环形扩压叶栅弯叶片对流场性能的影响

　　1　引　言

　　在叶轮机械内部流场理论不断深入发展的今天,关于二次流理论、分离流结构和涡动力学的研究已经成为透平机械内部流场气动力学领域最为重要的前沿研究课题。前人对扩压叶栅内的流动分离和旋涡的发生、发展以及相互作用都进行了大量的研究,并取得了许多阶段性的成果[1~2]。一些研究发现在扩压叶栅中采用弯叶片是改善流动结构和提高喘振裕度的一种有效方法[3],而认识压气机弯叶栅内部流场分离流和涡系结构和特性,对于揭示弯叶片改善叶栅气动性能、减少流动损失和提高压气机喘振裕度具有重要意义[4]。然而以往对扩压叶栅内涡系的研究主要是以流场显示的手段来达到揭示常规直叶栅内涡系分布和形态的目的[2,4,6],对弯叶片流场结构的研究主要还是集中在涡轮叶栅[5],在扩压叶栅中对采用弯叶片后流场结构变化的深入分析较为少见,更缺乏机理性的论述[7]。本文使用数值计算的方法对环形压气机静叶栅在零攻角下直叶栅和不同弯角弯叶片叶栅内部流场显示的分离与涡位置和强度的变化进行了分析,以期能够获得弯叶片影响叶栅内部流场结构的规律和机理。

　　2　数值计算方法

　　本文数值模拟所使用的程序为NUMECA公司开发的FINE/tu%20RBO流场求解器。采用B-L湍流模型,为了加速收敛计算使用了完全多重网格技术。考虑了进口边界层的径向总压分布,为保证径向各个截面的攻角相同,进气角沿径向是变化的(如图1),进口总温为294.34 K,进口马赫数约为0.2和0.7。其中进口马赫数为0.2时,采用NACA65叶型,出口为径向平衡分布,中径静压为101.325 kPa;进口马赫数为0·7时,采用可控扩散叶型(CDA),出口给定流量。图2为计算所采用的网格,由于该叶栅的安装角较小,所以计算网格采用的是结构化的H型网格,流向(z)、径向(x)和周向(y)网格数分别为129、65和65,共为545025个网格点。近壁面第一个网格点的离开壁面为10-5m。如图3所示,叶片积

　　迭线为3段直线,直线之间由二次平滑曲线过渡连接,从叶顶到叶根直线高度分别是叶高的20%、40%和20%,过渡段高10%。

　　3　弯叶片对吸力面/端壁角区分离流结构的影响

　　因弯叶片端壁横向压力梯度减小,在弯叶片两端壁上前缘和尾缘鞍点位置都发生了变化,图4中前缘鞍点Sl向上游压力面一侧偏移而尾缘鞍点St靠近尾缘。这两种变化随着弯角的增大而愈加明显。结果使得从Sl出发的马蹄涡压力面分支分离线向流道中心区域偏移,而与其近乎平行且进入S的再附线却向吸力面倾斜,两条线的距离减小,这一变化表明弯叶片近两端壁马蹄涡压力面分支的尺度变小,横向二次流动减弱,二次流损失将有所减小[8]。图5中采用弯叶片后在吸力面上两端区附近的回流区大小变化并不明显,但是靠近集中脱落涡分离线的来流附面层却向叶展中部偏移,挤压了展中部的附面层的流道面积,使得这一区域的附面层提前发生了分离,在尾缘前出现的一个结点和一个鞍点就说明了分离已经发生。分离的提前导致了叶栅中部损失的增加,但相反使进入集中脱落涡的低能流体减少,减弱了近两端区分离的强度,使角区分离产生的损失减小。当进一步增加弯角,吸力面叶展中部的节点与鞍点同时向上游移动,分离进一步提前。弯叶片叶栅端区分离流动的改善将会减弱角区特别是吸力面/下端壁角区低能流体对通道的堵塞,进而减弱失速区(即低流量区)的发展,扩大叶栅的角区失速裕度,提高叶栅性能。尽管中径区域分离附面层的分离有所加剧,但由于流体速度较高,中径流动状况不会恶化。