大轉(zhuǎn)角超低展弦比擴(kuò)壓葉柵流場(chǎng)數(shù)值模擬及分析

嚴(yán) 明 ，焦廣云 ，魏 然

（北京航空航天大學(xué)，1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京，100191）

隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的飛速發(fā)展,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能需要進(jìn)一步提高。其中，壓氣機(jī)性能的改善，對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)起著至關(guān)重要的作用。因此，如何提高壓氣機(jī)的性能，成了目前世界各國(guó)共同關(guān)注的重要研究領(lǐng)域之一。許多研究者都嘗試了對(duì)葉型進(jìn)行改造，借此來提高壓氣機(jī)壓比和效率，有效地減小或消除附面層分離。

由于加大了對(duì)氣流的轉(zhuǎn)折能力，所以大轉(zhuǎn)角靜子葉柵內(nèi)流動(dòng)分離加劇，葉型損失增加。超低展弦比葉柵流動(dòng)，受端壁附面層影響嚴(yán)重，最終造成較大的二次流損失。壓氣機(jī)中二次流損失與葉柵端壁和葉片表面附面層有關(guān),如端區(qū)附面層中摩擦造成的損失、葉片表面附面層潛移引起的低能氣體堆積造成的損失、通道渦造成的漩渦耗散損失等。二次流損失越大，總壓損失越大，而總壓損失系數(shù)沿葉高分布總是葉根、葉尖兩端高，葉中低。這樣，在設(shè)計(jì)時(shí)，要想減少端區(qū)的總壓損失的話，需控制徑向流動(dòng)，使高能氣體輸運(yùn)到端壁，降低端區(qū)的能量損失，提高端區(qū)總壓。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究成果證明：采用傾斜、彎曲葉片，能明顯降低葉柵能量損失。因此，本文設(shè)計(jì)了7種葉型葉柵并對(duì)其進(jìn)行CFD模擬，通過計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析各個(gè)葉型葉柵的氣動(dòng)性能。

1 幾何模型

本文共研究7個(gè)葉型葉柵，分別是：常規(guī)直葉柵（葉根到葉尖均勻加載），正傾斜葉片葉柵，直葉柵（外端壁前加載，內(nèi)端壁后加載），直葉柵（葉中前加載，端區(qū)后加載），端區(qū)正彎曲葉柵，串列葉柵，直葉柵（葉根到葉尖全部前加載）。為方便起見，將其依次編號(hào)為：0型，1型，2型，3型，4型，5型，6型。下文中的敘述，將都采用這種編號(hào)方式。這7種葉型都具有大轉(zhuǎn)角、超低展弦比的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)角為55°，展弦比為0.199。葉高0.0055m，弦長(zhǎng)0.0276m。具體三維葉型如圖1。

圖1 0～6型葉片三維葉型

2 計(jì)算網(wǎng)格及初場(chǎng)邊界條件

計(jì)算網(wǎng)格利用其旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，只對(duì)一個(gè)葉片進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，網(wǎng)格利用Autogrid軟件生成，具體參數(shù)如表1所示。

表1 各葉型網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置

初場(chǎng)設(shè)為靜壓1.064MPa，靜溫300 K；進(jìn)口邊界條件給定來流速度，軸向速度75m/s，周向速度106.18m/s，切向速度為0；出口給定背壓1.064MPa；葉片表面為無滑移邊條，兩邊界面為周期性邊條。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文計(jì)算采用FINE軟件完成，為方便起見，計(jì)算結(jié)果均以0型為參照，分析如下：

3.1 靜壓增壓比分析

表2 各葉型葉柵靜壓增壓比

從表2可以看出，相對(duì)于0型，2型和4型有小幅提高，6型提高最大，1型、3型、5型有較大幅度降低。從這個(gè)參數(shù)來看，6型最好。

3.2 落后角分析

表3 各葉型葉柵落后角

從表3可以直接看出，6型葉柵平均落后角最小，相對(duì)0型減少了42.5%，3型相對(duì)于0型也有減少，減少了18.2%，6型減少的幅度較小，而2、4、5型葉柵平均落后角都有不同程度增加。從這個(gè)參數(shù)來看，6型最好。

3.3 流動(dòng)損失分析

流動(dòng)的能量的損失體現(xiàn)在總壓損失上，用總壓恢復(fù)系數(shù)σ=p2*/p1*來衡量損失的大小，本文中各葉型總壓損失系數(shù)如表4所示：

表4 總壓恢復(fù)系數(shù)

從表4可以看出，6型葉柵總壓損失最小，5型葉柵總壓損失最大。下面取每個(gè)葉型沿葉根到葉尖方向0.05倍葉高、0.5倍葉高、0.95倍葉高3個(gè)截面的馬赫數(shù)分布和吸力面馬赫數(shù)分布觀察分離和損失情況，如圖2所示。

圖2 0型葉片沿葉高0.05、0.5、0.95截面處及吸力面馬赫數(shù)分布

圖3 1型葉片沿葉高0.05、0.5、0.95截面處及吸力面馬赫數(shù)分布

圖4 2型葉片沿葉高0.05、0.5、0.95截面處及吸力面馬赫數(shù)分布

圖5 3型葉片沿葉高0.05、0.5、0.95截面處及吸力面馬赫數(shù)分布

圖6 4型葉片沿葉高0.05、0.5、0.95截面處及吸力面馬赫數(shù)分布

圖7 5型葉片沿葉高0.05、0.5、0.95截面處及吸力面馬赫數(shù)分布

圖8 6型葉片沿葉高0.05、0.5、0.95截面處及吸力面馬赫數(shù)分布

對(duì)比圖2和圖3可以看出，0型內(nèi)外端壁分離區(qū)域較大，1型內(nèi)端壁有明顯改善，外端壁處分離稍加強(qiáng)，葉中處分離區(qū)域變大。結(jié)合吸力面馬赫數(shù)分布來分析，可以看出分離發(fā)生之后，0型外端壁速度高，葉中速度低，使得附面層向葉中堆積，葉中處損失嚴(yán)重。再分析1型可發(fā)現(xiàn)，1型發(fā)生分離較早，內(nèi)端壁處馬赫數(shù)比葉中高，這樣的話，內(nèi)端壁附面層會(huì)向葉中遷移，同時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)端壁至葉中區(qū)域速度梯度大，輸運(yùn)的能力較強(qiáng)，所以，低能氣體在葉中至外端壁處堆積，該區(qū)域流動(dòng)損失加劇，而葉中至內(nèi)端壁區(qū)域流動(dòng)情況有所改善。

對(duì)比圖2和圖4可以看出，2型內(nèi)端壁分離情況明顯改善，外端壁至葉中處分離稍有所加強(qiáng)。分析吸力面馬赫數(shù)分布可看出，在靠近內(nèi)端壁區(qū)域，下側(cè)馬赫數(shù)高，上側(cè)馬赫數(shù)低，這樣會(huì)造成低能氣體由內(nèi)端壁向葉中方向輸送，這種趨勢(shì)比0型要明顯，所以在靠近內(nèi)端壁區(qū)域2型分離區(qū)小，流動(dòng)損失少。2型外端壁至葉中方向?yàn)樨?fù)馬赫數(shù)梯度，并且該處梯度比0型要大，所以2型低能氣體向葉中方向輸運(yùn)的效果要明顯，導(dǎo)致外端壁至葉中區(qū)域流動(dòng)損失加大。

對(duì)比圖2和圖5可以看出，3型內(nèi)外端壁分離情況都有所改善。3型在整個(gè)流向上，呈現(xiàn)內(nèi)外端壁壓力高、葉中壓力低的分布，即外端壁至葉中和內(nèi)端壁至葉中，均為正馬赫數(shù)梯度。在這種馬赫數(shù)梯度下，內(nèi)外端壁的低能流體向葉中遷移，兩端區(qū)流動(dòng)損失減少，葉中處流動(dòng)損失加大。而在接近出口處可發(fā)現(xiàn)，馬赫數(shù)分布逐漸變成兩端區(qū)低，葉中高。在一定程度上使得低能氣體向兩端壁遷移，反映到總壓分布上，便是葉中區(qū)域總壓損失大，兩端區(qū)稍有損失。

對(duì)比圖2和圖6可以看出，4型內(nèi)端壁處分離情況均有所改善。4型兩端區(qū)附近壓力分布，都是兩端區(qū)馬赫數(shù)高，附近區(qū)域馬赫數(shù)低。這種分布趨勢(shì)，比0型明顯，所以兩端區(qū)分離情況得以改善，流動(dòng)損失減小，葉中損失增大。在接近出口的一段區(qū)域里，葉中馬赫數(shù)比兩端區(qū)壓力高，低能流體向兩端遷移。

對(duì)比圖2和圖7的吸力面馬赫數(shù)分布可知，5型下端壁分離情況嚴(yán)重，分離發(fā)生的較早，第二排葉柵從前緣至尾緣幾乎全部分離，外端壁至葉中處摻混比較均勻，所以此區(qū)域流動(dòng)損失減小的幅度比較小，相對(duì)而言，內(nèi)端壁至葉中區(qū)域損失較大。

對(duì)比圖2和圖8可以看出，6型內(nèi)端壁分離情況改善明顯，外端壁處分離情況無明顯改變，葉中分離稍有加強(qiáng)。6型與3型的馬赫數(shù)分布相似，同樣是內(nèi)端壁區(qū)域，分離情況得到改善，流動(dòng)損失減少，外端壁區(qū)域分離的比較早，流動(dòng)損失增大。但總體上來看，6型總壓損失比0型小。這與3型總壓損失比0型大有所差異的地方在于：6型為前加載葉型，在未出現(xiàn)附面層分離時(shí)，加載葉型損失小，使得總體損失減小。內(nèi)端壁處分離區(qū)較大，葉中處分離區(qū)域稍小，外端壁處分離區(qū)很小。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)7種大轉(zhuǎn)角、超低展弦比葉型葉柵的靜壓增壓比，落后角和流動(dòng)損失的分析，得出了以下結(jié)論，相對(duì)于常規(guī)直葉柵（葉根到葉尖均勻加載）：

（1）正傾斜葉型內(nèi)端壁處附面層分離情況改善明顯，但外端壁至流動(dòng)損失增加?？傮w看來，落后角增大，總壓損失增大，靜壓增壓比減小。

（2）外端壁前加載、內(nèi)端壁后加載葉型內(nèi)端壁附面層分離情況改善，外端壁附面層分離情況加劇?？傮w看來，落后角增大，總壓損失也增大，靜壓增壓比增大。

（3）端區(qū)正彎葉型改善了內(nèi)外端區(qū)附面層分離情況。綜合來看，落后角增大，出口總壓損失略有增大，靜壓增壓比減小。

（4）葉中前加載、端區(qū)后加載葉型，使得兩端區(qū)附面層分離情況略有改善。葉中處低能氣體先堆積后遷移，總壓幾乎沒有變化?？傮w來講，總壓損失減小，落后角增大，靜壓增壓比略有增大。

（5）串列葉柵分離區(qū)集中在內(nèi)端壁至葉中處，但由于內(nèi)端壁處分離發(fā)生的較早，前緣至尾緣幾乎全部分離，所以內(nèi)端壁至葉中處處摻混比較均勻?？傮w說來落后角減小，總體損失增大，靜壓增壓比降低。

（6）葉根到葉尖全部前加載葉型二次流加強(qiáng)，葉型損失減少，總體損失減少，落后角減小，靜壓增壓比增大。

綜合以上各個(gè)性能參數(shù)來看，葉根到葉尖全部前加載葉型性能最好，適合大轉(zhuǎn)角、超低展弦比葉柵，可為以后的葉型葉柵設(shè)計(jì)提供一定的參考。

[1]王會(huì)社，鐘兢軍，王仲奇，趙 剛.正傾斜葉片壓氣機(jī)葉柵二次流的數(shù)值研究[J].熱能動(dòng)力工程，2007，(17)：375-378.

[2]王會(huì)社，袁 新，鐘兢軍，王仲奇.葉片正彎曲對(duì)壓氣機(jī)葉柵葉片表面流動(dòng)的影響[J].推進(jìn)技術(shù)，2004，25(3)：143-146.

[3]陳紹文，陳 浮，王可立，谷 君，王仲奇.采用彎葉片的不同折轉(zhuǎn)角壓氣機(jī)葉柵流場(chǎng)氣動(dòng)性能[J].推進(jìn)技術(shù)，2007，28（2）：179-182.

[4]焦廣云.大轉(zhuǎn)角、超低展弦比擴(kuò)壓葉柵流場(chǎng)計(jì)算與分析[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2008.