周向彎曲低壓軸流風機葉頂泄漏流動數值研究1

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本文采用數值模擬的方法，對三種帶有周向彎曲葉片的低壓軸流通石家莊風機(原型葉輪、周向前彎及后彎葉輪)的葉頂泄漏流動進行了研究。在數值計算與試驗測量結果較為吻合的條件下，從流場和壓力場等不同角度分析探討了葉片周向彎曲后，葉頂泄漏流動和泄漏渦的形成和發展規律。數值計算結果表明，葉頂周向前彎加劇了泄漏渦與主流的摻混；周向后彎葉輪比前彎葉輪有助于減弱葉頂泄漏流動；強度大、衰減慢的泄漏渦，降低了葉頂的通流能力，同時與主流的摻混加劇也增大了葉輪的端部損失；此外，頂部間隙高度的增加，泄漏流動加強，旋渦的起始點更靠近葉片后緣。彎掠技術最早出現在航空機翼中[1|，近年來，在葉輪機械領域逐漸顯示出良好的應用前景【2J，已成為研究熱點之一。實踐證明，采用葉片彎掠技術可有效地實現減小流動損失、提高氣動效率、降低氣動噪聲以及擴大穩定工作范圍的目的[3~引。葉片頂部的間隙流動十分復雜【7，8|，對于低壓軸流石家莊風機的工作效率和運行穩定性有較大的影響[9]。葉片彎曲后，加之葉片的旋轉，使得間隙流動更加復雜文基于彎掠葉片的大量理論和實驗研究f3～10J，采用數值方法，對周向前彎、后彎葉片的低壓軸流葉輪的葉頂泄漏流動進行了細致研究。探討了葉片不同周向彎曲方向和角度對葉頂泄漏流動和泄漏渦的影響，并分析了葉頂間隙高度對泄漏流動的影響。
2計算模型本文所研究的彎掠葉輪以低壓軸流通石家莊風機T墨5—11No．5為原型，進行設計。所設計的周向前彎和后。本彎葉輪除葉片周向彎曲角度外，其它幾何參數均與T35葉輪保持一致。葉輪的主要設計參數見表1。其它參數見文獻10。3計算方法計算區域由葉片主流區和葉頂間隙區兩部分組成。葉片主流區采用H型網格，網格點數：流向×展向×跨葉片方向=129×73×65，葉頂間隙區采用H—O型網格，網格點數為65×13×13，即在間隙高度方向和葉片厚度方向分別取13個點。將葉片相對間隙下／^分別為1．54％和o．31％。 (以下各圖沒有說明的均為1．54％)。采用時間相關法求解雷諾平均Ns方程組，加BL湍流模型?？臻g離散為守恒形式的有限體積法，中心差分格式。四階Runge—Kutta法進行時間推進。多重網格和隱式殘差均化對流動實施加速收斂。邊界條件設置為：進口給定總壓，總溫；出口給定質量流量；葉輪進出口延伸區給周期條件，絕熱固體壁面給定無滑移條件。當進、出口質量流量誤差小于或等于5×10-5時認為計算達到收斂。4結果分析根據GBl236．85性能試驗標準對葉輪進行氣動性能試驗。表2給出所模擬的石家莊風機運行狀態下，計算和試驗結果的比較。從比較結果來看，在設計流量下三個葉輪總壓升的實驗和計算結果吻合較好，相對誤差小于5％，證明計算結果是準確有效的。
4．1葉頂泄漏流流線圖1為三種石家莊風機在葉頂間隙區域的三維流線分布。對于原型葉輪，泄漏流起始于葉頂中部弦長附近，距葉片前緣34％弦長處開始形成泄漏渦，并脫離吸力面向相鄰葉片的壓力面方向流動。在葉弦尾部，泄漏渦渦核有彌散的趨勢，向壓力面方向前進的過程中泄漏渦破碎(圖l(a))。與原型葉輪相比，泄漏渦在前彎葉輪的發生、發展有所不同(圖1(b))，它的起始位置比原型葉輪更遠離葉片前緣，大約在距離前緣46％的弦長處。另一方面，不論在葉弦尾部還是向壓力面方向的整個發展過程，泄漏渦渦核的彌散程度減小，泄漏渦的強度增加。從原始葉輪和前彎葉輪的葉片形狀來看，這些不同之處也反映了葉片彎角，特別是頂部彎角的不同對泄漏渦所造成的不同影響，即葉片周向前彎角越大，泄漏渦的強度越強。與前彎和原型葉輪相比，后彎葉輪的葉頂泄漏渦的起始位置更靠近葉片前緣，大約在26％的弦長處(圖1(c))。與前彎葉輪相比，后彎葉輪的葉頂泄漏渦渦核的彌散程度更強，彌散范圍更大。但與原始葉輪相比，泄漏渦失穩后衰減要慢一些。