高壓比串列風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)

尹紅順，周拜豪，余華蔚，曹志鵬

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

高壓比串列風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)

尹紅順，周拜豪，余華蔚，曹志鵬

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

以提高單級風(fēng)扇壓比為目標(biāo)，深入研究已有高壓比風(fēng)扇技術(shù)，提出一種新型雙排串列、斜流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。針對串列風(fēng)扇氣動(dòng)布局的新特征，發(fā)展了串列風(fēng)扇通流設(shè)計(jì)方法及基于非均勻有理B樣條葉型中線生成方法。利用新建立的氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，進(jìn)行了串列風(fēng)扇氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)與分析，開展了高負(fù)荷串列葉片流動(dòng)匹配研究，并采用三維造型等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口全超聲串列靜葉設(shè)計(jì)。三維數(shù)值模擬結(jié)果顯示：新結(jié)構(gòu)串列風(fēng)扇動(dòng)葉之間流動(dòng)匹配良好，超聲靜葉激波后的流動(dòng)分離得到有效控制，高負(fù)荷條件下串列風(fēng)扇仍保持良好性能。

高壓比風(fēng)扇；雙排串列；通流設(shè)計(jì)；全超聲串列靜葉；數(shù)值仿真

1 引言

未來高性能飛機(jī)要求渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)重量不斷減輕、推重比不斷提高，因此風(fēng)扇向著級壓比越來越高、級數(shù)越來越少的方向發(fā)展。單級壓比3.0以上的風(fēng)扇，通?？紤]利用斜流和離心式結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。目前，離心壓氣機(jī)的單級壓比最高能達(dá)到12，但其迎風(fēng)面積大、效率低，適合在小流量發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。斜流壓氣機(jī)的增壓能力介于軸流壓氣機(jī)和離心壓氣機(jī)之間，效率比離心壓氣機(jī)高，但目前國外研制的斜流壓氣機(jī)流量也較小。軸流壓氣機(jī)方面，國外預(yù)研的吸附式、大小葉片單級風(fēng)扇壓比為3.0～3.5，國內(nèi)開展過單級壓比3.6的大小葉片風(fēng)扇方案研究，但對于單級壓比4.5以上的高通流、高效率風(fēng)扇，國內(nèi)外沒有公開的相關(guān)研究資料。

提高風(fēng)扇級壓比有兩條途徑：一是增大轉(zhuǎn)速，二是增大氣流轉(zhuǎn)折角。轉(zhuǎn)速的增大受風(fēng)扇本身結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及與渦輪轉(zhuǎn)速匹配的限制，且會(huì)使葉片進(jìn)口的相對馬赫數(shù)超聲，從而產(chǎn)生較大的激波損失，造成效率下降。增大氣流轉(zhuǎn)折角不受上述條件約束，但大轉(zhuǎn)折角下氣流容易分離，如何控制大轉(zhuǎn)折角下的流動(dòng)分離，是目前高壓比風(fēng)扇的一個(gè)研究熱點(diǎn)。吸附式、大小葉片、串列葉片等，都是控制流動(dòng)分離和實(shí)現(xiàn)大氣流轉(zhuǎn)角的有效結(jié)構(gòu)形式，相比之下，串列葉片的結(jié)構(gòu)更簡單，工程適用性更強(qiáng)。大幅提高風(fēng)扇級壓比，采用單一的高負(fù)荷技術(shù)手段往往難以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本文提出一種新的風(fēng)扇氣動(dòng)布局，將串列動(dòng)葉與斜流流道設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合起來，并應(yīng)用葉型新技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的高壓比設(shè)計(jì)。新氣動(dòng)布局有新特點(diǎn)，一方面，新結(jié)構(gòu)的引入，可大幅提高風(fēng)扇級壓比；另一方面，現(xiàn)有的氣動(dòng)設(shè)計(jì)、葉片造型系統(tǒng)，適合于常規(guī)結(jié)構(gòu)風(fēng)扇，而串列風(fēng)扇氣動(dòng)布局需要有全新的設(shè)計(jì)、分析方法。

2 通流設(shè)計(jì)

通流計(jì)算[1]采用基于軸對稱假設(shè)的流線曲率計(jì)算方法，端壁區(qū)域流道的變化能在設(shè)計(jì)參數(shù)中反映。設(shè)計(jì)時(shí)，需確定流道幾何參數(shù)、各級壓比、葉片出口環(huán)量、附面層堵塞系數(shù)、葉片排損失系數(shù)、葉片排稠度等參數(shù)，計(jì)算得到葉片排進(jìn)出口氣動(dòng)參數(shù)、各計(jì)算站氣動(dòng)參數(shù)及質(zhì)量平均總參數(shù)。

2.1 設(shè)計(jì)方法

二維通流設(shè)計(jì)方法的基本假設(shè)為：氣體為完全可壓縮空氣，氣流子午馬赫數(shù)不超聲，為無粘、定常、軸對稱流動(dòng)；粘性的影響用附面層造成的流通面積減少及其引起的流動(dòng)損失來考慮，靜葉排中的絕對流動(dòng)和動(dòng)葉排中的相對流動(dòng)都為定常流動(dòng)，作用在切向面上的剪切應(yīng)力忽略不計(jì)?；谝陨霞僭O(shè)，一個(gè)復(fù)雜的三元偏微分方程組計(jì)算問題，就轉(zhuǎn)化為一個(gè)沿徑向求解的常微分方程問題，葉片排就可由氣流角、經(jīng)驗(yàn)損失分布和相對厚度來模擬。應(yīng)用流線曲率法求解徑向平衡方程時(shí)，需引入子午流線的假設(shè)，逐站推進(jìn)求解，并在這一過程中逐次調(diào)整流線位置，進(jìn)行流線迭代，最終得到收斂的子午面速度場。

常規(guī)風(fēng)扇是一排動(dòng)葉、一排靜葉的結(jié)構(gòu)形式，而串列風(fēng)扇連續(xù)三排葉片都是動(dòng)葉。原有通流計(jì)算程序默認(rèn)第二排動(dòng)葉為靜葉，因而將其用于串列風(fēng)扇會(huì)出現(xiàn)參數(shù)傳遞錯(cuò)誤，需對其進(jìn)行改進(jìn)。對于串列葉片，改變原程序葉片排間參數(shù)交換方法，使上一排葉片參數(shù)不經(jīng)動(dòng)、靜葉間的轉(zhuǎn)換，直接傳遞給下一排葉片進(jìn)口站。這樣，對應(yīng)每一計(jì)算流線，串列葉片排的后一排葉片仍沿用上一排葉片的計(jì)算結(jié)果迭代求解，得到計(jì)算站各節(jié)點(diǎn)氣動(dòng)參數(shù)。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)選取

單級串列風(fēng)扇的牽引性指標(biāo)如表1所示。等熵效率、穩(wěn)定裕度及進(jìn)出口馬赫數(shù)的選取，參考了目前高負(fù)荷單級風(fēng)扇的設(shè)計(jì)值，具有一定的代表性，但壓比突破常規(guī)值較多。常規(guī)結(jié)構(gòu)單級風(fēng)扇最高壓比在2.5左右，大小葉片[2]、吸附式結(jié)構(gòu)的單級風(fēng)扇壓比在3.0左右。研究表明[3]，串列葉片壓氣機(jī)的負(fù)荷系數(shù)可達(dá)0.6左右，然而此結(jié)論是以亞聲速基元級為基礎(chǔ)，對于超、跨聲速風(fēng)扇，雖然負(fù)荷系數(shù)相同，但激波增壓原理與亞聲速有很大差異。超、跨聲速風(fēng)扇要實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷，不僅要減少風(fēng)扇根部大彎角帶來的分離損失，更重要的是要降低風(fēng)扇尖部高進(jìn)口馬赫數(shù)下的激波損失，因此高負(fù)荷、低損失的葉片設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。為探索串列風(fēng)扇的極限負(fù)荷，提出單級壓比4.5的技術(shù)指標(biāo)是因?yàn)椋阂环矫?，它是現(xiàn)有風(fēng)扇設(shè)計(jì)技術(shù)的深入、擴(kuò)展；另一方面，它可為下一步高負(fù)荷風(fēng)扇研究做一定的技術(shù)儲備。

表1 單級串列風(fēng)扇設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of single stage tandem fan

串列風(fēng)扇動(dòng)葉為雙排串列，靜葉為單排串列結(jié)構(gòu)，如圖1所示。為減小軸向長度，采用無進(jìn)口導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)形式。為彌補(bǔ)取消進(jìn)口導(dǎo)葉導(dǎo)致的風(fēng)扇根部加功能力不足問題，動(dòng)葉出口要抬高輪轂流道，出口機(jī)匣流道也要做相應(yīng)變化，變?yōu)樾绷鞯佬问剑瑫r(shí)提高風(fēng)扇根部和尖部的增壓能力?？紤]到風(fēng)扇出口與高壓壓氣機(jī)的流道匹配，對風(fēng)扇出口流道向上傾斜程度進(jìn)行了控制，使出口流道參數(shù)更為合理。

圖1 子午流道和葉片前后緣Fig.1 Meridian flow path and blade LE/TE

第一排動(dòng)葉負(fù)荷重，采用小展弦比設(shè)計(jì)，軸向弦長較寬，進(jìn)口尖部略后掠，主要是基于降低尖部基元截面法向馬赫數(shù)考慮，同時(shí)也兼顧部分強(qiáng)度、振動(dòng)子午投影設(shè)計(jì)要求。第二、第三排動(dòng)葉子午掠形為常規(guī)設(shè)計(jì)，因?yàn)榈谝慌艅?dòng)葉增壓后，后排動(dòng)葉的進(jìn)口馬赫數(shù)不高，掠形對性能的影響降低，而隨著流道的抬高，強(qiáng)度、振動(dòng)會(huì)成為設(shè)計(jì)中主要考慮因素，因此借鑒了常規(guī)掠形設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，各排動(dòng)葉軸向間隙值設(shè)置符合工程設(shè)計(jì)要求。第一排靜葉為進(jìn)口全超聲靜葉，進(jìn)口根部、尖部前掠，以降低端壁處激波、附面層干擾損失。

第一排動(dòng)葉壓比較高，而后兩排逐步降低。此載荷分配方式主要是考慮到進(jìn)口氣流總溫、總壓較低，氣體便于壓縮，因此將主要增壓任務(wù)放在了第一排動(dòng)葉。第一排動(dòng)葉進(jìn)口尖部相對馬赫數(shù)達(dá)1.7，激波增壓能力很強(qiáng)，而根部由于輪轂比小，進(jìn)口相對馬赫數(shù)低，加功能力有限，因此壓比沿葉片展向從根到尖逐漸增大。第二排動(dòng)葉進(jìn)口尖部仍為超聲速流動(dòng)，激波增壓能力較強(qiáng)，且隨著根部流道半徑的提高，加功能力增強(qiáng)，因此壓比沿葉片展向從根到尖均勻分布。第三排動(dòng)葉進(jìn)口尖部為亞聲速流動(dòng)，加功能力較前兩排葉片減弱，而根部由于流道半徑的提高，加功能力進(jìn)一步增強(qiáng)，因此壓比沿葉片展向從根到尖逐漸減小。

串列風(fēng)扇每一排動(dòng)葉的反力度都需控制，尤其是根部截面，這是由串列結(jié)構(gòu)特殊形式所決定的。常規(guī)動(dòng)葉根部的反力度可以較小，單排靜葉可承擔(dān)一定負(fù)荷。但如果串列風(fēng)扇動(dòng)葉根部的反力度都很小，那么靜葉的氣動(dòng)負(fù)荷過重，會(huì)導(dǎo)致靜葉損失過大，影響整級性能。超聲速串列靜葉結(jié)構(gòu)，兩排葉片根據(jù)各自特點(diǎn)分擔(dān)負(fù)荷。第一排葉片進(jìn)口為超聲速氣流，其作用是將超聲速氣流變?yōu)閬喡曀贇饬?。第二排葉片進(jìn)口為亞聲速氣流，可實(shí)現(xiàn)大的氣流轉(zhuǎn)折角。串列風(fēng)扇靜葉根部進(jìn)口馬赫數(shù)1.25，尖部進(jìn)口馬赫數(shù)1.0，進(jìn)氣流角達(dá)60°，即使第二排葉片根部進(jìn)口馬赫數(shù)也接近1.0，因此超聲靜葉設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。

3 葉片設(shè)計(jì)

葉片造型分為正問題[4]和反問題[5-6]，其中正問題設(shè)計(jì)技術(shù)分為基元葉型設(shè)計(jì)和三維葉片設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。下面從這兩個(gè)方面進(jìn)行高負(fù)荷葉片設(shè)計(jì)探討。

3.1 基元葉型設(shè)計(jì)

小展弦比風(fēng)扇動(dòng)葉根部和尖部進(jìn)口相對馬赫數(shù)差異很大，根部在0.6左右，而尖部可達(dá)1.7，因此無論是超聲還是亞聲基元葉型，葉型中線形狀都十分重要。針對串列風(fēng)扇進(jìn)口馬赫數(shù)高、流動(dòng)匹配難度大的特點(diǎn)，發(fā)展了一種基于非均勻有理B樣條曲線的基元葉型造型方法，通過引入8個(gè)節(jié)點(diǎn)來控制基元葉型中線生成，且節(jié)點(diǎn)疏密可調(diào)，對于葉型中線形狀的局部控制有較大優(yōu)勢。控制節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)為葉片軸向弦長百分比，縱坐標(biāo)為葉型彎角變化百分比。如圖2所示，除端點(diǎn)外的8個(gè)節(jié)點(diǎn)中，CP1(第3個(gè)節(jié)點(diǎn))和CP2(第6個(gè)節(jié)點(diǎn))將曲線分為前、中、后三段，第一段中P1與P2節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)均勻分布，P3與P4節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)將第二段曲線均分，P5與P6節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)將第三段曲線均分。進(jìn)行基元級葉型設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)需要移動(dòng)CP1和CP2的位置，以便進(jìn)行葉型中線局部調(diào)整。圖3為串列風(fēng)扇第一排動(dòng)葉根部的流場圖，利用P1、P2、CP1節(jié)點(diǎn)對葉型前緣中線形狀進(jìn)行了調(diào)整，動(dòng)葉根部前緣的彎度變化明顯。可見，新方法設(shè)計(jì)的動(dòng)葉根部截面氣流減速增壓均勻，無分離流動(dòng)，流場品質(zhì)較好，有利于葉排間流動(dòng)匹配。

圖2 NUBS控制點(diǎn)及基元葉型彎角分布Fig.2 NUBS control points and elementary airfoil camber angle distribution

圖3 動(dòng)葉根部10%葉高處的馬赫數(shù)等值線圖Fig.3 Mach number contour at 10%blade height from root

3.2 三維葉片設(shè)計(jì)

單級串列風(fēng)扇由于進(jìn)口輪轂比較小，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，要求其尖部反力度大，根部反力度小，而這種條件下，動(dòng)葉尖部和靜葉根部的減速、擴(kuò)壓程度大，負(fù)荷較重。從氣動(dòng)負(fù)荷上看，串列風(fēng)扇動(dòng)葉由三排葉片組成，每排葉片所承擔(dān)的氣動(dòng)負(fù)荷適中，雖然第一排動(dòng)葉的尖部進(jìn)口馬赫數(shù)較高，但其氣流轉(zhuǎn)角在10°以內(nèi)，設(shè)計(jì)難度并不是最高。而串列風(fēng)扇動(dòng)葉由于做功能力強(qiáng)，出口總壓高，所以串列靜葉進(jìn)口沿展向從根到尖馬赫數(shù)超聲，氣流角偏離軸向55°以上，特別是靜葉根部，反力度小，氣動(dòng)負(fù)荷最重，從而使得超聲靜葉成為整個(gè)風(fēng)扇設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。串列風(fēng)扇超聲靜葉在子午面上根部和尖部采用前掠(圖4)，基元葉片三維積疊時(shí)根部積疊線采用正彎曲(圖5)，三維弓形靜葉有助于控制徑向壓力梯度，減少根部端壁處附面層堆積，降低端部流動(dòng)損失，使從根部遷移到中部的低能流體沿展向分布更加合理。

圖4 串列靜葉三維彎掠造型Fig.4 Tandem vane 3D skewed-swept modeling

圖5 串列靜葉積疊線Fig.5 Tandem vane stacking line

4 流動(dòng)分析

常規(guī)結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇/壓氣機(jī)，可利用一維、二維計(jì)算程序?qū)ζ湫阅苓M(jìn)行預(yù)估。對于串列風(fēng)扇，程序要做相應(yīng)修改。此外，新結(jié)構(gòu)風(fēng)扇的損失、落后角沿展向的變化沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，會(huì)對性能預(yù)估產(chǎn)生很大影響。因此，串列風(fēng)扇一維、二維評估方法尚未達(dá)實(shí)用狀態(tài)，目前只能借助于三維CFD[3]手段對性能進(jìn)行初步評估。

4.1 前處理及求解條件設(shè)置

使用商用NUMECA軟件對串列風(fēng)扇流動(dòng)進(jìn)行分析。網(wǎng)格生成使用NUMECA軟件中高度自動(dòng)化的Autogrid5網(wǎng)格生成器，動(dòng)葉每排葉片單獨(dú)成塊，中間設(shè)置交界面；靜葉兩排葉片之間由于距離較近，采用兩排葉片整體分網(wǎng)的方式，葉片之間不設(shè)置交界面。動(dòng)葉采用默認(rèn)的4HO型網(wǎng)格，O型網(wǎng)格包圍整個(gè)葉片，從內(nèi)向外有17層，葉片的前、后、上、下位置都設(shè)置H型網(wǎng)格。該網(wǎng)格形式的整體網(wǎng)格質(zhì)量較高，網(wǎng)格最小正交性角度達(dá)19°。三排動(dòng)葉頂部都設(shè)置間隙，間隙高度為整個(gè)葉高的0.1%，間隙內(nèi)為蝶形網(wǎng)格。動(dòng)葉排徑向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為57個(gè)，間隙網(wǎng)格數(shù)為17個(gè)，靜葉排徑向網(wǎng)格數(shù)為41個(gè)。第一排動(dòng)葉網(wǎng)格數(shù)較多，為37萬，第二、第三排動(dòng)葉網(wǎng)格數(shù)均為34萬，兩排靜葉網(wǎng)格數(shù)為62萬，總的網(wǎng)格規(guī)模為167萬。圖6為串列風(fēng)扇計(jì)算網(wǎng)格示意圖。

圖6 串列風(fēng)扇三維網(wǎng)格示意圖Fig.6 3D grids of tandem fan

求解三維雷諾平均N-S方程，空間離散采用中心差分格式，湍流模型選取Spalart-Allmaras模型，工質(zhì)假定為理想氣體。進(jìn)口邊界(動(dòng)葉上游)給定總溫288.15 K、總壓101 325 Pa、軸向進(jìn)氣，出口邊界(靜葉出口下游)給定平均靜壓。動(dòng)靜交界選用縱排守恒型交界面，采用多重網(wǎng)格法加速收斂，使用6個(gè)CPU并行計(jì)算模式，單個(gè)狀態(tài)點(diǎn)計(jì)算步數(shù)為3 000步，逐次提高背壓計(jì)算得到單級串列風(fēng)扇特性曲線。

4.2 三維流動(dòng)分析

調(diào)整串列風(fēng)扇出口背壓，使計(jì)算狀態(tài)接近設(shè)計(jì)點(diǎn)，分別得到動(dòng)葉和靜葉吸、壓力面上相對馬赫數(shù)等值線圖。從圖7中看出：串列風(fēng)扇第一、第二排動(dòng)葉槽道內(nèi)有激波，第一排動(dòng)葉激波系是常見的λ型激波系，由一道斜激波和第一道正激波組成；從葉片前緣到斜激波是馬赫數(shù)很高的超聲速區(qū)，經(jīng)過第一道斜激波氣流馬赫數(shù)降低，但仍為超聲速，再經(jīng)過一道正激波變?yōu)閬喡曀?。在葉片頂部，斜激波和正激波連接在一起，位置靠近葉片尾緣附近。葉片沿展向從尖到根，斜激波和正激波逐漸分開，斜激波隨著半徑減小向前緣位置靠近，而正激波位置隨半徑高度變化不大。葉片頂部的激波強(qiáng)度最大，激波后有低速區(qū)，越靠近葉片根部激波強(qiáng)度越小，在離根部10%葉高處正激波基本消失；隨著半徑的減小，進(jìn)口馬赫數(shù)不斷降低，在根部前緣斜激波已變得很弱。第二排動(dòng)葉的基本結(jié)構(gòu)與第一排動(dòng)葉的類似，但進(jìn)口馬赫數(shù)降低了很多，在葉片頂部，正激波和斜激波未連接在一起，而是明顯的兩道激波。與第一排動(dòng)葉相比，第二排動(dòng)葉的正激波更靠近尾緣。第三排動(dòng)葉由于進(jìn)口為亞聲速氣流，葉片通道內(nèi)沒有激波，但葉片前緣因氣流在吸力面上加速，形成一局部超聲速區(qū)。第一排靜葉進(jìn)口從根部到尖部都是超聲速氣流，在葉片通道內(nèi)形成一道貫穿激波。從第一排靜葉壓力面上流動(dòng)看，正激波強(qiáng)度較大，從大半徑到小半徑處強(qiáng)度逐漸增加；靠近葉片壁面附近，激波后出現(xiàn)大面積低速區(qū)；上下端壁附近，由于激波、附面層干擾形成了分離區(qū)，第二排靜葉吸力面上流動(dòng)正常。

從圖8中可以看出：第一排動(dòng)葉壓力面中部，有一道明顯的垂直于軸線的正激波；從1/2葉高向上的區(qū)域，隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大，激波強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；距葉片頂部1/3的區(qū)域，激波后產(chǎn)生了低速分離區(qū)，之后氣流速度又恢復(fù)正常。第二排動(dòng)葉通道內(nèi)正激波的位置與第一排基本相同，但由于第二排動(dòng)葉的進(jìn)口馬赫數(shù)較低，正激波強(qiáng)度較弱，靠近葉片頂部位置，只占整個(gè)葉高的1/4，激波后沒有低速分離區(qū)。第三排動(dòng)葉壓力面上沒有形成激波，只有葉片前緣出現(xiàn)局部超聲速流。由于串列靜葉進(jìn)口為全超聲速流，第一排靜葉吸力面上形成兩道激波，第一道激波較弱，第二道激波很強(qiáng)，并貫穿整個(gè)通道，從高半徑到低半徑處，進(jìn)口馬赫數(shù)逐漸增大，激波強(qiáng)度也逐漸增加，激波后低速分離區(qū)越來越顯著。由于第一排靜葉根部激波后低速流動(dòng)的影響，第二排靜葉根部在距前緣1/3軸向弦長處開始分離，到出口位置分離區(qū)已擴(kuò)展到1/3葉高。

圖7 動(dòng)葉吸力面靜葉壓力面馬赫數(shù)圖Fig.7 Mach number of blade suction surface&vane pressure surface

圖8 動(dòng)葉壓力面靜葉吸力面馬赫數(shù)圖Fig.8 Mach number of blade pressure surface&vane suction surface

圖9為串列風(fēng)扇根部10%葉高處的葉片表面靜壓圖，其中M表示風(fēng)扇沿流線方向的長度坐標(biāo)?？梢姡谝慌艅?dòng)葉根部進(jìn)口為正攻角，壓力面上，靜壓沿軸向變化較小，在尾緣處略有升高；而吸力面上，第一道斜激波后，靜壓有所上升，之后氣流繼續(xù)加速，靜壓降低，在尾緣處逐漸升高，形成“花生型”分布。第二排動(dòng)葉進(jìn)口為較大的正攻角，壓力面上，氣流在1/2軸向弦長處有一定的加速流動(dòng)，靜壓下降，在尾緣處逐漸恢復(fù)；而吸力面上，超聲速氣流引起靜壓有一定下降，壓縮波之后靜壓有所上升，在靠近尾緣附近，受激波后低速區(qū)影響，靜壓上升。第一排靜葉吸力面上有兩道激波，第二道激波貫穿葉根通道，對壓力面也產(chǎn)生了影響，激波后靜壓都有大幅升高。第二排靜葉壓力面上靜壓變化不大，吸力面上氣流逐漸減速、增壓。

圖10為串列風(fēng)扇尖部90%葉高處的葉片表面靜壓圖?？梢姡谝慌艅?dòng)葉進(jìn)口為小的正攻角，前緣部分靜壓變化不大；壓力面上在1/2軸線弦長后，由于正激波影響，氣流速度急劇減小，靜壓大幅上升，隨后氣流速度逐漸恢復(fù)，靜壓降低；吸力面上靠近尾緣位置，受激波影響，靜壓在激波后迅速上升。第二排動(dòng)葉進(jìn)口為負(fù)攻角，葉片吸力面上有兩道激波，第二道正激波較強(qiáng)，貫穿整個(gè)尖部通道，影響到壓力面上，激波后靜壓迅速上升。第三排動(dòng)葉進(jìn)口為大的正攻角，吸力面和壓力面上的氣流都是減速、增壓，但吸力面上的逆壓梯度更高。第一排靜葉有一道正激波，強(qiáng)度較大，吸力面上，氣流在前緣略有加速，激波后吸力面和壓力面上的靜壓都迅速上升。第二排靜葉進(jìn)口呈大的正攻角，由于根部分離，壓力面上的流速有所增大，靜壓在尾緣處有一定降低，吸力面上減速增壓幅度有限。

圖9 串列風(fēng)扇10%葉高靜壓圖Fig.9 Static pressure of tandem fan at 10%blade height

圖10 串列風(fēng)扇90%葉高靜壓圖Fig.10 Static pressure of tandem fan at 90%blade height

圖11為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下串列風(fēng)扇的流量-壓比特性?？梢姡酗L(fēng)扇的壓比已達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)4.5，且有一定壓比裕度，最高壓比達(dá)4.8。串列風(fēng)扇的流量變化較小，在高壓比設(shè)計(jì)要求下，第一、第二排動(dòng)葉及第一排靜葉通道中都有激波存在，尤其是靜葉中，激波貫穿整個(gè)通道，導(dǎo)致風(fēng)扇流動(dòng)都處于堵塞狀態(tài)，當(dāng)出口背壓升高時(shí)，上游流動(dòng)參數(shù)不受影響，因此特性線較直。從穩(wěn)定裕度上看，由于流量裕度偏小，導(dǎo)致串列風(fēng)扇的整體裕度離設(shè)計(jì)目標(biāo)還有一定差距。圖12為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下串列風(fēng)扇的流量-效率特性?？梢?，設(shè)計(jì)點(diǎn)效率在0.82左右，最高效率點(diǎn)接近0.86。前文的三維流動(dòng)分析顯示，串列風(fēng)扇有三排葉片中存在激波，其中第一排動(dòng)葉和第一排靜葉通道內(nèi)的激波強(qiáng)度高，激波損失大，靜葉通道內(nèi)的全葉高激波還在端壁處引起不小損失，雖然采用了先進(jìn)的葉型設(shè)計(jì)方法及三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)，但全超聲靜葉的損失控制難度很大，影響了串列風(fēng)扇整體氣動(dòng)性能。

圖11 串列風(fēng)扇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速流量-壓比特性Fig.11 Total pressure ratio of tandem fan at design speed

圖12 串列風(fēng)扇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速流量-效率特性Fig.12 Adiabatic efficiency of tandem fan at design speed

5 結(jié)論

深入研究國內(nèi)外高壓比、高負(fù)荷風(fēng)扇技術(shù)，提出了一種新型雙排串列、斜流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)新風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，發(fā)展了串列風(fēng)扇通流設(shè)計(jì)方法及基于非均勻有理B樣條葉型中線生成方法。利用發(fā)展的新氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成了串列風(fēng)扇設(shè)計(jì)，并采用三維CFD軟件對其進(jìn)行了模擬分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)串列風(fēng)扇通流計(jì)算方法以常規(guī)結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)的通流方法為基礎(chǔ)，針對串列風(fēng)扇結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適應(yīng)性修改，通過優(yōu)化程序模塊，提高了數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性。經(jīng)三維流動(dòng)分析，設(shè)計(jì)程序精度得到校核，二維通流設(shè)計(jì)程序的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。

(2)基于非均勻有理B樣條中線的基元葉型設(shè)計(jì)方法，在串列風(fēng)扇動(dòng)葉和靜葉設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。通過任意選定8個(gè)節(jié)點(diǎn)來控制中線形狀的方式十分靈活，滿足高負(fù)荷葉型載荷優(yōu)化要求，為葉型局部載荷控制提供了有利工具，對串列風(fēng)扇動(dòng)葉尖部和靜葉根部葉型設(shè)計(jì)起到了重要作用。三維數(shù)值模擬結(jié)果顯示，采用新方法設(shè)計(jì)的葉片有效降低了流動(dòng)損失，提高了級間流動(dòng)匹配，具有良好的應(yīng)用前景。

(3)超聲速靜葉設(shè)計(jì)技術(shù)是單級高壓比串列風(fēng)扇的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，超聲速靜葉設(shè)計(jì)是否成功直接決定串列風(fēng)扇的整體性能。三維數(shù)值模擬結(jié)果顯示，基于非均勻有理B樣條中線的基元葉型設(shè)計(jì)方法結(jié)合三維“彎”“掠”設(shè)計(jì)技術(shù)，降低了超聲速靜葉的損失，優(yōu)化了動(dòng)、靜葉之間及串列葉片排之間的流動(dòng)匹配，使串列風(fēng)扇保持了良好的氣動(dòng)性能。

(4)對于壓比4.5的單級風(fēng)扇，技術(shù)難度大，無可借鑒工程經(jīng)驗(yàn)，本文通過通流、葉型方法研究，氣動(dòng)方案設(shè)計(jì)及三維數(shù)值模擬分析，深入論證了雙排串列、斜流風(fēng)扇這種新結(jié)構(gòu)的可行性。目前，串列風(fēng)扇性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，后期若能開展深入研究，其性能還有很大提升空間。上述結(jié)果表明，串列風(fēng)扇方案可行性較好，已形成階段性成果，為開展后續(xù)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1]周拜豪，尹紅順，蘇廷銘.高性能前掠三級軸流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2008，21(2)：1—7.

[2]陳矛章.風(fēng)扇/壓氣機(jī)技術(shù)發(fā)展和對今后工作的建議[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2002，17(1)：1—15.

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[5]曹志鵬，蘭發(fā)祥，夏天.高負(fù)荷風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片反問題設(shè)計(jì)[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2012，25(2)：1—6.

[6]曹志鵬，尹紅順，夏天，等.高負(fù)荷風(fēng)扇級環(huán)境下葉片反問題設(shè)計(jì)[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2012，25(3)：1—6.

Aerodynamic Design of High Pressure Ratio Tandem Fan

YIN Hong-shun，ZHOU Bai-hao，YU Hua-wei，CAO Zhi-peng
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

A new type of double row tandem oblique flow fan was proposed to increase the single stage fan pressure ratio.The tandem fan through-flow design method and blade camber line generation method based on the non-uniform B spline were developed.Adopting the new characteristic of tandem fan aerodynamic layout,the design and analysis of tandem fan aerodynamic layout,and the flow matching investigation of high loading tandem blade row were carried out.The supersonic tandem stator was designed successfully by applying the three-dimensional blade design.The numerical simulation indicated that the flow matching of tandem fan blade was fine,the flow deviation after the shock wave was controlled effectively,and the good performance of tandem fan was kept at the high loading conditions.

high pressure ratio fan；double row tandem；through-flow design；supersonic tandem stator；numerical simulation

V231.3

：A

：1672-2620(2014)06-0001-07

2014-07-15；

：2014-12-15

航空基金(2013ZB24005，2011ZB24002)

尹紅順(1961-)，男，湖北黃石人，研究員，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)研制工作。