1、书书书第 40 卷，总第 236 期2022 年 11 月，第 6 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.40，Sum.No.236Nov 2022，No.6稠度和弯角在高亚音扩压叶栅中的耦合作用陶船斯嘉1，杜鑫1，王松涛1，王春雪2，王仲奇1(1 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001;2 北京动力机械研究所，北京100074)摘要:为了探索弯叶片的适用条件，本文通过对不同高亚音扩压叶栅进行数值模拟，探究弯叶片叶栅中稠度和弯角对叶栅气动性能参数以及流场典型结构的影响。在 50折转角、子午收缩比为 0 8 的扩压静叶栅中，分析
2、变冲角特性(包括总压损失、扩压因子等)随稠度和弯角的迁移。在最小损失冲角工况下，总结弯角、稠度对叶栅气动性能的影响规律。结果表明，稠度增加使最小损失冲角及此工况下的总压损失系数增加，但扩压因子变化不显著。叶展中部损失增加和端区损失降低的相对大小决定了总损失的变化。稠度增加时，对应的最佳弯角增大。通过稠度和弯角的合理匹配，可以在不同扩压叶栅中改善气动性能和角区分离。关键词:高亚音;弯叶片;稠度;角区分离;变冲角特性中图分类号:TH133;TP183文献标识码:A文章编号:1002 6339(2022)06 0483 05Effect of Solidity and Dihedral Angle
3、in High Subsonic Compressor CascadesTAO Chuan si jia1，DU Xin1，WANG Song tao1，WANG Chun xue2，WANG Zhong qi1(1Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China;2Beijing Power Machinery Institute，Beijing 100074，China)Abstract:In order to explore the applicable conditions of curved blades，this paper co
4、nducts numericalsimulation on different high subsonic compressor cascades to study the effects of solidity and dihedral an-gle on the aerodynamic performance and flow field structure of the cascade In a stator cascade with acamber angle of 50 and a meridional contraction ratio of 0 8，the migration o
5、f incidence characteristics(including total pressure loss，diffusion factor，etc)with solidity and dihedral angle is analyzed At theincidence angle with minimum loss，the influence of solidity and dihedral angle on the cascade aerody-namic performance is summarized The results show that the incidence a
6、ngle with minimum loss and theminimum loss increase with the rise of solidity，and the diffusion factor changes slightly The relativemagnitude of the increase of the mid span loss and the decrease of the loss near the end determines thechange of the total loss When the solidity increases，the correspo
7、nding optimal dihedral angle increasesThe aerodynamic performance and corner separation can be improved in different compressor cascadesthrough reasonable matching of solidity and dihedral angleKey words:high subsonic;curved blade;solidity;corner separation;incidence characteristics收稿日期2022 07 20修订稿
8、日期2022 08 10基金项目:国家自然科学基金资助项目(51906049)作者简介:陶船斯嘉(1993 )，女，博士研究生，研究方向为压气机气动设计。384在高亚音叶栅中通过增加折转角、降低稠度和展弦比来提高叶片负荷。随着叶片负荷的不断提升，叶栅流道内的横向压力梯度同时增大，导致吸力面角区分离流动更为复杂。因此，需要应用流动控制手段来控制端区分离流动，提升角区通流能力，降低二次流损失，提高叶栅性能。之前的研究已经表明:弯叶片可通过改善流场结构，提高压气机的气动性能。张华良1 通过研究发现合适的正弯和前掠可以升高吸力面上由端部指向叶展中部的“C”型径向压力梯度，减小端壁附近的逆压梯度，促进角
9、区分离形态由闭式分离向开式分离转化，缩小角区分离的覆盖范围，降低端区损失。凌敬2 在弯叶片叶栅中建立叶栅损失模型和落后角模型，探究 NACA65 叶型叶栅中最优弯角随模型参数的变化规律。阚晓旭3 等人应用拓扑分析探究弯叶片叶栅中流动结构的演变规律，并将损失分成不同分类，探讨不同类型损失权重。虽然前人已在亚声速扩压叶栅中应用弯叶片做了大量的研究工作，但针对高亚声速来流环境下弯叶片的作用机理还缺乏系统性认识。NASA 早期的研究指出，在压气机初始设计中，稠度是一个重要参数，它的选取影响着气流折转能力、叶片负荷能力和工作范围4 6。合理选取稠度在初始设计和通流设计中至关重要7 8。本文的研究对象为某
10、三级压气机的中间级静叶栅，研究高亚音扩压叶栅中稠度和弯叶片的作用规律，探索弯叶片的普适性条件。分析了不同稠度和弯角下的变冲角特性，包括总压损失、扩压因子等。研究最小损失冲角工况下弯角对扩压能力、流动损失的影响。然后通过讨论总压损失系数的展向分布、叶片吸力面和端壁上的极限流线及压力梯度云图，分析了弯叶片对扩压叶栅损失影响的原因，以及大稠度时弯叶片对流场结构和损失机理的影响。1研究方案与数值方法1 1研究方案用于本文研究对象的平面叶栅原型来自于某三级高负荷低反力度压气机的中间级静叶，应用本课题组前期开发的自有造型程序进行叶型生成工作，叶型具体参数见参考文献 9。原型的折转角为44，为创造高负荷扩压
11、环境，本文选取折转角为50。为了控制端区流动分离，减少低能流体在角区的堆积，需选用较高的子午收缩程度，本文采用的子午收缩比为 0 8。原型中径处稠度为 1 86，根据稠度常规取值和选取范围全面的需要，本文稠度取值为 1 4 2 2。参考之前的研究结果，弯高采取 50%叶高，弯曲形式为正弯，弯角取值范围 5 30。本文的研究方案和来流条件如表 1。采用枚举法对上述方案中所有的稠度与弯角取值组合进行数值计算，并在每个叶栅方案中均开展变工况数值模拟，在叶栅稳定工作范围内寻得最小损失冲角。表 1叶栅参数变量数值弦长 b/m0024 2叶高 h/m0024 3入口马赫数 Ma108稠度 1 4151 6
12、17181920212 2入口几何角 1p/60出口几何角 2p/10折转角/50弯角/0510152025301 2数值方法与验证本文的网格划分工作采用商业化软件NUMECA软件包的 IGG/Auto Grid5 模块，网格拓扑采用 H O H 型结构化网格，网格总数 197 万，网格示意图如图 1。数值计算采用商业软件 ANSYS 软件包中的 CFX 流体动力学数值分析程序。计算模型上，根据叶栅适用条件和计算需求选用 SST 湍流模型耦合 转捩模型，同时应用高精度差分格式在对流项。为满足湍流模型的求解要求，壁面附近第一层网格的宽度设定为 103mm，得到计算结果壁面上的 Y+值不超过 4。
13、边界条件中，叶栅入口的总温为440 K，总压为 430 kPa，并同时给定入口气流方向;叶栅出口通过根据入口气流方向调整质量流量，以保证入口马赫数 0 8 不变，同时来流湍流度为 5%。采用 Bo Song 论文中10 来流条件和叶型折转角与本文研究对象相似的高负荷 MOGA 叶型进行数值方法的验证，将数值计算结果与实验数据进行对比验证。叶型和叶栅的几何定义见图 2，参数取值见表 2。484图 1计算使用网格示意图图 2叶型和叶栅的几何定义表 2MOGA 叶型叶栅参数参数数值弦长 b/mm86展弦比 h/b177稠度 2安装角/16折转角/54前缘圆弧半径 r1/mm1图 3 所示为来流马赫数
14、为 0 77 时，叶型表面等熵马赫数的轴向分布的数值与实验结果对比。选择此工况的原因是本文的来流马赫数为 0 8，与此工况相近。由图可知，数值计算数据与实验结果在整体趋势上吻合，本文所用数值方法可以基本上实现对高亚音大折转角叶型流场的模拟。图 3Ma1=0 77 时轴向等熵马赫数分布2气动性能2 1变冲角特性图 4 所示为直叶栅和弯曲叶栅(=10，20和30)中的冲角特性。从图中看出，无论是直叶片还是弯叶片，随着稠度的增加，总压损失变冲角特性曲线都移向正冲角方向，最小损失冲角也往正冲角方向迁移，且低损失工作范围逐渐缩小。在最小损失冲角工况下，总压损失系数随着稠度的增大而增大。直叶片时，最小损失
15、冲角点同时也是近失速点，冲角大于最小损失冲角时损失急剧增加;当叶栅为正弯10，稠度不超过 1 8 时也存在这样的现象。在最小损失冲角下，对于直叶片和弯叶片，改变稠度对叶栅图 4变冲角特性线584扩压能力的影响均有限。在弯叶片叶栅中，随着弯角的增加，在叶栅稳定工作范围内，总压损失系数显著降低，且稳定工作范围有向正冲角方向逐渐扩宽的趋势。这说明随着稠度的升高，正弯叶片可以更显著地改善流动损失，有效提高叶栅的气动性能。其可能原因在于叶片弯曲可以改善流场，削弱二次流动，气流折转大，叶栅扩压能力增强。总的来说，无论是叶栅扩压能力还是稳定工作范围，弯叶片相较于直叶片均有所提升。2 2总体性能最小损失冲角工
16、况下的总压损失系数和扩压因子随弯角的变化情况如图 5 所示。由图可以看出对于固定稠度的叶栅，弯角增加使最小损失冲角略微增加，降低损失的同时提高扩压因子。在大稠度(2 0)条件下，弯角增加对损失降低的效果更明图 5弯角对最小损失冲角下叶栅气动性能的影响显;小稠度下弯叶片虽然降低损失不很明显，但会显著提升叶栅扩压因子。另外，当稠度从 1 4 增加到2 2 的过程中，最佳弯角(即使损失最低的弯角)从20增加到 30，说明稠度增加使最佳弯角增加，这一结论也可以从之前的冲角特性分析中看出。3分析与讨论3 1总压损失的展向分布图 6 所示为两个不同稠度下，直叶栅(=0)和正弯(=20，30)叶栅的损失沿叶高分布。图(a)显示，小稠度时，弯角 20和 30均能降低端区损失，且增加叶展中部损失，两项抵消，因此对总压损失的改善不明显。大稠度时，弯角 20和 30均能同时降低端区损失和叶展中部损失，此时弯叶片使总压损失显著降低。对比两个不同的弯角 20和30可以发现，无论是对于小稠度还是大稠度，30弯角都比 20弯角的中部损失高，端区损失低。但在低稠度(如图 5(a)时，与 20相比，30弯角会更多增加叶
