串列叶栅叶片周向相对位置对风机性能的影响(1)

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针对一款轴流式子午加速风机，利用数值模拟的方法，研究了串列动叶前后叶片在不同相对周向位置下的风机性能。通过分析得出了改变串列动叶前后叶片周向相对位置，可以降低风机的流量和压比，其调节效果相当于降低风机转速；且注意到串列动叶前后叶片周向相对位置，对风机稳定工作范围有较大影响，合理选择串列动叶前后叶片周向相对位置，可以有效扩大风机的稳定工作范围。在串列叶栅中，一个叶栅由前后两排叶片共同实现气流的折转，故可以对气流实现更大的折转[1]。一般认为，串列叶栅具有气流转折角大、总压损失小和工作范围宽广等优点[2]。

早在1974年，美国NASA在研究高负荷轴流压气机时，就开始对串列叶栅进行研究。国内的苗厚武等在航空发动机压气机出口静叶上采用串列叶栅技术，提高了效率，扩大了压气机的稳定工作范围[4]。李绍斌等研究了串列叶栅后排静叶周向位置对压气机性能的影响[5]。陈美宁等对一款末级静叶为串列叶栅的四级航空发动机用风扇进行了数值分析[6]。同时，针对风机性能和稳定工作范围的影响因素，学者们也开展了大量的数值模拟和实验研究。周帆等研究了轮毂比对风机性能的影响，认为对特定风机，存在最佳轮毂比[7]。吕峰研究了叶片切顶对大型轴流风机的影响[8]。刘颖研究了翼型厚度对轴流风机性能的影响[9]。赵丹丹研究了环量分布对轴流风扇气动性能的影响[10]。在风机扩稳方面，上海交通大学的B.Yang研究了弯叶片对风机性能和风机稳定性的影响[11]。蔡娜等在风机中采用弯掠动叶，实验结果表明，弯掠动叶可以大幅度扩大风机的稳定工作范围[12]。王维等设计了一种新的转子叶顶结构，使压缩机在不同转速下的稳定工作裕度得到提升[13]。刘乐等针对周向单槽对稳定性的影响，在低速单转子轴流压气机上进行了实验与数值研究，得出了有益的结论[14]。上述研究大多数针对的是普通轴流风机或压气机，且串列叶栅多为静叶。子午加速式轴流风机中动叶采用串列叶栅时，其前后排叶片的周向相对位置必然会对风机内部流场和风机性能产生影响，而这方面研究还相对较少。

1数值建模与边界条件本文数值模拟所针对的轴流式子午加速风机的基本结构参数如下：导叶数为17；动叶数为12；静叶数为17；机壳直径1 196mm；动叶叶顶间隙为1mm；进口轮毂比0.4；出口轮毂比0.8。其中，动叶和静叶均采用串列叶栅。计算域包括进口导叶、动叶和静叶，不包括进气箱以及静叶之后的扩压器。为了减小由于边界条件给定的不合理而产生的分析误差，适当延长了静叶出口处距离。风机的子午流面与叶片俯视图见图1，串列动叶的三维图见图2。为简洁起见，下文中的前叶片和后叶片均指串列动叶中的前叶片和后叶片。风机的数值模拟采用叶轮机内部流场数值模拟通用软件NUMECA完成，控制方程为三维雷诺平均Navier-Stokes方程组，空间离散采用Jameson中心差分格式，时间离散为显式4阶Runge-Kutta法，湍流模型为Spalart-Allmaras(S-A)一方程模型，使用当地时间步长和多重网格等加速收敛技术。计算中，进出口流量误差小于0.5%，压比和效率趋于稳定时，认为计算收敛。计算网格采用NUMECA自动网格生成器IGG/Autogrid生成，为了避免由于网格划分差异造成的分析误差，四组计算网格采用相同的拓扑结构，网格总数基本不变，网格数为180万。为了尽可能地接近实际情况，本文数值计算中使用的工质是氮气和一氧化碳的混合物，二者的摩尔百分数分别是70%和30%，其物性参数通过软件REFPROP计算得到。