角分布、对比高速轴流压气机和低速模化设计方案的低速压气机的绝热效率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的静子叶片表面压力系数
Figure FDA0003955017270000021
其中：
Figure FDA0003955017270000022
为叶片通道进口总压，pin为叶片通道进口静压，pblade为叶片表面静压。
7.根据权利要求1或5所述的方法，其特征是，所述的绝热效率
Figure FDA0003955017270000023
其中：
Figure FDA0003955017270000024
为压气机的增压比，
Figure FDA0003955017270000025
为压气机的出口总温，T1 *为压气机的进口总温，k为理想空气的绝热指数。
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