径向扩压器前缘盘侧开槽对离心压气机性能的影响

径向扩压器前缘盘侧开槽对离心压气机性能的影响

1扩压器工作机理由于结构紧凑、压力高、工作负荷大等优点，离心压气机广泛应用于小型汽轮箱和小型汽轮箱（小型涡扇、涡喷、轴向等）。轴流离心、倾斜离心、双级离心等组合压力飞机已成功应用于各种发动机。为了进一步提高发动机的推重比/功重比,完善高空各种飞行状态下的性能,压气机设计的难度越来越大。对离心压气机而言,更高的单级压比、效率和稳定工作范围已成为新机研制所追求的目标。然而,随着离心压气机的负荷越来越高,设计过程中及各种飞行条件下对稳定工作裕度的要求也更加苛刻,相应地多种扩大稳定工作范围的工程措施也应运而生,如叶尖微喷气、轴流和离心压气机之间放气等。对于高负荷离心压气机来说,径向扩压器很大程度上决定着其稳定工作范围。径向扩压器主要包括无叶扩压器和叶片式扩压器两种型式。无叶扩压器流量范围宽广,但效率较低,静压升能力较差;叶片式扩压器能取得较高的效率和静压升能力,但其流量范围大大降低。由于离心叶轮出口气流速度较高且不均匀,再加上离心叶轮出口宽度很小,扩压器入口与离心叶轮出口非常接近,两者之间存在强烈的非定常相互作用,导致结构紧凑损失低的扩压器设计非常具有挑战性,这也是解决高负荷离心压气机稳定工作裕度偏低问题亟需突破的关键技术。针对叶片式扩压器,设计者们做了大量研究,Kenny,Came和Japikse等一致认为扩压器失稳是由半无叶区流动分离导致的,并将半无叶区临界静压升系数等于0.5作为衡量扩压器失稳的标准。尽管影响扩压器流动稳定性的因素很多,如叶轮与扩压器间无叶扩压器宽度、扩压器进口角度及稠度等,但主要因素还是能够降低半无叶区静压升系数的几何参数,如扩压器叶高、扩压器稠度及扩压器进口流道等。2006年Loringer提出一种新型有叶扩压器—叶片前缘开槽,实验结果表明在径向扩压器叶片前缘开槽能够提高离心压气机的失速裕度。然而对于这种叶片开槽式扩压器的适用范围,影响离心压气机性能的主要几何参数,以及叶片前缘开槽提高离心压气机失速裕度的机理等,都缺乏深入理解,至今无法付诸工程实际应用。本文首次以某高负荷离心压气机为研究对象,借助数值模拟手段,对径向扩压器叶片前缘盘侧开槽结构进行参数化研究,对比分析了不同开槽深度和开槽宽度对压气机性能的影响,初步探讨了径向扩压器叶片前缘开槽提高高负荷离心压气机稳定工作范围的机理。2缘盘侧开槽的设计研究对象为德国Radiver高压比离心压气机,表1列出了该离心压气机详细的几何和气动设计参数。为了探索径向扩压器叶片前缘盘侧开槽对压气机性能的影响,揭示扩压器盘侧开槽提高离心压气机稳定工作范围的机理,本文设计了如图1所示的叶片开槽结构。为了对槽深和宽度进行参数化研究,共设计了12种槽道结构,槽深分别取0.5,1.0,1.5和2.0mm,槽宽分别取17,25.5和34mm,分别约占叶片弦长C的9.4%,14.1%和18.7%,如表2所示;槽道的最大宽度对应扩压器的喉部位置。3网格独立性分析数值计算采用了NUMECAFINE软件包的Euranus求解器。采用Jameson的有限体积差分格式并结合Spalart-Allmaras湍流模型对相对坐标系下的三维雷诺平均Navier-Stokes方程进行求解,采用显式四阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解,同时加入二阶和四阶人工粘性项以消除数值计算过程中的伪数值振荡,为提高计算效率,采用了多重网格法、局部时间步长和残差光顺等加速收敛措施。计算采用了分区网格技术,分别在叶轮通道、扩压器通道和槽内生成各自的结构化网格,叶轮通道与扩压器通道之间采用动静干涉面连接,扩压器通道和处理槽之间交接面采用非匹配边界条件(NMB)连接。叶轮和扩压器通道内采用贴体HOH网格拓扑结构,处理槽内采用了高质量的蝶形网格,并在槽道尾部进行了贴体处理和局部加密,叶轮、扩压器通道与处理槽交接面上的计算网格如图2所示。槽道区网格的径向节点数随着槽深的增加分别取13,17,21和25,带开槽处理后离心压气机的总网格数约115万。边界条件给定如下:进口边界给定总压、总温和绝对气流角;出口边界条件只给定平均静压;壁面采用了绝热无滑移边界条件,与转子叶片联结的轮毂壁和叶片壁转动,而轮毂壁的其它部分以及机匣壁则定义为静止,在叶轮和扩压器通道交接面采用混合平面法传递信息。网格独立性问题是数值模拟研究必须重视的一个问题,本文压气机通道的网格数目和节点分布参考了大量文献,其网格独立性问题此处不再深究,槽道区的网格独立性却需要进一步确认;由于槽道内周向网格已足够细密,而网格流向长宽比较大,故对流向网格加密以考察网格独立性,槽道S1面网格节点分布如表3所示。图3给出了采用两种不同网格计算的压气机特性对比,二者几乎完全一致,网格密度的增加对计算精度影响不大,相反会大幅增加了计算时间。因此,可以认为本文网格Grid1的计算结果为网格收敛结果,后续计算都基于Grid1。4绩效评估与讨论4.1叶片前开槽对离心压气机稳定性的影响图4和图5对比了设计转速下不同的径向扩压器开槽结构参数对离心压气机性能的影响,图中Baseline表示原型压气机(径向扩压器不采用开槽结构)。由于本文侧重研究径向扩压器叶片前缘开槽对离心压气机失速裕度的影响,因此所有的计算均从设计点开始,通过逐渐增加背压向失速点推进,数值失速前的最后一个收敛解对应着近失速工况。对于不同的扩压器结构,采用相同的准则来判定失速,即:随着迭代次数的增加,压气机的流量和效率不断衰减。由图4和图5可以看出,由于压气机气动喉部位于离心叶轮通道内,因此所有压气机特性线都具有相同的堵塞流量。与原型压气机相比,径向扩压器叶片前缘开槽后离心压气机稳定工作裕度均有一定程度的提高,但同时伴随着压气机性能的降低。同时可以看出开槽宽度和开槽深度对离心压气机的影响具有一定的差别,相同的开槽宽度下,随着开槽深度的增加,压气机稳定工作范围略有增加,但效率急剧降低;当开槽深度相同时,开槽宽度的增加能进一步拓宽压气机的稳定工作范围,但效率略有降低。图6给出了槽道结构对压气机综合性能的影响,综合考虑效率和流量范围,图中纵坐标表示峰值效率,横坐标表示压气机流量范围(mchoke−mstall)mchoke×100%(mchoke-mstall)mchoke×100%,由图6可知Case12获得最佳的综合性能。4.2叶片开槽对扩压器扩稳机理的影响为深入研究径向扩压器前缘开槽对离心压气机内部流场的影响,揭示径向扩压器叶片前缘开槽提高离心压气机稳定工作裕度机理,取Case12与原型压气机进行对比分析。图7对比了两种离心压气机在设计转速下的特性,可以看出,开槽处理后的离心压气机特性变化趋势变缓,与原型相比,其最大总压比几乎保持不变,峰值效率下降0.45%,但其失速点流量减小2.9%,拓宽了压气机工作范围。开槽处理后的压气机和原型压气机具有相同的叶轮,不同之处仅是扩压器的结构形式,根据文献的论述,下游扩压器结构的改变对上游离心叶轮内部流场的影响极小,可忽略不计,这里不再赘述,本文主要讨论扩压器前缘盘侧开槽对压气机性能的影响。图8对比了峰值效率工况下原型与改型离心压气机扩压器吸力面半无叶区静压分布,图中Throat代表径向扩压器喉部位置。可以看出,扩压器叶片前缘开槽能够大大降低叶片吸力面静压升梯度,从而降低了叶片半无叶区静压升系数,拓宽了压气机稳定工作范围。为了进一步分析开槽处理的扩稳机理,如图9,10和11分别给出了子午平均绝对马赫数和速度矢量分布。图中清晰地表明,根部开槽不但改变了扩压器的流场分布,同时对上游无叶扩压段也具有重要影响;扩压器叶片前缘盘侧开槽处理后会在处理槽位置形成类似间隙泄漏流动的高速射流,横向射入主流并与之掺混,在盘侧产生局部低速回流区,形成阻塞,如图11中区域2所示,这即是开槽结构使得压气机效率降低的主要原因;盘侧开槽结构附近的局部低速回流迫使该区域上游主流发生径向偏移,加速了扩压器中、尖部流动,从而有利于降低该区域扩压器叶片进口攻角。同时,叶片盘侧开槽减小了无叶扩压段和扩压器尖部的低速区域,抑制甚至消除了该区域的回流,如图11中区域1所示,较大地改善了扩压器进口条件,促使扩压器与离心叶轮良好地匹配,有利于离心压气机的扩稳。从以上分析知,开槽处理可以改善相邻区域的叶片进口攻角,进而降低半无叶区的静压升系数,那么对开槽位置区域有什么影响呢?首先,叶片开槽后使得该区域扩压器叶片弦长减小,叶片前缘的径向位置增加,降低了扩压器叶片的稠度、增加了扩压器喉部面积,有利于扩稳。另外,叶片开槽结构实质上是局部出现叶片根部间隙,将形成泄漏流动,在与主流的掺混过程中影响槽道内流动布局;图12给出了叶片开槽处理后2.5%叶高处的静压分布,图中点划线补充出原始扩压器叶型。由图中可以清楚看到,在槽道内形成典型的间隙泄漏流压力分布,泄漏流动形成的射流将冲击槽道后叶片的吸力面前缘,降低吸力面附面层厚度,有利于抑制叶片吸力面前缘的分离,推迟径向扩压器失速的发生。图13对比了峰值效率工况下开槽结构引入前后径向扩压器出口效率沿叶高分布,可以看出,与原型相比,径向扩压器前缘盘侧开槽较大地降低了压气机尖部效率,但根部效率却有明显改善。图14对比了扩压器通道内部马赫数和二次流分布,这里二次流定义如下:取平均气流角方向为主流方向,截面上的二次流定义为当地速度矢量在该截面上的投影值与依据平均气流角计算的该截面上各方向上速度的差。从图中可以看出,原型扩压器在整个叶片通道内形成一个逆时针方向的通道涡,在向下游发展过程中其强度和尺寸不断增加;开槽结构引入后则在叶片前缘产生与通道涡方向相反的泄漏涡,且强度更大,迫使通道涡朝叶尖和叶片压力面侧移动,最终破碎,泄漏涡则占据主流位置,并顺着下游沿叶尖方向发展,这也是开槽引入后在叶根取得较好的效率,而在叶尖效率急剧下降的主要原因。5径向扩压器叶片东北部开槽结构影响分析以某高负荷离心压气机为研究对象,利用数值模拟方法探讨了径向扩压器叶片前缘盘侧不同开槽结构对离心压气机性能的影响,详细对比分析了径向扩压器叶片前缘开槽结构引入前后压气机内部流场结构,获得以下主要研究结论:(1)径向扩压器叶片前缘开槽能够提高高负荷离心压气机的稳定工作裕度,但同时伴随着压气机效率的降低。(2)随着径向扩压器叶片前缘开槽宽度的增加,扩稳效果趋好;而