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轴向掠叶片对涡轮静叶栅流场气动及声学特性的影响喔

轴向掠叶片对涡轮静叶栅流场气动及声学特性的影响喔 2011年12月09日 来源： Effects of the Axial Swept Blade on Aerodynamice-Aeroacoustic Performances of the Turbine Stator FlowYang Ailing et al　　A numerical investigation is carried out to study the effects of the aft and forward swept technology on areodynamic-areoacoustic performaces of the turbine stator flow. Based on the numerical results of the stator flows with aft swept,forward swept and unswept blades,the distributions along axial and radial directions of flow variables are given.The analysis indicated that the forward swept stator had low total pressure losses and an improved acoustic performance compared with the unswept stator.The data also showed that the aft swept blade deteriorated the areodynamic and areoacoustic performace of the stator flow.　　Keywords:swept blade,stator flow,areodynamic-areoacoustic performance　　中小型风机是机械、化工和电子等行业应用非常广泛的通用机械，风机的性能和噪声问题一直是困扰风机设计和应用的两个问题。采用叶片的气动掠技术提高叶栅的性能是一新的发展方向，国内外科研人员对此进行了研究。文献［1］实验研究和数值分析方法就气动掠动叶对压气机跨音速叶栅的性能影响这一问题进行了分析，研究表明动叶前掠在获得理想效率的同时可以明显扩大转子的稳定工作范围，而后掠对动叶的稳定工作范围产生了负面影响。蔡娜博士曾进行了小型风机的气动—声学性能的实验研究［2，3］，从实验角度研究了不同工况下动叶轴向掠、周向弯和径向三种情况下风机的气动性能和声学特征，结果表明轴向掠动叶不仅降低了叶栅的能量损失，扩大了风机稳定工作范围，而且还提高了风机的声学性能，降低了噪声。但是，关于轴向掠叶片提高叶栅气动—声学性能的机理以及轴向掠技术在静叶栅中的应用等问题的研究还比较缺乏，为了更好地利用叶片掠技术，降低风机的能耗和噪声，对叶片轴向掠技术进行深入研究是很有必要的。　　笔者在相同几何结构、相同轮毂压比和相同进口条件下，通过数值模拟对采用轴向掠叶片和径向叶片的涡轮静子叶栅流场进行对比数值分析，研究叶片轴向掠对静子通道内三维流场气动—声学性能的影响规律和轴向掠叶片提高叶栅气动—声学性能的根本原因。1　数值方法　　数值计算程序采用有限差分格式写成。为了提高迭代过程的收敛速度，采用Yoon和Jameson的LU-SGS近似隐式分解格式对三维N-S方程进行时间推进，考虑到方程右边粘性扩散部分对计算收敛过程的影响，在隐式因子中包括了粘性项的粗略估计。无粘对流项的离散格式为基于MUSCL插值的具有二阶精度的Roe格式，为防止数值解的非物理振荡，在空间离散格式中引入了非线性限量因子；方程右边粘性耗散项的数值离散则采用具有二阶精度的中心差分格式进行。紊流粘性通过Baldwin和Lomax的两层涡粘性代数模型模拟。详细情况请参考文献［4、5］。　　根据特征分析，在进口给出总压、总温和进气方向四个条件，然后结合内点的上传信息确定进口流动参数；在出口给出轮毂上的压比πh=0.56，然后根据迭代所得的流场参数由简单径向平衡方程确定出口压力分布；固壁边界则由无滑移条件进行处理。2　计算网格　　根据倾斜方向，叶片可分为前掠和后掠两种，前掠指叶片逆来流方向倾斜，反之为后掠。为方便起见，下文中均以γ表示轴向掠角，且γ=0°为径向直列叶片，前掠时γ＜0，后掠则γ＞0。　　本文选用的叶型是由升力系数为1.0的NACA—65型中弧线配合NACA65—010原始叶型构成，弦长b=80mm，当量弯曲角约为24°。叶片的安装角42°，几何进气角126°，沿径向叶片无扭曲。静叶的内径和外径分别是200、340mm，叶片数为15。根据以上几何参数生成了H型计算网格，网格大小为117×37×27。为尽可能减小网格在叶栅通道出口附近的非正交度，提高计算精度，在计算域的周期边界上构造了非周期性网格［6］，见图1。图1　50%叶高处的非周期计算网格3　研究结果及分析　　在零冲角条件下分别对叶片轴向前掠10°、20°和后掠10°、20°以及径向直列叶片即掠角r=-20°、-10°、0°、10°和20°五种情况进行了数值模拟，下面给出计算结果及分析。3.1　叶片轴向掠对静叶栅气动特性的影响　　图2是各掠角下叶栅通道出口的总压损失系数，从图可以看出随着掠角γ由负到正的增加，总压损失系数也保持单调增大的趋势。叶片前掠20°后，总压损失系数ω从径向叶片的0.141变为0.065，降低了约54%，可见前掠叶片大幅度提高了叶栅的

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