浅谈机匣处理直槽宽度对压气机间隙流动的影响

摘要：本文以NACA65亚声速叶栅作为基准，采用数值模拟的方法，探究了机匣处理直槽宽度对亚声速三维叶栅间隙流动的影响。

关键词：机匣处理;直槽宽度;叶尖间隙流动;数值模拟;压气机

1  绪论

1.1 通用研究方法

本文采用CFD软件进行数值模拟得到相关数据，探究了机匣处理直槽宽度对亚声速三维叶栅间隙流动的影响。

2  模型的建立与计算

2.1 计算模型的建立

（1）本文采用的叶型为NACA65，根据叶型原始数据在CAD软件中生成二维原型叶栅。

（2）生成面域后，导入gambit中拉伸成三维实体，得到原型三维实体计算域和开槽基准型，通过改变开槽宽度可得变型1（直槽加宽1mm）和变型2（直槽减少1mm）。

2.2 数值计算方法

2.2.1 计算区域网格划分

将计算域分为叶栅上游，叶栅流道，叶栅下游三个部分，以得到高质量网格。先在线上设定好点，再生成面网格。需要设置进口边界条件为压力进口（Velocity inlet），出口边界条件为压力出口（Pressure outlet），叶型上下表面分别设为壁面（Wall），流道前后延伸段设为周期边界条件（Periodic），交界面处设置成interface 。

2.2.2 计算参数设置

在fluent软件中完成以下设置：

（1）选择单位为mm;

（2）指令：Define-Model-Viscous model选Spalart-Allmaras模型的Vorticity-based production;

（3）在Boundary Conditons中设定进口条件;

（4）在Mesh Interfaces中设置交界面;

（5）调整精度;

（6）参考压力（Operating Pressure）：101325Pa;参考温度（Operating temperature）：288.16K。

2.2.3 计算过程监视参数

所监视的参数包括速度（x，y方向）、能量、连续性残差、进口流量、出口流量。所设定收敛标准为：nut函数收敛标准定为 ，速度、连续性、能量残差下降三个量级以上，进口流量相对误差小于0.5%，且流量不再发生变化。

3  计算结果与分析

3.1 截面位置

本文研究的三种计算模型分别为：开槽基准型（槽宽8.3mm）;开槽改型1（槽宽9.3mm）;开槽改型2（槽宽7.3mm）。

计算结果分析时，考虑到特征位置的因素，分别截取不同的水平界面和竖直截面，这样就能得到各个计算域不同切面的静压，合速度，流线图，从而进行分析比较。

3.2 计算结果

3.2.1 原型沿x方向截面静压图

可以看出，从叶片前缘到尾缘静压值逐渐升高。也可以清晰的表示出叶背与叶盆的压差，图c截面压差最大，气流分离也最严重。

3.2.2 原型沿y方向截面静压图

（a）z=0.050m（叶高中部）截面

（b）z=0.096m（叶顶位置）截面

（c）z=0.098m（叶顶间隙中部）截面

由图3.2（a）中可看出在叶高中部位置，叶盆与叶背之间压差明显，说明在该高度几乎不受二次流动的影响。图（b）相比于图（a），叶盆与叶背的压差已经不那么明显，说明此处受二次流影响，两侧气流掺混。图（c）为间隙中部截面，二次流尤为显著，尤其是靠近后缘处。

3.2.3 攻角对叶栅流场的影响

機匣直槽深度4mm、宽度为8.3mm时在不同攻角下的无量纲速度分布的对比。可以看出，当攻角增大时，气流更早更易出现二次流。

3.2.4 开槽原型沿z方向截面参数比较

通过比较可以判断二次流的位置和强弱。在z=0.05mm处基本无二次流动。在z=0.096mm处二次流明显，在z=0.098mm处叶尖间隙流动更加显著。由此可得，抑制叶顶间隙流动是抑制二次流的主要措施。

也可以看出在叶片上面靠近叶背尾缘部分会出现低速区，速度最大位置发生在叶背靠近前缘的位置。

3.2.5 不同模型在叶片顶部的无量纲速度分布对比

通过对比开槽机匣等值线图和矢量流线图。它们的速度同为30m/s，攻角相同。

从流线可以看出，无论是哪一种宽度的槽宽，对改善二次流动都具有显著的效果。

3.2.6 不同模型在叶片顶部间隙的静压分布对比

通过分析各型的静压分布图，其来流速度同为30m/s，攻角为0°。结果表明，经机匣处理后，叶片顶端位置压力上升明显。因为机匣开槽后，在槽中形成低速区，导致压力升高。

4  总结

（1）机匣处理可以降低吸力面与压力面的压差，从而限制二次流的形成于发展，对提高压气机性能具有积极意义。

（2）所选择的槽宽为7.3mm的处理槽在对间隙流动的影响方面最为有效，对二次流的限制最为明显。

（3）适度控制进气攻角可以减弱二次流的强度，但应同时考虑进气攻角对压气机旋转失速和喘振的影响。

参考文献

[1] 李玲.轴流压气机机匣处理的数值模拟与实验研究[D].北京：北京航空航天大学动力系，1998

【作者简介】姓名：温金笛，出生年月：1993.08，性别：女，籍贯：四川遂宁人，民族：汉族，学历：大学本科，职称：工程师，研究方向：从事飞机维修研究。