跨音速轴流压气机转子非轴对称端壁成型的数值研究

中图分类号： TH45 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.08.008Numerical Investigation on a Transonic Axia-flow Compressor Rotor with thelmplementation of Non-axisymmetric Endwall ProfilingGAO Xiang，CHU Wu-li(Northwestern Polytechniacl University，Xi an 710072，China)Abstract： e study object in this paper is the transonic axial compressor rotor-Rotor67.The numerical simulation of Rotor67 isdone by the commercial software NUMECA.and the analysis of the flow field suggests that the secondary flow loss ofthe endwaUis the main loss resources of the rotor. e non-axisymmetric endwall profiling of Rotor67 is done by trigonometric method.andthen the numerical simulation of the flow field is done.As a result，the using of non.axisymmetric endwal can decrease thestrength and extent of the passage vortex，and this leads to the decrease the secondary flow loss，SO the efficiency of the compressoriS increased。

Key words： transonic axial compressor rotor；non-axisymmetric endwall；secondary flow lossl 前言叶轮机中，转子端壁区的二次流以及由此引发的二次流涡系普遍存在，压气机端区的二次流涡系以及由此引发的损失可达压气机总损失的30%～50%，为了提高叶轮机械的气动性能，减小端区二次流流动损失-直是-个重点研究方向。

近年来 ，采用非轴对称端壁造型法来减小端区二次流流动损失成为了-个新的研究热点。

1994年，Rose提出了非轴对称端壁成型涡轮静叶栅的新概念，其利用不同曲率的曲面代替了原始端壁结构 J。1999年，Rose及 Gregory-收稿 日期： 2012-10-08 修稿日期： 2013-07-l1Smith等对非轴对称端壁成型的涡轮叶栅进行了数值模拟及试验研究 J。在非轴对称端壁造型技术成功应用于涡轮之后，Hoeger等研究了非轴对称端壁造型对压气机中端壁流动的影响 ，结果表明非轴对称端壁对减弱压气机中的二次涡强度和流动损失都有很好的效果↑年来，国内-些研究人员也开始了这方面的研究工作。李国君等阐述了-种非轴对称端壁的造型方法 J，其利用三角函数构建了非轴对称的叶栅端壁型面，并对相关跨音速直列叶栅进行了数值研究。西北工业大学卢家玲通过数值模拟与试验验证相结合的方法，对静子轮毂进行造型，研究了静子非轴对称2013年第 41卷第 8期 流 体 机 械 37O.9O0.7428 31流量(kg/s)(a)等熵效率28 31 34流量(kg/s)(b)总压比图2 原型与非轴对称端壁结构压气机转子性能对比轮毂造型最初是基于最高效率工况时角区分 下对比分析都是在最高效率工况点进行分析的。

离的特点设计的，在近堵点和近失速点，角区分离 图3给出了造型前后 10%、50%、90%3个叶的范围和强度将发生变化，轮毂造型对角区分离 高截面的叶片吸力面、压力面静压分布。从图中的控制也随之减弱。在实际工作中，由于峰值效 可以看出，在 10%叶高处，叶片压力面静压有所率工况点为压气机的主要工作点，因此对最高效 降低，吸力面静基本保持不变，从而叶片吸力面与率工况段性能的改善是具有实际意义的。所以以 压力面之间压差减小，横向压力梯度减校趟 80000艋0 O0 0.04 0.08轴向位置(m)(a)10%叶高0.010 0.045 0.080轴向位置(m)(b)5o叶高0.020 0.045 0.070轴向位置(m)(C)90%叶高图 3 不同叶高位置处叶片表面静压分布从图3中还可以发现，在 50%与90%叶高截 趋势也与造型前完全相同。由此可见，非轴对称面处，造型前后吸力面与压力面静压均为发生较 端壁造型对气动参数能产生影响的区域较为有大变化，因此推测端壁造型所影响的区域主要集 限，主要集中在近端壁的部分区域，而对叶片中部中在近端壁区域，50%叶高及其以上部分所受影 及其以上区域影响较校响较校 为了进-步认清非轴对称端壁结构对压气机为了进-步探究端壁造型所影响的区域，图 轮毂附近二次流的影响，图6对比了非轴对称端4、5分别给出了不同叶高截面处气流密度大小与 壁造型前后转子叶片通道内沿流向3个不同轴向绝对马赫数(周向平均)所受端壁造型的影响。 弦长位置处的截面二次流速度矢量和流线的分从图中可以看出，在近端壁区域的10%叶高截面 布。二次流定义如下：取平均气流角方向为主流处，造型后气流密度与绝对马赫数发生了较大变 方向，二次流定义为当地速度矢量在该截面上的化，而对于50%及 90%叶高截面来说，气流密度 投影值与依据平均气流角计算的该截面上的各方与绝对马赫数在端壁造型以后其变化很小，基本 向上速度的差。

2013年第41卷第 8期 流 体 机 械 39在 80%轴向弦长截面处，轴对称结构通道涡强度进-步增强，涡核向吸力面侧发展；而此时采用非轴对称端壁结构以后，在叶片通道内靠近压力面侧也开始形成了通道涡，但该通道涡强度较弱。

在 100%轴向弦长截面处，轴对称端壁结构与非轴对称端壁结构均产生了非常明显的通道涡，但由于叶片通道内压力梯度的改变，非轴对称端壁结构的通道涡更靠近压力面侧，并且强度较轴对称端壁结构来说较弱。

5 结论(1)采用非轴对称端壁造型后，转子峰值效率提高了约0.5%，而压比特性基本保持不变，在峰值效率点压比略有提高；(2)非轴对称端壁造型的影响区域有限，主要集中在近端壁区的 10%叶高范围内，而叶片中部及叶片尖部流躇本不受到影响；(3)非轴对称端壁造型减小了转子通道的横向压力梯度，从而减弱了叶片通道涡的强度，并且减小了通道涡的范围，使得二次流损失减校