抑制叶顶间隙泄漏的叶轮机械叶片的流场模拟

　　引 言

　　叶轮机械中的叶顶间隙是为了避免叶片和机匣或者轮毂壁面碰撞而引入的,其大小为1%叶片高度。在叶顶基元叶片压力面和吸力面两侧的压差作用下,部分流体翻过叶顶间隙形成叶顶间隙流。在主流速度的合成作用下,这种泄漏流动通常以叶顶泄漏涡的形式存在叶顶区域,它是一种非常复杂的三维粘性流动,其形成不仅受到端壁边界层、叶片表面边界层、主流和其它二次流动的影响,还受到上下游叶排间非定常气动干涉的影响。

　　目前普遍认为,较小的顶部间隙能够改善叶轮机械的性能,降低噪声;过大的顶部间隙又会使性能下降,并能引起旋转失速及喘振等影响叶轮机械正常工作的非定常流动状态。早期的研究主要集中在间隙流简化模型上,如Rain模型和Chen模型[1~2]。

　　近期的研究主要集中在间隙流损失机理及其和稳定性关联的研究上,Store和Cumpsty研究了压气机平面叶栅的间隙流规律[3],认为间隙流和主流的掺混是叶顶损失的主要来源;Inoue和Foley等人针对单转子和多级环境下轴流压气机进行了顶部泄漏流的机理研究[4~5];Kang针对压气机平面叶栅的实验和计算结果显示叶顶存在着三涡结构[6]。在试验方面,Thompson等人对机匣上带有不同阶梯式凹槽跨声速转子进行实验研究[7],Goto、Doukelis等人对不同间隙分尺寸大小的流场进行实验研究[8~9],Bon-hommen Chanabel等人采用Turbo-3D程序和试验相结合的方法对不同间隙尺寸的叶栅流场进行了研究[10]。以往的研究大部分是考虑不同的叶顶间隙尺寸引起的间隙流对叶轮机械的影响。本研究是通过改变叶顶的形状来研究叶顶间隙流,设计一种新型叶片,在叶片顶部带有/燕尾冠0,在叶顶的压力侧和吸力侧都形成/倒钩0,如图1和图2所示。采用三维粘性N-S方程和Spalar-t Allmaras方程湍流模型,对带有/燕尾冠0型叶片和一般叶片进行数值仿真,在同等条件下比较两者之间的区别,并讨论带有/燕尾冠0叶片叶顶间隙流的特征。

　　1 流场仿真

　　计算选用一低速孤立压气机转子,翼型采用Rotor 37,设计顶部间隙分别为动叶顶部弦长的1%、2%和3%,本算例的数据参数如表1所示。

　　计算采用商用软件Fluent中基于Simple方法的隐式Segregated solver求解三维粘性N-S方程。在计算中,认为整个流场处于湍流状态。为了节省计算量,这里的湍流模型采用Spalar-t Allmaras模型。为了更好地模拟叶顶间隙的流动情况,计算网格采用多重网格法,在叶顶附近网格划分得细密,叶顶间隙内径向分布有10~15层网格。计算区域选定为一个叶道,两侧定义旋转性周期边界,进口边界给定总温、总压和进口气流角,出口边界给定轮毂处某点静压,并按简单径向平衡方程确定出口静压的径向分布,壁面采用绝热无滑移边界。