離心葉輪與擴(kuò)壓器相互干擾數(shù)值模擬

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252012Vol33No71173—1180ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：Bhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR文章編號(hào)：10006893(2012)07—1173—08離心葉輪與擴(kuò)壓器相互干擾數(shù)值模擬魏寶鋒，金東海，桂幸民*北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191摘要：采用定常與非定常數(shù)值模擬方法，對(duì)某小型離心壓氣機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，首先比較了定常結(jié)果與非定常時(shí)均結(jié)果的特

2、性；然后結(jié)合離心葉輪出口和徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口典型位置非定常壓力脈動(dòng)的頻域特性，研究了離心口f輪與擴(kuò)壓器之問(wèn)的轉(zhuǎn)靜干涉作用；最后著重分析了離心葉輪帶與不帶分流葉片對(duì)徑向擴(kuò)壓器進(jìn)13壓力脈動(dòng)頻率特性的影響。結(jié)果表明：在相同流量下，非定常時(shí)均結(jié)果的壓比偏高約3．7％，效率偏高0．1％；在帶有分流葉片的離心壓氣機(jī)中，離心葉輪葉片出口與擴(kuò)壓器葉片進(jìn)El的脈動(dòng)除了葉片通過(guò)頻率的非定常脈動(dòng)外，分流葉片尾緣會(huì)產(chǎn)生與之強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?倍葉片通過(guò)頻率的非定常壓力脈動(dòng)。同時(shí)，分流葉片會(huì)對(duì)徑向擴(kuò)壓器進(jìn)El產(chǎn)生更強(qiáng)的0．5倍葉片通過(guò)頻率非定常壓力脈動(dòng)，這些

3、頻率的非定常壓力脈動(dòng)很可能會(huì)對(duì)離心壓氣機(jī)葉片的疲勞強(qiáng)度造成影響。關(guān)鍵詞：離心壓氣機(jī)；分流葉片；轉(zhuǎn)靜干涉；非定常流動(dòng)；數(shù)值模擬中圖分類(lèi)號(hào)：V231+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能已經(jīng)有了巨大的改善，且被作為民用直升機(jī)、教練機(jī)、輕型攻擊機(jī)、無(wú)人機(jī)和巡航導(dǎo)彈的動(dòng)力而被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)量已經(jīng)占世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)的80％以上，產(chǎn)值超過(guò)了一半。因此，中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分[1]。離心壓氣機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、在小流量情況下能得到高的單級(jí)增壓比和

4、相對(duì)寬廣的穩(wěn)定裕度等優(yōu)點(diǎn)而在小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用∞j。然而，由于離心壓氣機(jī)葉輪與擴(kuò)壓器的徑向間隙較小，葉輪出口的流動(dòng)還未達(dá)到充分混合就以非定常的形式向下游擴(kuò)壓器傳播，而擴(kuò)壓器葉片的存在又對(duì)上游的葉輪構(gòu)成了一種非定常干擾口]。因此，離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)不僅在空間上極其復(fù)雜，而且在時(shí)間上也表現(xiàn)為強(qiáng)非定常性。這種離心葉輪與擴(kuò)壓器相互作用的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)不僅影響了離心壓氣機(jī)的效率和穩(wěn)定工作范圍等氣動(dòng)性能，還對(duì)壓氣機(jī)葉片的疲勞強(qiáng)度和可靠性等機(jī)械性能提出了更高的要求，并且這也是離心壓氣機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的原因之一[4]。所以，

5、研究離心葉輪與擴(kuò)壓器之間由于非定常相互干擾產(chǎn)生的非定常葉片氣動(dòng)力的大小和頻率對(duì)于提高離心壓氣機(jī)葉片的疲勞強(qiáng)度和可靠性具有重要意義。目前，關(guān)于離心葉輪與擴(kuò)壓器之間的非定常相互干擾作用的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方面做了很多工作[3’16

6、。其中，多數(shù)針對(duì)離心葉輪和擴(kuò)壓器之間的非定常相互干擾對(duì)離心壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能和內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了深入研究，而對(duì)于離心葉輪與擴(kuò)壓器之間相互干擾產(chǎn)牛的非定常脈動(dòng)的頻域分析研究較少。尤其在廣泛采用分流葉收稿日期：2011—09—14；退修日期：2011-10—23；錄用日期：2011-12—04；網(wǎng)絡(luò)

7、出版時(shí)間：2011—12-2111：32網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnki．net／kcms／delail／11．1929V．201112211132005html基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(50736007，51006005)；“凡舟”青年科研基金(20100401)*通訊作者Tel．：010-82339387E-mail：guixm@buaaeducrl戮鬲椿武tWeiBF，JinDFt，GuiXMNumericalsimulationofimpeller-diffuserinteractionincentrifugalc

8、ompressor．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2012，33(7)：1173—1180．魏寶鋒．金東海．桂毒民離心葉輪與擴(kuò)壓器相互f擾數(shù)值模擬，航空學(xué)扳．2012，33(7)：1173．jt80．航空學(xué)報(bào)片的高壓比離心壓氣機(jī)中，關(guān)于分流葉片的存在對(duì)離心葉輪和擴(kuò)壓器之間相互干擾的非定常脈動(dòng)的頻域特性研究工作很少，只有文獻(xiàn)[16-1對(duì)其進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。因此，本文在文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[183對(duì)離心壓氣機(jī)研究的基礎(chǔ)上。采用NU—MECA軟件對(duì)某小型離心壓氣機(jī)進(jìn)行了定常與非定常數(shù)值

9、模擬，并對(duì)離心葉輪與擴(kuò)壓器之間的非定常擾動(dòng)進(jìn)行了頻域分析，重點(diǎn)研究了分流葉片對(duì)徑向擴(kuò)壓器進(jìn)El非定常壓力脈動(dòng)頻域特性的影響。1研究對(duì)象本文研究對(duì)象是一個(gè)高轉(zhuǎn)速、小型離心壓氣機(jī)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為108000r／min。離心壓氣機(jī)由離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器和軸向擴(kuò)壓器組成，其離心壓氣機(jī)整級(jí)的子午流道圖如圖1所示。其中