三元流动资料詳解.doc

一．流体机械设计水平及科研状况 1.1 设计水平及科研动向 透平压缩机械研究的最终目标是致力于改善机器性能和提高装置可靠性。这些研究包括理论研究，实用技术，测试手段等方面的课题，它们大多数来自工程设计和应用研究，其成果又不断推动着本行业的发展。随着计算机的进步，上述研究在深度和广度上都发生了很大变化。 1.1.1 现代设计方法概况 透平压缩机械内部流动分析已进入了三元N－S方程的数值模拟时代。不管是离心式还是轴流式，都有人提出了相应的实际流动模型，离心式叶轮中的尾迹，射流模型以及低能流体的集积过程；高负荷轴流压缩机轮毂处三元分离的形式和结构，动叶顶端间隙流动特性等。但对于包括损失、阻塞、喘振在内的压缩机总性能预测等有关问题，数值模拟还不够充分。对于设计问题，完全的数值模拟方法不仅耗时太多，而且大量的自由度使得难于工程应用。相反，在已积累有丰富经验数据的情况下，比较简单的一元方法还有相当的精度。因此，许多设计问题，仍用一元、二元、准三元的方法是必要和可取的。目前国外较普遍而又行之有效的方法是将低元和高元结合使用，即设计初始阶段用一元流动理论，详细计算时用准三元或全三元理论的方法。 图1－1轴头平机械流动解析 以轴流透平机械为例，图1－1示出了各种流动解析的关系。双实线内的解析法是纯理论解法，实线箭头表示解析法发展路线。为了修正纯理论解法的不足，还辅助应用单实线内的方法。纯理论解法和辅助方法必须与实验方法或资料（双实线箭头表示）结合起来，现在，准三元解析虽然还留下若干问题，但基本上达到了实用的程度，利用准三元理论成功地设计透平压缩机械的例子很多。作为基础研究，完全的三元数值模拟是很有意义的。然而，在通风机、压缩机整体设计中选取主要参数时，若有许多性能试验结果的积累，一元的方法也是足够的。将子午面流动和叶栅间流动简单地结合起来的二元解析，对设计点附近的内部流动的预测也有一定的精度。对于低元解析法，改善辅助手段能提高预测性能的精度。为此，不仅是实验方法，而且高元解析法反馈（虚线表示）也是必要的。 叶间流动计算也有许多优秀研究成果，如基于无粘和不可压缩流动假定的保角变换法和特异点法，有利于设计问题的速度图法，这些方法用计算机能在极短时间内完成。通过翼面压力分布和附面层的计算能判断叶栅形状的优劣，但实际用于通风机、压缩机减速叶栅时，气流转向角的计算精度不高，由此会产生多级压缩机轴功率叠加和后面叶栅匹配的问题。叶间流动的准三元解析中，考虑流面厚度变化和流面倾斜影响是必要的，虽然相继提出了流线曲率法，差分法，有限元素法，特异点发等准三元解法，同样没有解决气流转向角的计算精度。考虑到工程应用，井上雅弘等基于二元叶栅试验资料，理论上对流面厚度和流面倾斜的准三元效果进行修正。 从设计可靠的观点看，基于叶栅试验资料的设计法一直是主流。但是随着压缩机的高速化和高性能化，需要开发高马赫数特性和入射角特性均优良的低损失叶型。通过传统的试验方法设计可控制附面层发展的最佳叶型，在时间和经济上都是很大的负担，因此开展叶栅试验的数值模拟有很大的意义。R.F.Behlke和J.M.Sauz分别按可控扩压翼（根据给定速度或压力的分布决定的翼型）设计所需要的最佳叶片，此时叶型的转向角和损失的数值模拟的定量计算结果取代了叶栅资料。F.Klimetzek，A.Weber等人从使附面层具有最佳速度分布出发，利用逆命题决定翼型（超临界翼型），从而避免临界范围内出现冲波，在进气马赫数M=0.85，转角20°时这种新翼型与NACA65系列翼型相比，损失仅为后者的三分之一。 对子午面的流动解析时，最重要的是评价轮毂和轮盖面发展的附面层以及动、静叶干涉引起的端壁效果。在这个区域，不仅流动损失占总损失的比例很大，而且其轴向速度减少产生的排挤影响了主流速度的分布。这个效果，经典上由效率和端壁阻塞系数（即两个经验常数）考虑，现在可通过半理论的方法进行解析。例如，发展了的端壁附面层理论联立了按周向平均化的轴对称附面层动量积分方程和壁面剪切应力，形状因子，传输、扭曲附面层的速度分布、端壁效果的叶片力亏损等有关方程。考虑端壁效果的另一个方法是在按半理论或经验地给出流动角和损失分布后，对全区域进行准三元解析。对于多级压缩机，用端壁附面层理论，使端壁区和主流的总焓差在后面级中逐渐变得很大，这与实际情况有出入。为了解决这个矛盾，最近有人分别提出了沿翼展方向的混合模型，并进行了试验验证。 A．Whitefel评述了离心压缩机初始设计和性能预示技术。在初始设计阶段，常用的方法还是基于一元的经验流动模型，不过，随着对内部流动现象的进一步了解，一元流动解析也在改善。对于离心叶轮内流动模型，经过近40年的不懈努力，现在普遍接受了由J.P.Johston和R.C.Dean提出的具有高速射流和低速尾迹的分离流动模型