結(jié)構(gòu)變形對斜流壓氣機(jī)性能的影響研究

朱東華，任　眾，許開富（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

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結(jié)構(gòu)變形對斜流壓氣機(jī)性能的影響研究

朱東華，任眾，許開富
（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

摘要：采用基于有限元的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析和CFD全三維流場仿真手段，對某斜流壓氣機(jī)工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形和變形后的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：提出的數(shù)值仿真流程能夠有效模擬壓氣機(jī)工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形對氣動(dòng)性能的影響，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)平衡提供數(shù)據(jù)支撐；壓氣機(jī)葉片前緣頂部剛度小，變形量大，但對葉輪氣動(dòng)性能影響較?。蝗~輪尾緣邊徑向變形對壓氣機(jī)增壓能力影響顯著；頂部泄漏間隙的變化對壓氣機(jī)效率產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：壓氣機(jī)；工作狀態(tài)；結(jié)構(gòu)變形；流場分析

0　引言

在吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，準(zhǔn)確的壓氣機(jī)性能是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)平衡計(jì)算的基礎(chǔ)［1-2］。目前獲得壓氣機(jī)性能的方法主要有壓氣機(jī)性能試驗(yàn)和CFD流場仿真兩種。開展壓氣機(jī)性能試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力物力，成本較高。近年來，基于計(jì)算流體力學(xué)的全三維流場仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于壓氣機(jī)流場仿真，以獲得壓氣機(jī)氣動(dòng)性能。

采用流場仿真手段進(jìn)行壓氣機(jī)性能研究，通常以壓氣機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)模型為研究對象。但是，在吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)具有大空域和寬速域工作條件，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子工作時(shí)，在綜合載荷作用下會(huì)發(fā)生明顯結(jié)構(gòu)變形［3］，壓氣機(jī)氣動(dòng)性能改變，從而導(dǎo)致流場仿真結(jié)果與實(shí)際工作狀態(tài)產(chǎn)生差異，影響發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)平衡。

基于有限元分析和全三維流場仿真技術(shù)，提出了一種壓氣機(jī)工作狀態(tài)下氣動(dòng)性能仿真流程，通過準(zhǔn)確捕獲壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變形，建立工作狀態(tài)三維模型并開展仿真分析，從而研究壓氣機(jī)工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形對氣動(dòng)性能的影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)平衡提供數(shù)據(jù)支撐。

1　數(shù)值仿真方法

基于Workbench仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)和CFD軟件，將有限元分析和全三維流場仿真相結(jié)合，建立了壓氣機(jī)工作狀態(tài)性能仿真流程（圖1）。

圖1　壓氣機(jī)工作狀態(tài)性能仿真流程Fig.1　Performance simulation procedure of compressor in running state

首先根據(jù)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立三維模型，仿真分析壓氣機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)下流動(dòng)特性，為開展工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變形研究提供溫度載荷和壓力載荷邊界條件；采用有限元手段進(jìn)行設(shè)計(jì)狀態(tài)模型的流固熱耦合分析，提取結(jié)構(gòu)相對變形量，手動(dòng)建立工作狀態(tài)下三維模型并開展流場仿真，研究工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形對壓氣機(jī)氣動(dòng)性能影響。

2　計(jì)算模型及邊界

本文研究對象為某型吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī)斜流壓氣機(jī)，壓氣機(jī)主要由斜流式葉輪（R1）和串列葉柵式軸向擴(kuò)壓器（S1+S2）組成，其中斜流式葉輪為大小葉片結(jié)構(gòu)。圖2所示為斜流壓氣機(jī)子午流面示意圖。圖3所示為斜流式壓氣機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖。

圖2　斜流壓氣機(jī)子午流面Fig.2　Meridional flow surface oblique compressor

圖3　斜流壓氣機(jī)三維結(jié)構(gòu)Fig.3　Three-dimensional structure of oblique compressor

工作狀態(tài)性能仿真計(jì)算中需要開展結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析和全三維流場仿真兩類研究，其中結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析中，由于壓氣機(jī)外壁和串列葉柵式擴(kuò)壓器為靜止件，初步估算顯示其結(jié)構(gòu)變形量小可忽略，因此以斜流式葉輪為研究對象，重點(diǎn)研究斜流式葉輪在綜合載荷作用下的結(jié)構(gòu)變形情況；CFD全三維流場分析以壓氣機(jī)整機(jī)為研究對象。

采用有限元方法進(jìn)行斜流葉輪結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析，計(jì)算模型及網(wǎng)格如圖4所示。采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為68萬。為準(zhǔn)確反映葉片型面變化情況，對葉片局部網(wǎng)格加密處理。葉輪出口軸端施加軸向及周向約束，考慮溫度載荷、壓力載荷和離心載荷作用，其中溫度載荷和壓力載荷根據(jù)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)流場仿真結(jié)果提取。

圖4　有限元分析模型及網(wǎng)格Fig.4　FEA model and grids

圖5　流場仿真分析模型及網(wǎng)格Fig.5　CFD model and grids

如圖5所示，本文全三維流場仿真分析采用NUMECA軟件中的Autogrid模塊生成六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為256萬；為提高計(jì)算精度，壁面附面層進(jìn)行加密處理，保證壁面最大y+＜100；仿真求解采用CFX軟件進(jìn)行，R1與S1間采用轉(zhuǎn)靜交界面，S1與S2間采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面，壁面按絕熱壁處理，湍流模型為SST模型［4-6］。

3　仿真結(jié)果分析

3.1工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)變形

以壓氣機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)模型為研究對象，開展流場仿真，提取葉輪壓力載荷和溫度載荷。在壓力載荷、溫度載荷和離心載荷綜合作用下，斜流式葉輪在工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)變形。圖6（a）所示為斜流式葉輪葉片型面變形情況，葉片前緣頂部由于葉片長，剛度相對偏小，產(chǎn)生最大變形量為0.7 mm；葉片前緣根部變形量較??；葉片尾緣邊變形量為0.62 mm。如圖6（b）所示，葉輪變形導(dǎo)致子午流面變化，從葉輪軸向約50%位置至葉輪出口，輪轂徑向尺寸增大，最大變形量為0.71 mm。

圖6　斜流葉輪結(jié)構(gòu)變形Fig.6　Structure deformation of oblique impeller

圖7所示為葉輪結(jié)構(gòu)變形后對葉輪頂部泄漏間隙的影響，設(shè)計(jì)狀態(tài)下頂部泄漏間隙沿軸向近似線性分布，進(jìn)口0.5 mm，出口0.8 mm；葉輪結(jié)構(gòu)變形后，由進(jìn)口到出口頂部泄漏間隙呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，由進(jìn)口0.58 mm逐步增大至0.68 mm，然后近似線性減小至0.19 mm。

獲得葉輪結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)后，基于結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)狀態(tài)模型手動(dòng)建立工作狀態(tài)下葉輪三維模型，用于流場仿真，通過對比分析設(shè)計(jì)狀態(tài)和工作狀態(tài)下葉輪性能變化，獲得葉輪結(jié)構(gòu)變形對氣動(dòng)性能的影響。葉輪結(jié)構(gòu)變形對壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響主要有兩方面［7-8］：一方面葉片型面變化，影響壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)；另一方面葉輪變形后頂部泄漏間隙變化。

圖7　葉輪頂部間隙分布Fig.7　Tip clearance distribution of impeller

3.2工作狀態(tài)氣動(dòng)性能

表1所示為壓氣機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)和工作狀態(tài)下氣動(dòng)性能，可以看出壓氣機(jī)工作狀態(tài)時(shí)總總壓比和等熵效率較設(shè)計(jì)狀態(tài)均有所提高，總總壓比提高4.2%，等熵效率提高1.7%。

3.2.1結(jié)構(gòu)變形對總壓比影響

圖8子午流向總壓分布可以看出，工作狀態(tài)下沿程總壓明顯高于設(shè)計(jì)狀態(tài)。葉輪前緣附近兩種狀態(tài)下總壓基本一致；葉輪中部至出口邊，結(jié)構(gòu)變形后總壓明顯增大。從圖9所示葉輪大葉片不同葉高截面型面壓力分布可以看出，工作狀態(tài)下壓氣機(jī)葉輪從根部至頂部全葉高范圍內(nèi)出口壓力均有所增大。全葉高范圍內(nèi)葉輪前緣至50%軸向位置壓力面和吸力面型面壓力變化較小，可忽略，葉輪前緣頂部葉片型面變化對葉輪做功能力影響較小；葉輪軸向約50%位置至出口范圍內(nèi)壓力面和吸力面型面壓力明顯提高，與葉輪結(jié)構(gòu)變形相對應(yīng)，該范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)變形引起的葉輪出口徑向尺寸增大對提高葉輪做功能力有重要作用［9］。因此，局部葉片型面變化對葉輪增壓能力影響較小，葉輪結(jié)構(gòu)變形引起的徑向尺寸增大是葉輪做功能力增大的主要原因。

表1　壓氣機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)和工作狀態(tài)下氣動(dòng)性能Tab.1　Aerodynamic performance of design points in original state and running state

圖8　子午流向總壓分布Fig.8　Total pressure distribution on meridional flow direction

3.2.2結(jié)構(gòu)變形對效率影響

從圖10子午流面熵分布可以看出，工作狀態(tài)下子午流面熵增明顯小于設(shè)計(jì)狀態(tài)，熵增減小，壓氣機(jī)效率提升。兩種狀態(tài)下，葉輪前緣附近熵基本一致，因此葉輪前緣頂部型面變化對壓氣機(jī)效率影響較小，可忽略。從葉輪中部至尾緣邊，工作狀態(tài)下熵增明顯小于設(shè)計(jì)狀態(tài)，結(jié)合葉輪頂部間隙分布可以看出，葉輪頂部間隙減小后，壓氣機(jī)熵增減小效率提升［10-12］；串列葉柵擴(kuò)壓器中熵分布曲線接近平行，熵增基本一致。

圖9　葉輪大葉片型面壓力分布Fig.9　Distribution of pressure on main blade surface of impeller

圖10　子午流向熵分布Fig.10　Entropy distribution on meridional flow direction

表2　各部件熵增Tab.2　Entropy rise of each component in original state and running state

由各部件熵增（表2）統(tǒng)計(jì)可看出，工作狀態(tài)下各部件熵增較設(shè)計(jì)狀態(tài)均有減小，葉輪減幅最大為13.5%，擴(kuò)壓器減幅略低。設(shè)計(jì)狀態(tài)下，葉輪熵增占壓氣機(jī)總熵增的61.7%，工作狀態(tài)下為60.1%，因此可以看出工作狀態(tài)下葉輪內(nèi)部熵增較設(shè)計(jì)狀態(tài)明顯降低，壓氣機(jī)氣動(dòng)性能提升。

4　結(jié)論

1）本文提出的數(shù)值仿真流程通過將有限元分析和流場仿真技術(shù)相結(jié)合，能夠仿真研究壓氣機(jī)工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形對氣動(dòng)性能的影響，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)平衡提供更加準(zhǔn)確的性能參數(shù)。

2）斜流式壓氣機(jī)葉輪前緣頂部由于剛度偏小，產(chǎn)生較大結(jié)構(gòu)變形，前緣根部變形較小；葉輪尾緣邊在綜合載荷作用下變形明顯，徑向尺寸增大，影響壓氣機(jī)子午流道和頂部泄漏間隙。結(jié)構(gòu)變形后壓氣機(jī)總總壓比和等熵效率較設(shè)計(jì)狀態(tài)均有所提升。

3）葉片前緣型面變化對壓氣機(jī)增壓能力影響較小，尾緣邊附近徑向尺寸增大可增強(qiáng)葉輪中部至尾緣邊做功能力，提高壓氣機(jī)總總壓比；葉輪尾緣邊變形對葉輪增壓能力影響大于葉片前緣型面變化的影響。

4）葉片前緣型面變化對壓氣機(jī)效率影響較小，葉輪結(jié)構(gòu)變形引起的頂部泄漏間隙變化對壓氣機(jī)效率影響顯著，壓氣機(jī)研制中應(yīng)嚴(yán)格控制葉輪頂部泄漏間隙。

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（編輯：王建喜）

中圖分類號(hào)：V434-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-9374（2016）03-0050-06

收稿日期：2015-10-27；修回日期：2015-12-16

基金項(xiàng)目：國家863項(xiàng)目（2014AA7053026）

作者簡介：朱東華（1986—），男，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵

Impact of structure deformation on oblique flow compressor

ZHU Donghua，REN Zhong，XU Kaifu
（Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

Abstract:The structural deformation of an oblique flow compressor in working condition and its aerodynamic performance after deformation was studied by using static structural strength analysis based on the finite element and 3D flow field simulation method in CFD.The result shows that the numerical simulation method proposed in this article can be used to simulate the effect of structural deformation on aerodynamic performance of the compressor in running state，which is benefit for parameter balance of the engine system；the great deformation caused by poor rigidity on the leading edge of impeller has a less affect on aerodynamic performance；radial deformation on the trailing edge of impeller has significant influence on the total pressure ratio of the compressor；the efficiency of the compressor can be influenced largely by tip clearance.

Keywords:compressor；running state；structure deformation；flow field analysis