离心压气机叶轮三元流场计算.pdf

1、第 16 卷 第 1 期 航 空 学 报 Vol116 No111995 年 1 月 ACTA AERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SINICA Jan. 1995离 心 压 气 机 叶 轮 三 元 流 场 计 算陈 元 先 赖 斌(襄 樊 219 信 箱 , 襄 樊 , 441102)COMPUTATION OF THREE - DIMENSIONAL FLOW FIELDIN A CENTRIFUGAL IMPELLERChen Yuanxian , Lai Bin(Box 219 of Xiangfan , Xianfan , 441102)摘 要 用 任 定 准

2、 正 交 面 方 法 对 一 个 航 空 涡 轮 冷 却 器 的 离 心 压 气 机 叶 轮 流 场 进 行 了 三 元 计 算 , 计 算考 虑 了 上 下 游 边 界 条 件 的 影 响 。 用 计 算 结 果 分 析 了 叶 轮 流 场 品 质 , 提 出 了 改 型 措 施 并 对 改 型 叶 轮 流场 进 行 了 分 析 。关 键 词 离 心 压 气 机 , 三 维 流 , 叶 轮中 图 分 类 号 V24511Abstract The three - dimensional flow field of a centrifugal impeller for aircraft cool

3、ingturbine is computed with quasi - orthogonal surface method in cluding the influence of up2stream and downstream conditions. The calculated flow field of the centrifugal impellerand the improvement of the blade shape are discussed.Key words centrifugal compressors , three dimensional flow , impell

4、ers先 进 离 心 压 气 机 设 计 中 广 泛 应 用 了 三 元 流 场 计 算 分 析 技 术 。 本 文 采 用 的 任 定 准 正 交 面方 法 是 一 种 直 接 求 解 叶 轮 流 场 三 元 解 的 数 值 方 法 , 它 把 一 个 三 元 流 场 的 求 解 分 解 成 互 相 关联 的 3 个 一 元 问 题 来 迭 代 求 解 。 流 场 计 算 方 法 中 考 虑 了 上 下 游 流 动 边 界 条 件 的 影 响 。1 流 场 计 算 方 法1. 1 速 度 梯 度 方 程如 图 1 叶 轮 通 道 流 面 模 式 及 速 度 组 成 所 示 , 沿 准 正 交

5、 面 与 S2流 面 交 线 方 向 的 速 度 梯度 方 程 1 d Wd qm = A W + B + ( CW + D)d dd qm (1)式 中 A = cos2 cos ( - )rc -sin2 cosr ; B = cos sin ( - )d w md m - 2 sin cos ; C =sin sin cos ; D = rcos d Wd m + 2 sin 。1993 年 9 月 5 日 收 到 , 1994 年 2 月 23 日 收 到 修 改 稿图 1 叶 轮 流 面 模 型 及 速 度 组 成图 2 求 解 过 程 框 图沿 准 正 交 面 与 S 1流 面 的

6、 交 线方 向 的 速 度 梯 度 方 程d W / d = CW + D (2)112 连 续 性 方 程对 于 任 一 准 正 交 面 , 叶 片 通 道的 积 分 形 式 的 连 续 性 方 程G0 =sq gW mcos( - ) rd d qm=qm盖0d qm s ( qm) d ( qm) gW mcos( - ) rd (3)113 边 界 条 件在 流 动 无 分 离 的 情 况 下 , 叶 片 的 压 力 面 和 吸 力 面 必 定 是 S 2流 面 。 轮 盘 和 轮 盖 面 是 S 1流 面 。 其 边 界 条 件 自 动 满 足 。 考 虑上 下 游 边 界 条 件

7、对 叶 片 通 道 流 动 的影 响 , 将 叶 片 通 道 上 下 游 流 面 作 延伸 , 在 上 游 延 伸 区 , 流 面 的 坐 标为 = m1 + z0( K1r tg 1 m -K2C1 a +K2 C1 urC1 a ) d z (4)式 中 K1 、 K2 为 加 权 系 数 , K1 +K2 = 1。 叶 轮 出 口 的 下 游 作 等 环 量延 伸 , 其 流 面 的 坐 标 = m2 + (tg m2 + rmWr2) lnrrm1 -2 w r2 rm2 ( r2 -r2m2) (5)式 中 下 标 m2 代 表 叶 轮 出 口 截 面 上的 参 数 。114 求 解

8、 过 程用 准 正 交 面 方 法 求 解 叶 轮 通 道三 元 流 场 的 计 算 程 序 详 细 求 解 过 程见 图 2。34第 1 期 陈 元 先 等 : 离 心 压 气 机 叶 轮 三 元 流 场 计 算 2 流 场 计 算 结 果 与 分 析用 准 正 交 面 三 元 流 动 计 算 方 法 对 一 个 航 空 涡 轮 冷 却 器 的 离 心 压 气 机 叶 轮 流 场 进 行 了 计算 。 叶 轮 的 设 计 工 况 为 : 转 速 n = 80 000r/ min ; 流 量 G = 2 200kg/ h ; 进 气 压 力 Pin =016MPa ; 温 度 Tin = 16

9、8 ; 叶 轮 外 径 D2 = 9215mm ; 叶 片 为 径 向 直 叶 片 , 叶 片 数 Zn =12 , 全 长 叶 片 。 叶 片 通 道 流 场 计 算 取 9 个 S 2流 面 、 5 个 S 1流 面 、 15 个 准 正 交 面 。图 3 是 中 间 S 1流 面 的 流 线 谱 。 图 中 流 线 在 叶 轮 出 口 向 下 弯 曲 而 叶 片 为 径 向 直 叶 片 ,即 叶 轮 出 口 气 流 产 生 了 滑 移 。 在 跨 叶 片 流 面 上 两 相 邻 流 线 间 通 过 的 流 量 是 相 等 的 , 因 此 在同 一 准 正 交 面 上 速 度 低 的 一

10、侧 相 邻 两 流 线 间 跨 距 大 。 K = 5 为 中 间 子 午 流 面 , K = 1 , 5 流线 距 离 较 K = 5、 9 流 线 距 离 大 , 即 靠 近 压 力 面 区 域 速 度 低 于 吸 力 面 侧 的 速 度 。 叶 片 通 道中 存 在 较 大 横 向 速 度 梯 度 。 从 图 4 中 间 S 1流 面 的 相 对 M a 分 布 看 , 在 K = 1 压 力 面 侧 出现 了 负 M a 区 。 结 合 图 3 可 以 判 断 在 叶 片 通 道 后 半 段 轮 盘 与 压 力 面 相 交 附 近 区 域 存 在 负 速度 区 并 有 可 能 出 现

11、回 流 。 M a 分 布 还 表 明 沿 流 动 方 向 M a 波 动 幅 度 大 , 即 有 较 大 的 速 度 降落 起 伏 。 在 中 间 S 1流 面 上 叶 轮 前 半 段 M a 下 降 量 为 0125 ; 在 后 半 段 吸 力 面 上 M a 较 大 回升 , M a 上 升 为 0112 ; 在 叶 轮 出 口 吸 力 面 M a 又 急 剧 下 降 0118 , 反 映 了 叶 轮 出 口 附 近 沿流 线 方 向 有 较 大 的 逆 压 梯 度 。 沿 流 动 方 向 Ma 的 这 种 波 动 将 导 致 在 叶 轮 流 道 前 半 段 附 面 层加 厚 增 加 摩

12、 擦 损 失 , 在 流 道 后 半 段 的 大 压 力 梯 度 则 会 引 起 附 面 层 的 分 离 。图 3 流 线 谱 图 4 Ma 分 布按 理 想 流 体 计 算 压 力 面 速 度 低 压 力 高 , 吸 力 面 速 度 高 压 力 低 , 负 速 度 出 现 在 压 力 面侧 。 实 际 流 体 是 有 粘 性 的 , 壁 面 存 在 附 面 层 , 在 大 的 横 向 压 力 梯 度 作 用 下 , 负 速 度 一 侧 附面 层 中 的 流 体 将 向 高 速 度 区 一 侧 流 动 , 同 时 沿 叶 高 方 向 轮 盘 的 速 度 低 , 轮 盖 面 速 度 高 , 即轮

13、 盘 面 将 向 轮 盖 面 流 动 。 叶 轮 通 道 中 形 成 二 次 流 导 致 高 速 度 一 侧 附 面 层 增 厚 甚 至 发 生 分离 2 ,3 。 所 以 按 理 想 流 计 算 的 叶 轮 流 场 不 宜 出 现 负 速 区 。综 上 述 计 算 结 果 分 析 , 该 叶 轮 的 流 场 品 质 存 在 着 一 些 缺 陷 , 将 影 响 叶 轮 效 率 和 工 作 范围 。 为 此 , 考 虑 采 用 如 下 改 型 措 施 改 善 流 场 品 质 4 。 增 加 叶 片 数 。 增 加 叶 片 数 可 以 减 少 横 向 速 度 梯 度 和 二 次 流 损 失 , 但

14、 会 增 大 摩 擦 损 失和 叶 片 加 工 难 度 并 可 能 使 叶 轮 导 风 轮 造 成 堵 塞 。 因 此 小 尺 寸 叶 轮 的 叶 片 数 要 综 合 考 虑 。44 航 空 学 报 第 16 卷 采 用 后 弯 叶 片 造 型 。 后 弯 叶 轮 流 道 较 长 流 道 的 扩 压 度 和 当 量 扩 张 角 小 , 特 别 是 流 道后 半 段 的 扩 压 度 有 较 大 改 善 , 可 改 善 流 道 的 横 向 压 力 梯 度 和 沿 流 线 方 向 的 逆 压 梯 度 以 利 于提 高 流 动 稳 定 性 。 改 进 子 午 面 型 线 。 从 图 4 中 可 见 叶

15、 轮 出 口 速 度 较 高 , 将 增 大 扩 压 器 中 流 动 损 失 , 降低 扩 压 能 力 。 因 此 应 增 加 叶 片 出 口 高 度 。综 合 考 虑 后 , 改 型 叶 轮 仍 采 用 12 片 全 长 叶 片 , 叶 片 采 用 后 弯 2b = 25 造 型 , 出 口 叶高 调 高 1mm。 图 5 是 改 型 的 后 弯 叶 轮 与 径 向 直 叶 片 叶 轮 的 M a 分 布 图 。 图 中 是 轮 盘 S 1流面 和 中 间 S 1流 面 的 M a 对 比 。 在 两 个 不 同 S 1流 面 中 径 向 直 叶 片 叶 轮 的 M a 波 动 远 大 于

16、后弯 叶 轮 。 后 弯 叶 轮 出 口 附 近 的 最 大 M a 较 径 向 直 叶 片 叶 轮 有 较 大 幅 度 降 低 , 因 此 后 弯 叶轮 沿 流 线 方 向 的 逆 压 梯 度 小 于 原 径 向 直 叶 片 叶 轮 。 在 中 间 S 1流 面 上 后 半 段 上 的 最 高 M a较 原 叶 轮 下 降 了 0105 0108 , 这 对 扩 压 器 的 流 动 品 质 的 改 善 也 有 积 极 意 义 。 从 图 5 中 还可 见 后 弯 叶 轮 的 负 速 区 小 , 意 味 着 叶 片 通 道 中 横 向 速 度 梯 度 小 , 有 利 于 抑 制 二 次 流 的

17、 产生 , 而 沿 流 线 方 向 逆 压 梯 度 的 减 小 则 可 防 止 和 推 迟 附 面 层 分 离 的 发 生 。 改 型 后 的 后 弯 叶 轮流 场 较 直 叶 片 流 场 有 较 明 显 的 改 善 。 可 以 预 期 后 弯 叶 轮 效 率 比 径 向 直 叶 片 叶 轮 效 率 高 。图 5 Ma 分 布 图3 结 论(1) 原 叶 轮 的 三 元 流 场 计 算 表 明 流 场 品 质 有 缺 陷 , 存 在 较 大 负 速 区 和 逆 压 梯 度 。(2) 改 型 后 叶 轮 流 场 品 质 较 原 叶 轮 有 显 著 的 改 进 , 改 进 后 的 叶 轮 基 本

18、满 足 流 场 性 能 要求 。(3) 采 用 的 准 正 交 面 方 法 同 时 考 虑 上 下 游 流 场 延 伸 的 方 法 求 解 离 心 压 气 机 叶 轮 的 三 元流 场 是 成 功 的 , 可 应 用 于 叶 轮 设 计 中 的 流 场 分 析 和 优 化 , 以 提 高 叶 轮 效 率 和 流 场 稳 定 性 。参 考 文 献1 忻 孝 康 等 . 叶 轮 机 械 三 元 流 与 准 正 交 面 法 . 上 海 : 复 旦 大 学 出 版 社 , 1982 : 71 - 852 陈 静 宜 . 离 心 压 气 机 叶 轮 内 三 元 流 场 计 算 与 实 验 的 分 析 和

19、 比 较 . 工 程 热 物 理 学 会 论 文 . 1981 : 6 - 73 陈 元 先 . 离 心 压 气 机 特 性 预 测 计 算 . 北 京 航 空 航 天 大 学 硕 士 学 位 论 文 , 1988 : 75 - 784 Krimerman Y , Adler D. The complete 3 - D calculation of the compressible flow field in turbo - impeller. J of Mech Engg54第 1 期 陈 元 先 等 : 离 心 压 气 机 叶 轮 三 元 流 场 计 算 Science , 1978 ;

20、(3) : 5 - 8新 机 动 态我 国 首 架 无 人 驾 驶 太 阳 能 勘 测 飞 机 (验 证 机 ) “ 翱 翔 者 ” 号 试 飞 成 功由 北 京 航 空 航 天 大 学 飞 机 设 计 研 究 所 教 授 赵 庸 , 博 士 研 究 生 李 晓 阳 共 同 研 制 的 我 国 第一 架 无 人 驾 驶 太 阳 能 勘 测 飞 机 (验 证 机 ) “ 翱 翔 者 ” 号 于 1994 年 8 月 19 日 在 华 北 北部 地 区 试 飞 成 功 。 这 是 我 国 继 美 国 、 日 本 之 后 在 此 领 域 的 重 要 建 树 。“ 翱 翔 者 ” 号 飞 机 翼 展

21、远 远 超 过 机 身 的 长 度 , 机 翼 上 安 装 有 蓝 色 的 太 阳 能 电 池 板 。 试飞 选 择 华 北 北 部 不 同 光 照 、 不 同 海 拔 高 度 的 地 区 进 行 , 对 验 证 机 的 操 纵 性 、 光 电 转 换 效率 、 辅 助 储 能 装 置 等 性 能 进 行 了 复 杂 地 形 和 复 杂 气 象 条 件 的 考 验 。在 研 制 主 机 之 前 , 通 过 验 证 机 解 决 主 机 大 部 分 技 术 问 题 , 然 后 再 研 制 主 机 , 是 避 免 大投 入 , 保 证 安 全 性 、 可 靠 性 的 好 途 径 , 这 也 是 目 前 受 到 重 视 并 发 展 的 模 型 工 程 学 。研 制 太 阳 能 飞 机 现 在 正 在 形 成 一 种 共 识 , 有 可 能 形 成 一 种 潮 流 。 “ 翱 翔 者 ” 号 飞 机 的设 计 因 其 新 颖 性 、 先 进 性 、 实 用 性 , 已 于 1994 年 8 月 经 国 家 专 利 局 审 查 , 获 得 国 家 实 用新 型 专 刊 。 今 后 将 在 试 飞 基 础 上 总 结 经 验 , 加 快 太 阳 能 飞 机 的 研 制 步 伐 。(李 铁 柏 )64 航 空 学 报 第 16 卷