APP  >> Vol. 9 No. 8 (August 2019)

    叶片粗糙度对压气机性能影响研究
    Study on the Influence of Blade Roughness on Compressor Performance

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作者:  

孙 涛:海军航空大年夜学基本学院,山东 烟台;
王 岩:中国人平易近束缚军海军驻沈阳地区第一军事代表室,辽宁 沈阳;
宋汉强:92728部队,上海

关键词:
叶片粗糙度流场仿真压气机性能 Blade Roughness Flow Field Simulation Compressor Performance

摘要:

影响航空发动机性能身分有很多种,个中积垢惹起的压气机叶片外面粗糙度改变是有代表性的缘由。叶片外面粗糙度的改变,直接影响到气流畅道有效流畅面积的改变,进而惹起增压才能、效力和流畅才能的变更。本文应用流场仿真技巧,研究压气机在不合叶片粗糙度下性能变更情况。成果注解,当压气机叶片粗糙度降低时,压气机的增压比和效力明显进步,叶片外面激波强度减弱,总温降低,压气机整体性能晋升明显。

There are many factors that affect the performance of aero-engine, among which the change of compressor blade surface roughness caused by scaling is the representative one. The change of blade surface roughness directly affects the change of effective flow area of air passage, and then causes the change of supercharging capacity, efficiency and flow capacity. In this paper, the flow field simulation technique is used to study the performance variation of compressor under different blade roughness. The results show that when the blade roughness decreases, the compressor boost ratio and efficiency increase significantly, the shock wave intensity on the blade surface decreases, the total temperature decreases, and the overall performance of the compressor improves significantly.

1. 引言

由于飞机应用条件特别,常常处在高温高湿的情况中,发动机出口情况卑劣复杂,如沙尘、盐雾、粉尘、虫豸、油类等气象,经久应用导致发动机各部件型面如压气机和涡轮叶片积尘、腐化、几何变形等 [1] [2] ,各项性能目标将随着部件性能的降低而好转,进而严重影响发动机零件的性能。下面所述部件掉效机理都是有代表性的,任何一种掉效情势,在必定程度上都邑招致叶片外面粗糙度的变更。随着叶片外面粗糙度的改变,压气机气流畅道的流畅才能,和压气机的压比和效力随之改变,从而进一步惹起发动机推力降低,耗油率降低和稳定任务范围进一步减小,从而增长前期保护本钱 [3] [4]。

国外对这方面研究的较早,主如果经过过程实验手段停止研究,取得了一系列成心义的研究成果 [4]。Suder 经过过程在NASA Stage35高速压气机叶片外面增长粗糙度和叶型厚度的办法,详细研究了污垢堆积下的叶片粗糙度改变和厚度增长对压气机性能与流场分布的影响 [5]。国际学者对压气机叶片粗糙度对其性能影响做了积极的研究。李本威等研究了压气机叶型改变招致其性能降低的情况。采取在易积垢部位增长随机尺寸的办法近似模仿叶片积垢等缘由惹起的叶型改变,并分析了叶片积垢、叶顶间隙增大年夜等身分对压气机性能的影响,经过过程仿真取得压气机在各类不合工况下性能阑珊程度 [6]。李钊等针对压气机任务过程当中叶片外面积垢对压比、效力的影响,将积垢影响换算成压气机叶片粗糙度的变更,分别对积垢分布在叶片前缘、吸力面与压力面和在不合转速下的压气机性能停止了仿真计算 [7]。郑贇以跨声速电扇Rotor 67转子叶片在气动载荷下的变形为例,分析了叶片变形对电扇气动性能变更的影响 [8]。陈绍文经过过程对污垢堆积惹起的叶片厚度和壁面粗糙度的增长来模仿不合的污垢堆积程度对压气机级性能的影响,两种模仿办法叫真实地复原了叶片外面的积垢情况,计算成果具有必定的指导意义 [9]。

本文在上述研究基本上,经过过程改变叶片粗糙度近似模仿叶片积垢、腐化对叶片型面的影响,带入到建立的模型中去,仿真计算压气机气流流场变更,研究叶片外面粗糙度变更后,比较三种粗糙度对应的压气机性能参数、特点截面参数和整体性能的变更情况。详细描述和分析了不合转速和粗糙度下的叶片外面的激波地位和分别地位变更。

2. 数值办法

在标准大年夜气条件下,仿真计算压气机在稳定任务状况下的性能参数。这是后续研究分析的基本。是以控制方程采取时均湍流模型停止燃气流场计算,其情势以下:

{ ρ t + x i ( ρ u i ) = 0 t ( ρ u i ) + x j ( ρ u i u j ) + p x i = x j [ μ e f f ( u j x i + u i x j ) ] 2 3 x j [ μ e f f ( u i x i ) ] t ( ρ E ) + x i ( ρ u i E ) + p u i x i = x j [ μ e f f u i ( u j x i + u i x j ) ] 2 3 x j [ μ e f f u i ( u i x i ) ] + x j [ k e f f ( T x j ) ] p = ρ R T (1)

根据文献 [10] 比较分析,肯定湍流模型采取 k e 模型,它是个半经历公式,重要基于推敲湍活动能和分散率。采取 k e 湍流模型计算活动的湍流效应。k方程表示以下:

( l k ) t + ( l k u i ) x i = x j [ ( μ + μ t σ t ) k x j ] + G k + G b l e Y M + S k (2)

e方程是个由经历公式导出的方程:

( l e ) t + ( l e u i ) x i = x j [ ( μ + μ t σ e ) e x j ] + C 1 e e k ( G k + C 3 e G b ) C 2 l e 2 k + S e (3)

方程中Gk表示由层流速度梯度产生的湍活动能,Gb是由浮力产生的湍活动能,YM由于在可紧缩湍流中,过渡分散产生的动摇,C1,C2,C3是常量, σ k σ e 是k方程和e方程的湍流Prandtl数。

3. 粗糙度的描述

叶片粗糙度直接影响近壁面区域湍流的产生和生长,从而对附面层厚度变更产生影响,改变气流流场全体粘度,终究惹起部件流畅才能、做功才能的变更。以叶片粗糙度变更代替积垢、腐化、腐蚀等身分的影响,这里引入等价粗糙度这个概念,研究其对叶片光亮度的影响。

叶轮部件经久任务后,由于积垢和腐化等缘由,叶片外面存在不合外形和大年夜小的凹陷或许凹陷,本文应用壁面沙粒粗糙度模型来近似描述叶片粗糙度 [11] ,如图1示。应用的沙粒粗糙度可以被划分为三种种别:

1) 近于滑腻壁面: 0 μm h s 5 μm

2) 过渡粗糙壁面: 5 μm h s 70 μm

3) 完全粗糙壁面: h s > 70 μm

Figure 1. Sand roughness model

图1. 沙粒粗糙度模型

图1所示的沙粒粗糙度模型,模型认为粗糙度具有紧缩效应,假设沙粒的大年夜小为hs,此时模型中的粗糙度为 h s / 2 。随着hs的增大年夜,近壁面气流层流底层损掉异常快,极大年夜加强壁面邻近的湍流粘性。计算过程当中,应用改进的壁面函数将壁面嵌入到流场分析中,从而计算叶片粗糙度对其性能的影响。推敲粗糙度影响的近壁面速度修改公式表示以下:

u + = 1 × ln [ y + / ( 1 + 0.3 × k + ) ] / k + C (4)

式(4)中, u + 表示近壁面速度函数, y + 表示近壁面的无量纲间隔,k表示冯·卡门常数,C是依附壁面粗糙度的天然对数底参数,又有

k + = y R × ρ × u + / μ (5)

式(5)中, k + 表示沙粒粗糙度模型中的粗糙度。

4. 模型的建立与求解

4.1. 模型建立

本文以轴流式发动机的压气机为研究对象。根据压气机三维叶型数据,建立实体计算模型,叶片实体模型共分红21个截面,每个截面280余个点,算计6000余个点。叶型的子午视图、三维视图、轮毂面和机匣面视图如图2所示。

Figure 2. View of blade profile

图2. 叶型视图

在前处理模块中读取模型文件,对模型停止网格划分。叶型及其延长段模型网格拓扑构造拔取设置成HOH型网格 [12] ,个中叶片前、后延长段为H型网格,叶片型面邻近采取O型网格设置,个中沿轴向、径向和周向偏向前后延长段节点设置为33 × 61 × 97,叶片型面邻近节点设置为49 × 61 × 99,端壁和叶片外面第一层网格标准为0.00001 mm,如许做,可以包管壁面第一层网格0< y+ ≤ 10。

压气机模型建立后,仿真计算标准状况下的参数,应用性能参数计算数值与设计数值停止比较验证,考验所建压气机模型的精度。计算发明,在标准状况下的效力和压比最大年夜相对误差为1.59%和1.95%,在许可的误差范围内。是以所建模型有效。

4.2. 仿真计算

在求解器中停止流场计算。由于计算是在稳态情况下停止的,并且各个通道流畅情况完全雷同,所以本文以单通道停止计算。在计算模型中,选定活动介质类型为幻想气体;转速为设计转速;进一步设定界线条件:出口条件为标准大年夜气,给定气流的总压为101,325 Pa、总温为288.15 K,出口条件为给出指定半径处的静压值;同时设置细网格计算和CFL数等相干参数;固壁为绝热、无滑移界线条件,叶片模型进出口延长段为周期性界线条件。为进步计算效力和精确度,采取多重网格法、本地时间步长和残差光顺等技巧加快计算过程的收敛速度。仿真计算时,在设计状况下,经过过程逐步增长出口静压值向掉速点推动,取得压气机的特点曲线。计算第一个数据点时,指定出口条件为给定出口处静压的估计值,其他计算点取前一工况的计算成果为初场设置值,数值掉速前的最后一个收敛解对应着近掉速工况。

5. 仿真成果与分析

叶片外面粗糙度变更,将会改变压气机流道壁面界线层的生长趋势。随着压气机叶片粗糙度的降低,流道内活动状况将随之取得改良,带来压气机性能上的进步。本文经过过程降高压气机叶片外面粗糙度的办法来定量研究叶片外面粗糙度对压气机特点的影响,以获得相干的感化机理和影响规律,从而进一步进步对叶片外面粗糙度影响的熟悉。

图3图4图5给出了100%、90%和80%设计转速下压气机在粗糙度降低前后的特点曲线。由图可知,叶片外面粗糙度的降低将招致压气机的增压比和效力明显进步,并且当效力达到最高点后,压气机的增压比和效力将降低明显。压气机的增压比随着转速的减小而减小,效力随着转速的减小而增大年夜。经过过程比较可知,压气机的增压比和效力的进步幅度随着转速的降低而减小。

Figure 3. The effect of different roughness on compressor characteristics at 100% rotating speed

图3. 不合粗糙度对转速为100%时压气机特点的影响

Figure 4. The effect of different roughness on compressor characteristics at 90% rotating speed

图4. 不合粗糙度对转速为90%时压气机特点的影响

Figure 5. The effect of different roughness on compressor characteristics at 80% rotating speed

图5. 不合粗糙度对转速为80%时压气机特点的影响

叶片外面粗糙度的变更也会影响到各转速工况下压气机稳定任务流量的范围。随着粗糙度的降低,压气机稳定任务流量的范围明显扩大年夜。

超音速气流同亚音速气流比拟较,有一个重要的特点,即超音速气流在绕物体活动而被紧缩时常常出现腾跃的紧缩波,气流畅过这类紧缩波时,压力、温度、密度均突跃地上升,流速或马赫数则突跃地降低,气流遭到忽然的紧缩,这类突跃的紧缩波就叫激波。激波会形成能量的损掉。

图6图7图8给出了100%、90%、80%设计转速下,50%叶洼地位处的S1面马赫数分布云图。由图可见,随着叶片外面粗糙度的减小,吸力面侧激波的地位向叶片出口偏向移动,且激波的强度降低,气流密度较之之前有所减小,使得激波感化惹起的气流分别推延产生,进一步使得叶片的尾迹区范围减小,这是压气机性能改良的重要缘由。随着转速的降低,激波强度降低明显,尾迹区范围照应减小。

(a) ks = 2e−4 (b) ks = 2e−5 (c) ks = 1e−5

Figure 6. The influence of different roughness on shock wave on blade surface when rotating speed is 100%

图6. 不合粗糙度对转速为100%时叶片外面激波的影响

(a) ks = 2e−4 (b) ks = 2e−5 (c) ks = 1e−5

Figure 7. The influence of different roughness on the shock wave on blade surface when rotating speed is 90%

图7. 不合粗糙度对转速为90%时叶片外面激波的影响

(a) ks = 2e−4 (b) ks = 2e−5 (c) ks = 1e−5

Figure 8. The influence of different roughness on the shock wave on blade surface when rotating speed is 80%

图8. 不合粗糙度对转速为80%时叶片外面激波的影响

随着叶片外面粗糙度的降低,叶片外面磨擦系数 λ 减小 [13] ,磨擦阻力也随之减小,当气流流过叶片外面后,磨擦产生的热能也随之增添,导致叶片外面的总温有不合程度的降低。

图9图10图11分别给出了100%、90%、80%设计转速不合粗糙度下贱场中叶片外面总温的分布情况。由图可知,叶片顶部的总温比叶片底部大年夜,则叶片顶部遭受着更大年夜的热载荷。随着叶片外面粗糙度的降低,压气机出口和出口总温减小,出口变更比较明显,出口总温变更不大年夜,叶片外面均匀遭受的热载荷有所减小,叶片外面总温的降低幅度从叶片底部到叶片顶部顺次减小,随着转速降低顺次减小。

(a) ks = 2e−4 (b) ks = 2e−5 (c) ks = 1e−5

Figure 9. The influence of different roughness on the total temperature on blade surface when rotating speed is 100%

图9. 不合粗糙度对转速为100%时叶片外面总温的影响

(a) ks = 2e−4 (b) ks = 2e−5 (c) ks = 1e−5

Figure 10. The influence of different roughness on the total temperature on blade surface when rotating speed is 90%

图10. 不合粗糙度对转速为90%时叶片外面总温的影响

(a) ks = 2e−4 (b) ks = 2e−5 (c) ks = 1e−5

Figure 11. The influence of different roughness on the total temperature on blade surface when rotating speed is 80%

图11. 不合粗糙度对转速为80%时叶片外面总温的影响

6. 结论

本文应用流场仿真技巧,将叶片腐化和积垢缘由招致的叶片型面改变,近似算作叶片粗糙度的变更,经过过程在模型中修改叶片粗糙度设置的办法研究压气机叶片粗糙度增长对其性能的影响。取得的重要结论以下:

1) 叶片外面粗糙度的降低,这将招致压气机增压比和效力明显进步,扩大年夜了压气机稳定任务范围,改良压气机整体任务特点,进步了压气机本身做功的才能,增添了活动损掉。

2) 随着叶片外面粗糙度的降低,吸力面侧激波的地位向叶片出口偏向逐步移动,且强度减小明显,进一步使得叶片的尾迹区范围减小。

3) 随着叶片外面粗糙度的降低,叶片外面总温有不合程度的降低。当叶片粗糙度降低后,叶片外面总温的降低幅度从叶片底部到叶片顶部顺次减小,随着转速降低顺次减小。

文章援用:
孙涛, 王岩, 宋汉强. 叶片粗糙度对压气机性能影响研究[J]. 应用物理, 2019, 9(8): 365-372. https://doi.org/10.12677/APP.2019.98043

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