CN111255724B - 模拟轴流压气机高速旋转轮毂的悬臂静子平面叶栅实验方法 - Google Patents

模拟轴流压气机高速旋转轮毂的悬臂静子平面叶栅实验方法 Download PDF

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Abstract

一种模拟轴流压气机高速旋转轮毂的悬臂静子平面叶栅实验方法，采用七排直叶栅组成的平面叶栅通道及旋转圆盘模拟原型压气机悬臂静子叶片根部相配合的旋转轮盘，通过确定带悬臂静子叶片压气机的轮盘高速旋转切线速度并针对旋转圆盘半径及其对应旋转速度建模、网格划分并计算雷诺平均NS方程，经对比分析结果得到优化旋转圆盘半径，完成实验方法的构建。本发明能够反映出悬臂静子叶片轮毂间隙内部流场的结构特点和流场参数变化趋势，从而对带悬臂静子叶片的压气机进行针对性改进设计，实现轴流压气机的优化制造。

Description

模拟轴流压气机高速旋转轮毂的悬臂静子平面叶栅实验方法
技术领域
本发明涉及的是一种叶轮机械领域的技术，具体是一种模拟轴流压气机高速旋转轮毂的悬臂静子平面叶栅实验方法。
背景技术
带悬臂静子叶片的轴流压气机的气动设计是现代高负荷航空发动机研制中的关键技术。轴流压气机悬臂静子叶片的根部与高速旋转的轮毂配合。中间形成一定的径向间隙，以防止转、静子的刮磨导致压气机结构失效。此处径向间隙的存在导致了泄漏流的产生，再加上轮毂的高速旋转，使得叶片通道内的二次流动结构和损失机制与带内环的静子叶片有明显的区别，损失的大部分来源于轮毂泄漏涡，且随不同悬臂静子叶片的设计而变化。由于带悬臂静子叶片的压气机内部流动的复杂性，理论分析轮毂泄漏涡与其他二次流相互耦合的复杂流场非常困难；数值模拟分析内部存在二次流、端壁附面层及轮毂泄漏涡等复杂流动现象的压气机时，模拟精度也存在较大的局限性；因此必须依靠精确细致的实验测量才能得到更有价值的科学结果。但是在对压气机进行整机实验测量时，由于轮毂高速旋转，且悬臂静子叶片的根部间隙较小，导致测量仪器很难测到该处的流场细节。目前常规的测试方法局限于平面叶栅实验，轮毂采用静止的平板，这样导致实验无法测出高速旋转轮毂与悬臂静子叶片之间形成的间隙泄漏流，在压气机实际工作工况下的高速旋转效应所带来的改变。
综上所述，带悬臂静子叶片的压气机轮毂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，进行模拟轴流压气机高速旋转轮毂的悬臂静子平面叶栅实验以掌握轮毂间隙泄漏流的流场特性，将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，提出一种模拟轴流压气机高速旋转轮毂的悬臂静子平面叶栅实验方法，得到的高速旋转轮毂能够反映出悬臂静子叶片轮毂间隙内部流场的结构特点和流场参数变化趋势，从而对带悬臂静子叶片的压气机进行针对性改进设计，实现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：
本发明采用七排直叶栅组成的平面叶栅通道及旋转圆盘模拟原型压气机悬臂静子叶片根部相配合的旋转轮盘，通过确定带悬臂静子叶片压气机的轮盘高速旋转切线速度并针对旋转圆盘半径及其对应旋转速度建模、网格划分并计算雷诺平均NS方程，经对比分析结果得到优化旋转圆盘半径，建立实验方法。
所述的直叶，以静子叶片根部叶型为原型。
所述的旋转圆盘半径是指：旋转圆盘中心到平面叶栅通道中第4片叶栅弦长中心的半径。
所述的建模，以不同半径旋转圆盘方案作为模拟实验设计模型，以理想状态无限大半径旋转圆盘作为对比基准。
所述的不同半径，优选为实验工况下悬臂静子叶片平面叶栅上方的旋转圆盘不同半径，进一步优选为圆盘半径R分别为0.05m、0.10m、0.25m、0.50m、0.75m、1.00m，针对不同半径给定不同的旋转速度ω且满足R*ω＝Ve。
所述的网格划分是指：叶片通道主流区采用O4H网格分区，与轮盘径向间隙内采用O型网格，第一层网格高度设置为10-6m，增长率1.1。
所述的计算雷诺平均NS方程是指：采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程：
Figure GDA0002928696990000021
其中：
Figure GDA0002928696990000022
为守恒型参数向量，
Figure GDA0002928696990000023
和
Figure GDA0002928696990000024
分别是无粘矢通量和粘性矢通量，
Figure GDA0002928696990000025
qi为热源项，
Figure GDA0002928696990000026
τij为应力，
Figure GDA0002928696990000027
δij为克罗内克符号，
Figure GDA0002928696990000028
Q为源项，
Figure GDA0002928696990000029
代表外作用力，Wf代表这些外作用力所做的功，
Figure GDA00029286969900000210
所述的对比分析结果是指：对该流场进行不同方面的对比分析，包括：对比静子叶片表面压力系数和不同旋转轮盘半径设计方案在10倍间隙高度范围内的总压损失系数分布，以总压损失系数基本独立于旋转圆盘半径不再发生变化时的圆盘半径作为最优半径。
技术效果
本发明整体解决当前高速轴流压气机中带悬臂静子叶片的轮毂间隙在整机中很难进行实验测量的问题；以及目前常规的测试方法局限于平面叶栅实验，轮毂采用静止的平板，这样导致实验无法测出高速旋转轮毂与悬臂静子叶片之间形成的间隙泄漏流，在压气机实际工作工况下的高速旋转效应所带来的改变。
与现有技术相比，本发明能够实现准确评测悬臂静子叶片与轮毂之间间隙流场结构的研究目的。
附图说明
图1为轴流压气机悬臂静子叶片根部叶型的几何示意图；
图2为悬臂静子叶片平面叶栅旋转圆盘模拟压气机高速轮盘旋转的实验模拟方法原理图；
图中：R为旋转圆盘半径；
图3为悬臂静子叶片0.4mm叶高叶型压力面的压力系数分布图；
图4为不同旋转轮盘半径设计方案的3mm叶高范围内的总压损失系数图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例以航空发动机高速轴流压气机的一级悬臂静子叶片根部叶型组成的平面叶栅为例，该叶片的进气角和出气角与来流轴线的夹角分别为54°和22°，轴向弦长Cx＝15.26mm，所有叶片与旋转圆盘的径向间隙保持一致且为0.3mm，叶栅的栅距为12.5mm。
如图2所示，本实施例带悬臂静子叶片的轴流压气机高速旋转轮毂的实验模拟方法，以静子叶片根部叶型为原型，加工7排直叶栅组成平面叶栅通道，在其上方设置旋转的圆盘，以模拟原型压气机悬臂静子叶片根部相配合的旋转轮盘。图中的R代表旋转圆盘中心到平面叶栅通道中第4片叶栅弦长中心的半径。
步骤1、确定带悬臂静子叶片压气机的轮盘高速旋转切线速度：根据相似准则需要保证叶片根部速度三角形相似，即马赫数一致：
Figure GDA0002928696990000031
其中：nreal为原型压气机对应的转速，13500r/min；rreal为原型叶片的回转半径，0.2m；
Figure GDA0002928696990000033
为原型叶片进口的总温，520K；
Figure GDA0002928696990000032
为模拟实验台的进口总温，320K；k是完全气体的比热比，R是完全气体常数，对于空气，k＝1.4，R＝287.06J/(kg·K)；Ve为理想状态无限大旋转圆盘的平移速度，本实施例中为220m/s。
步骤2、确定模拟实验高速旋转圆盘的半径：设置圆盘半径R分别为0.05m、0.10m、0.25m、0.50m、0.75m、1.00m，针对不同半径给定不同的旋转速度ω且满足R*ω＝Ve。
步骤3、针对圆盘半径及其对应旋转速度ω建模、网格划分并计算雷诺平均NS方程，具体步骤包括：
3.1、选定如图1所示的原型轴流压气机悬臂静子叶片，其中静子叶片根部与高速旋转轮盘带有0.3mm径向间隙，作为模拟实验对象的理想型，以步骤2)中的六种半径旋转圆盘方案作为模拟实验设计模型，即R/Cx＝3.28/6.55/16.38/32.77/49.15/65.53；并以理想状态无限大半径旋转圆盘作为对比基准，即R/Cx＝inf，其中Cx是叶片的轴向弦长。
3.2、对六种半径旋转圆盘方案和理想型方案建模并进行网格划分，具体为：主流区采用O4H网格分区，封严腔内采用O型网格，第一层网格高度设置为10-6m，增长率1.1。
3.3、采用数值模拟方法，在实验工况下，求解雷诺平均NS方程，具体为：采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程：
Figure GDA0002928696990000041
其中：
Figure GDA0002928696990000042
为守恒型参数向量，
Figure GDA0002928696990000043
和
Figure GDA0002928696990000044
分别是无粘矢通量和粘性矢通量，
Figure GDA0002928696990000045
qi为热源项，
Figure GDA0002928696990000046
τij为应力，
Figure GDA0002928696990000047
δij为克罗内克符号，
Figure GDA0002928696990000048
Q为源项，
Figure GDA0002928696990000049
代表外作用力，Wf代表这些外作用力所做的功，
Figure GDA00029286969900000410
步骤4、从不同方面进行计算结果的对比分析：如图3所示，依次展示了悬臂静子叶片0.4mm叶高叶型压力面的压力系数分布，其中：叶片表面压力系数
Figure GDA00029286969900000411
Figure GDA00029286969900000413
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。不同半径的旋转圆盘结构，导致静子叶片从前缘到尾缘的相对运动速度不同，影响到静子叶片压力面的压力系数不同，最终导致不同旋转轮盘半径设计方案的3mm叶高范围内的总压损失系数发生变化，见图4。
图中的纵坐标总压损失系数
Figure GDA00029286969900000412
为叶片通道进口总压，p*为叶片不同叶高通道当地的总压；横坐标是圆盘旋转半径除以叶片轴向弦长的无量纲参数。由图可见，当R/Cx＝3.28/6.55/16.38时，总压损失系数随着旋转圆盘半径发生变化，不具有独立性；当R/Cx＝32.77/49.15/65.53时，总压损失系数基本独立于旋转圆盘半径，逐渐不再发生变化。因此，最终选择模拟实验高速旋转圆盘的半径方案为R/Cx＝65.53，即半径为1.00m。
与现有技术相比，本方法能够实现准确评测悬臂静子叶片与轮毂之间间隙流场结构，并且大幅度节省了在压气机整机上进行实验的成本。
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 (8)

1.一种模拟轴流压气机高速旋转轮毂的悬臂静子平面叶栅实验方法，其特征在于，采用七排直叶栅组成的平面叶栅通道及旋转圆盘模拟原型压气机悬臂静子叶片根部相配合的旋转圆盘，通过确定带悬臂静子叶片压气机的旋转圆盘高速旋转切线速度并针对旋转圆盘半径及其对应旋转速度建模、网格划分并计算雷诺平均NS方程，经对比分析结果得到优化旋转圆盘半径，完成实验方法的构建；
所述的旋转圆盘半径是指：旋转圆盘中心到平面叶栅通道中第4片叶栅弦长中心的半径。
2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征是，所述的建模，以不同半径旋转圆盘方案作为模拟实验设计模型，以理想状态无限大半径旋转圆盘作为对比基准。
3.根据权利要求2所述的实验方法，其特征是，所述的不同半径为实验工况下悬臂静子叶片平面叶栅上方的旋转圆盘不同半径。
4.根据权利要求2或3所述的实验方法，其特征是，所述的不同半径为旋转圆盘半径R分别为0.05m、0.10m、0.25m、0.50m、0.75m、1.00m，针对不同半径给定不同的旋转速度ω且满足R*ω＝Ve，其中：Ve为理想状态无限大旋转圆盘的平移速度。
5.根据权利要求1所述的实验方法，其特征是，所述的网格划分是指：叶片通道主流区采用O4H网格分区，与旋转圆盘径向间隙内采用O型网格，第一层网格高度设置为10-6m，增长率1.1。
6.根据权利要求1所述的实验方法，其特征是，所述的计算雷诺平均NS方程是指：采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程：
Figure FDA0003028660830000011
其中：
Figure FDA0003028660830000012
为守恒型参数向量，
Figure FDA0003028660830000013
Figure FDA0003028660830000014
和
Figure FDA0003028660830000015
分别是无粘矢通量和粘性矢通量，
Figure FDA0003028660830000016
Figure FDA0003028660830000021
qi为热源项，
Figure FDA0003028660830000022
τij为应力，
Figure FDA0003028660830000023
δij为克罗内克符号，
Figure FDA0003028660830000024
Q为源项，
Figure FDA0003028660830000025
Figure FDA0003028660830000026
代表外作用力，Wf代表这些外作用力所做的功，
Figure FDA0003028660830000027
7.根据权利要求6所述的实验方法，其特征是，所述的对比分析结果是指：对流场进行不同方面的对比分析，包括：对比静子叶片表面压力系数和不同旋转圆盘半径设计方案在10倍间隙高度范围内的总压损失系数分布，以总压损失系数基本独立于旋转圆盘半径不再发生变化时的旋转圆盘半径作为最优半径。
8.根据权利要求1～3、5～7中任一所述的实验方法，其特征是，所述的直叶，以静子叶片根部叶型为原型，对应旋转圆盘中心到平面叶栅通道中第4片叶栅弦长中心的半径为1.00m。
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