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叶片表面粗糙度对压气机特性影响的研究

作者：王冠超

来源：《科技资讯》2015年第36期

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.174

摘 要：叶片表面粗糙度的改变，将引起增压能力、效率和流通能力的改变。利用流场仿真技术，研究压气机在不同的转速和粗糙度下，性能的变化。结果表明，当压气机叶片表面粗糙度降低时，压气机的增压比和效率显著提高，叶片表面激波强度减弱，总体性能得到提高。 关键词：粗糙度 流场仿真 压气机特性

中图分类号：V235.13 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）12（c）-0174-02 长期使用，发动机各部件型面如压气机和涡轮叶片积尘、腐蚀、几何变形等，都严重影响发动机的性能。任何一种失效形式，都会导致叶片表面粗糙度的变化。随着叶片表面粗糙度的改变，压气机气流通道的流通能力，以及压气机的增压比和效率随之改变。

李本威采用在易积垢部位增加随机尺寸的方法模拟叶片积垢等原因引起的叶型改变，分析了叶片积垢、叶顶间隙增大等因素对压气机性能的影响。李钊等将积垢影响换算成压气机叶片粗糙度的变化，分别对积垢分布在叶片前缘、吸力面与压力面以及在不同转速下的压气机性能进行了仿真计算。郑贇分析了在气动载荷下，叶片变形对风扇气动性能变化的影响。 该文在上述研究基础上，通过仿真压气机流场性能，研究叶片表面粗糙度降低后，压气机特性的变化情况。 3 模型的建立与求解 3.1 模型建立

以轴流式压气机为研究对象。根据发动机轴流压气机盘三维叶型数据，建立模型，共21个截面，每个截面284个点，合计5964个点。网格拓扑结构选取HOH型网格，其中叶片前后延伸段采用H型网格，叶片型面附近采用O型网格，其中前后延伸段节点分布为33×61×97 （轴向×径向×周向），叶片型面附近节点分布为49×61×99，端壁和叶片表面第一层网格尺度为0.00001 mm，保证壁面第一层网格0 3.2 仿真计算

以单通道进行计算。选定流动介质类型为理想气体；转速为设计转速；设定边界条件：进口条件为标准大气，给定气流的总压101325Pa、总温288.15K，出口条件为给出指定半径处

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0.2 m的静压值；设定细网格计算和CFL数等相关参数；固壁为绝热、无滑移边界条件，进出口延伸段设置为周期性边界条件。 4 仿真结果与分析

通过降低压气机叶片表面粗糙度的方法来定量研究叶片表面粗糙度对压气机特性的影响，以获取相关的作用机理和影响规律。

图1给出了设计转速下压气机在粗糙度降低前后的特性曲线。由图1可知，叶片表面粗糙度的降低将导致压气机的增压比和效率显著提高。

图2给出了100%设计转速下，50%叶高位置处的S1面马赫数分布图。由图2可见，随着叶片表面粗糙度的减小，吸力面侧激波的位置向叶片出口方向移动，且激波的强度有所减小，气流密度随之减小，使得激波作用引起的分离推迟发生，从而使得叶片的尾迹区范围减小，压气机性能改善。随着转速的下降，激波强度减小，尾迹区范围减小。 5 结语

（1） 叶片表面粗糙度的降低，这将导致压气机增压比和效率显著提高，压气机工作特性改善。

（2） 随着叶片表面粗糙度的降低，吸力面侧激波的位置向叶片出口方向移动，且强度有所减小，叶片尾迹区范围减小。 参考文献

[1] 李本威，李冬，李姜华，等.单级压气机性能衰退定量研究[J].航空动力学报，2010，25（7）：1588-1594.

[2] 李钊，李本威， 王东艺，等.压气机性能参数对积垢敏感性分析[J].航空计算技术， 2011，41（6）：41-44.

[3] 郑贇，田晓，杨慧.跨声速风扇叶片变形对气动性能的影响[J].航空动力学报，2011，26（7）：1621-1627.

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