串列葉柵葉片周向相對位置對風機性能的影響(1)

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針對一款軸流式子午加速風機，利用數值模擬的方法，研究了串列動葉前后葉片在不同相對周向位置下的風機性能。通過分析得出了改變串列動葉前后葉片周向相對位置，可以降低風機的流量和壓比，其調節效果相當于降低風機轉速；且注意到串列動葉前后葉片周向相對位置，對風機穩定工作范圍有較大影響，合理選擇串列動葉前后葉片周向相對位置，可以有效擴大風機的穩定工作范圍。在串列葉柵中，一個葉柵由前后兩排葉片共同實現氣流的折轉，故可以對氣流實現更大的折轉[1]。一般認為，串列葉柵具有氣流轉折角大、總壓損失小和工作范圍寬廣等優點[2]。

早在1974年，美國NASA在研究高負荷軸流壓氣機時，就開始對串列葉柵進行研究。國內的苗厚武等在航空發動機壓氣機出口靜葉上采用串列葉柵技術，提高了效率，擴大了壓氣機的穩定工作范圍[4]。李紹斌等研究了串列葉柵后排靜葉周向位置對壓氣機性能的影響[5]。陳美寧等對一款末級靜葉為串列葉柵的四級航空發動機用風扇進行了數值分析[6]。同時，針對風機性能和穩定工作范圍的影響因素，學者們也開展了大量的數值模擬和實驗研究。周帆等研究了輪轂比對風機性能的影響，認為對特定風機，存在最佳輪轂比[7]。呂峰研究了葉片切頂對大型軸流風機的影響[8]。劉穎研究了翼型厚度對軸流風機性能的影響[9]。趙丹丹研究了環量分布對軸流風扇氣動性能的影響[10]。在風機擴穩方面，上海交通大學的B.Yang研究了彎葉片對風機性能和風機穩定性的影響[11]。蔡娜等在風機中采用彎掠動葉，實驗結果表明，彎掠動葉可以大幅度擴大風機的穩定工作范圍[12]。王維等設計了一種新的轉子葉頂結構，使壓縮機在不同轉速下的穩定工作裕度得到提升[13]。劉樂等針對周向單槽對穩定性的影響，在低速單轉子軸流壓氣機上進行了實驗與數值研究，得出了有益的結論[14]。上述研究大多數針對的是普通軸流風機或壓氣機，且串列葉柵多為靜葉。子午加速式軸流風機中動葉采用串列葉柵時，其前后排葉片的周向相對位置必然會對風機內部流場和風機性能產生影響，而這方面研究還相對較少。

1數值建模與邊界條件本文數值模擬所針對的軸流式子午加速風機的基本結構參數如下：導葉數為17；動葉數為12；靜葉數為17；機殼直徑1 196mm；動葉葉頂間隙為1mm；進口輪轂比0.4；出口輪轂比0.8。其中，動葉和靜葉均采用串列葉柵。計算域包括進口導葉、動葉和靜葉，不包括進氣箱以及靜葉之后的擴壓器。為了減小由于邊界條件給定的不合理而產生的分析誤差，適當延長了靜葉出口處距離。風機的子午流面與葉片俯視圖見圖1，串列動葉的三維圖見圖2。為簡潔起見，下文中的前葉片和后葉片均指串列動葉中的前葉片和后葉片。風機的數值模擬采用葉輪機內部流場數值模擬通用軟件NUMECA完成，控制方程為三維雷諾平均Navier-Stokes方程組，空間離散采用Jameson中心差分格式，時間離散為顯式4階Runge-Kutta法，湍流模型為Spalart-Allmaras(S-A)一方程模型，使用當地時間步長和多重網格等加速收斂技術。計算中，進出口流量誤差小于0.5%，壓比和效率趨于穩定時，認為計算收斂。計算網格采用NUMECA自動網格生成器IGG/Autogrid生成，為了避免由于網格劃分差異造成的分析誤差，四組計算網格采用相同的拓撲結構，網格總數基本不變，網格數為180萬。為了盡可能地接近實際情況，本文數值計算中使用的工質是氮氣和一氧化碳的混合物，二者的摩爾百分數分別是70%和30%，其物性參數通過軟件REFPROP計算得到。