吸力面附面層抽吸對大轉角擴壓葉柵氣動性能影響

陸華偉，張永超，康 達，闞曉旭

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

高性能航空發(fā)動機不斷向著高推重比、高效率和低油耗方向發(fā)展，這對壓氣機各部件性能提出了更高的要求，如何提高壓氣機壓比、效率與穩(wěn)定性是制約其發(fā)展的瓶頸。尤其在高負荷擴壓葉柵流道內加劇的二次流引起的三維角區(qū)分離嚴重堵塞流道并產(chǎn)生摻混損失，在大沖角來流條件或來流畸變條件下，極易引發(fā)角區(qū)失速甚至壓氣機喘振現(xiàn)象。因此對角區(qū)分離及失速現(xiàn)象的有效控制是實現(xiàn)高性能壓氣機的關鍵［1－3］。

自MIT 的Jack Kerrebrock［4］提出吸附式壓氣機概念以來，附面層抽吸技術在壓氣機/風扇中得到廣泛應用。通過在發(fā)生分離的葉片表面及端壁位置進行抽吸，消除或減輕附面層的分離，使得壓氣機級的做功能力達到常規(guī)級的2 倍［5］。美國NASA Gleen中心與MIT 合作對吸附式壓氣機/風扇進行了試驗，結果表明附面層抽吸可以降低損失，提高壓氣機壓比及效率［6－7］。Cartery 等人則對69°轉角的平面葉柵進行了附面層抽吸研究，發(fā)現(xiàn)附面層吸除后可以大幅降低葉柵損失，改善流動特性［8］。Gmelin［9］和Lemke 等人［10］以及Liesner 等人［11］通過實驗與數(shù)值研究了端壁抽吸效應，研究發(fā)現(xiàn)端壁開槽位置的確定對二次流的控制有顯著影響。西北工業(yè)大學黃建、劉波［12］等人通過數(shù)值方法探究了附面層抽吸對某高負荷跨音風扇轉子性能的影響，結果表明激波后不同位置吸氣對轉子壓比和效率有不同程度的提升，尤其在近失速點附近影響較大。王松濤［13－14］等人則提出了低反動度高負荷吸附式軸流壓氣機設計思想，成功削弱了動葉附面層的分離。郭爽［15］等人實驗研究了附面層抽吸對高負荷擴壓葉柵性能的影響，并探究了不同吸氣位置對流道損失的影響機制。

圖1 葉型幾何及氣動參數(shù)定義

為討論附面層抽吸技術在高負荷壓氣機葉柵中的應用效果，針對折轉角為60°的NACA65 －010 葉型進行附面層抽吸研究，通過數(shù)值及實驗方法探索附面層抽吸技術在高負荷平面葉柵中的應用機理。

1 葉型參數(shù)定義

葉型選用彎角為60°的NACA65 －010 葉型，葉型幾何及氣動參數(shù)定義方式如圖1 所示，具體參數(shù)列于表1。抽吸內腔與葉片表面厚度為2 mm，開槽方式為沿吸力面展向開槽，槽寬2 mm，開槽位置分別為距前緣40%、50%、60%和70%軸向弦長，分別以SS1、SS2、SS3 和SS4 表示，如圖2 所示，此外原型以ORI 表示。

表1 葉型幾何及氣動參數(shù)

圖2 葉柵開槽位置示意圖

圖3 網(wǎng)格示意圖

2 CFD 設定

網(wǎng)格選用ICEM CFD 劃分H －O －H 型結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)105 萬，近壁面y+＜5，葉片表面建立O 型網(wǎng)格，并對前緣、尾緣及抽吸槽進行局部加密，如圖3 所示。求解器選用ANSYS CFX，湍流模型為標準k－ε 模型。計算域進口邊界條件設定來流總壓、總溫、入射角、湍流特征長度及湍流強度，出口設定靜壓值。葉片表面及上下端壁設定無滑移絕熱條件，節(jié)距方向設周期性邊界條件，網(wǎng)格上、下邊界設定對稱條件，抽吸槽出口設定流量出口。

圖4 數(shù)值校核

3 數(shù)值結果校核

為校核數(shù)值計算結果的可靠性，對原型計算結果進行了實驗校核，校核實驗是在大連海事大學低速矩形風洞進行的，實驗用五孔探針測量了出口截面流場。圖4 所示為葉柵出口總壓損失的實驗及數(shù)值計算結果。比較發(fā)現(xiàn)，實驗與數(shù)值計算結果吻合較好，尾跡高損區(qū)及渦系位置基本對應，實驗因中部布點不足測得損失值偏小，由此可知數(shù)值方法具有較高可信度。

圖5 吸力面極限流線

圖6 型面靜壓系數(shù)

4 計算結果及結果分析

4．1 壁面流譜分析

壁面流譜可以表征近壁面附面層流體流動狀態(tài)，然而近壁面位置流體速度很低幾乎為零，此時以壁面摩擦力線可以代替壁面流線，本文即采用該方法研究近壁面流動狀況。圖5 所示為吸力面壁面極限流線。觀察圖中原型(ORI)可以發(fā)現(xiàn)，由于葉型彎角大，二次流相應增強，角區(qū)分離線起始于端部延伸至近中徑位置處形成大尺度分離，在吸力面上螺旋結點發(fā)展成為集中脫落渦，嚴重阻塞流場。由此可知由于葉型彎角大，附面層厚度在流道中占的比例較大，在橫向與逆向壓力梯度作用下，附面層分離嚴重，造成流動損失。附面層抽吸后(抽吸流量為來流1．0%)，流場改善明顯，表現(xiàn)為角區(qū)分離結構發(fā)生變化，螺旋結點代表的閉式分離結構趨于開式轉化，角區(qū)流動好轉，中徑流通域相應增大。不同抽吸位置比較發(fā)現(xiàn)SS2、SS3 抽吸效果較好，抽吸導致角區(qū)分離起點向尾緣方向移動，而SS1 和SS4 位置處抽吸效果相比差一些。

圖7 出口總壓損失云圖

圖8 展向分布流量平均總壓損失系數(shù)

圖9 展向分布節(jié)距平均出口落后角

4．2 型面載荷分析

為探究抽吸對葉柵擴壓能力的提升作用，本文研究了抽吸前后型面載荷分布，以靜壓系數(shù)表示。定義靜壓系數(shù)ω =(p －pin)/pv0，in，其中p 為測點靜壓，pin為進口靜壓值，pv0，in為進口動壓。靜壓系數(shù)曲線包絡的面積即型面加載能力，如圖6 所示即不同展向位置處靜壓系數(shù)曲線。由于吸力面近尾緣處附面層分離嚴重，12．5%h 和25%h 處加載能力降低，抽吸的“拉拽”作用有效的抑制了附面層的分離，提升了吸力面加載能力，表現(xiàn)在抽吸位置之前吸力面靜壓系數(shù)降低。50%葉高流動較好，型面加載能力強于其他位置。不同抽吸位置比較發(fā)現(xiàn)，60%b 位置抽吸對型面加載能力提升最為明顯，通過吸除來流的低能流體，抑制角區(qū)分離，增強了附壁流特性，該結果與圖5 中壁面流線分析結果可以很好吻合。

4．3 出口流場分析

葉柵出口流場不僅可以反映葉柵中流動狀態(tài)，而且可以直接決定下一級進氣，出口流場的均勻度是保證壓氣機穩(wěn)定工作的重要條件之一。圖7 所示為葉柵出口總壓損失云圖，圖中原型葉柵(ORI)存在明顯高損區(qū)域，表明吸力面角區(qū)存在大尺度分離，通道渦和角區(qū)自由渦是流道損失的源頭，低能流體的積聚嚴重堵塞流場，尾跡區(qū)損失增大。由圖可知，通過附面層抽吸后，吸力面角區(qū)低能流體動能提升，抗逆壓能力增加，附著渦層的通流能力增強，角區(qū)高損核心顯著減小。而不同抽吸位置間比較發(fā)現(xiàn)，SS4位置處抽吸效果較差，由于該位置附面層已經(jīng)分離，抽吸只能將附面層流體“拉向”吸力面，不能從根本上抑制分離。SS3 位置抽吸效果最佳，不僅吸除了來流低能流體，而且位于分離起始位置很好的抑制了分離的形成。相比之下，SS1 與SS2 處抽吸位置位于分離線之前，盡管移除了來流低能附面層流體但是新生附面層脫落依然構成了尾跡損失組分。

總壓損失云圖可以定性表明損失的分布，但不能定量表明損失的大小，而展向分布總壓損失系數(shù)則可以清楚指明損失的大小及所在位置，如圖8 所示，對于控制損失大有幫助。由于通道渦及脫落渦對低能流體的卷繞導致端壁至25%葉高位置損失值較大，最大損失系數(shù)值達30%，中徑處流動較好，損失系數(shù)在5%左右。吸力面低能附面層流體的吸除，均從一定程度上降低了出口損失，但由于端壁位置處抽吸作用影響小使得該處損失依然很大，而中徑處流動進一步改善，損失減小至2．5%左右。然而70%b 位置位于分離區(qū)內，該處抽吸不能從本質上移除附面層流體，角區(qū)低能流體吸除減小了角隅區(qū)損失，但中徑處新生附面層的補充發(fā)展使其效果不佳。

為進一步探討出口氣流場的均勻程度，圖9 給出展向分布節(jié)距平均出口落后角，定義落后角δ 為幾何出氣角與實際出氣角之差。從圖可見，通道渦對附面層流體的搬運作用使得端壁位置出現(xiàn)局部過偏現(xiàn)象，其它葉高處氣流均處于欠偏轉，15%葉高處由于通道渦與脫落渦作用導致欠偏角最大為27°，表明吸力面附面層過早發(fā)生分離成為自由渦層，勢必降低級效率。附面層吸除后均不同程度增加了氣流在葉柵內的折轉能力，出口落后角減小，尤其是中徑位置，氣流向吸力面靠近，這在多級壓氣機中有利于改善下游葉柵沖角，級間匹配更為容易。

4．4 旋渦結構分析

圖10 截面顯示旋渦結構

葉輪機械中三維復雜渦系結構有力地組織著整個流場，旋渦的結構形態(tài)及發(fā)展過程可以反映整個流場的信息。圖10 所示為截面顯示的原型(ORI)及附面層抽吸的流道旋渦結構，我們可以發(fā)現(xiàn)，葉柵流道內主要存在有通道渦、集中脫落渦及尾緣脫落渦等結構，通道渦形成較早，于2．0%b 渦核已經(jīng)形成，在向尾緣發(fā)展過程中尺度增大，渦核逐漸向吸力面移動并略有抬升，對端壁附面層流體起到“搬運”作用，在尾跡中形成近端壁高損區(qū)。集中脫落渦則于8．0%b 位置初步形成，形成于吸力面尾緣附近，流出流道后與尾緣脫落渦面相互作用共同構成另一高損區(qū)域。吸力面來流附面層的吸除，抑制了集中脫落渦的形成，集中脫落渦退化為結點形式，同時低能流體的減少部分削弱了通道渦的尺度，通道渦引起的損失有所降低。又由于SS3 位于分離線起始結點，附面層抽吸后增大了角區(qū)附面層動能，抑制了角區(qū)分離結構的形成，降低了流道損失。而SS2 位置抽吸只能延緩集中脫落渦的生成位置，流道出口依然存在強度較弱的脫落渦面，引發(fā)部分損失，相比之下，SS4 位置抽吸結果使得脫落渦面向吸力面方向靠攏，但不能徹底抑制脫落渦面導致的尾跡損失。

4．5 抽吸流量分析

不同抽吸位置比較發(fā)現(xiàn)，分離起始位置處即60%b 位置抽吸效果優(yōu)于其他幾種方案，針對該抽吸位置，初步探究了抽吸流量對葉柵損失的抑制效果，以出口總壓損失值表征，抽吸流量分別為來流的1．0%、2．0%、3．0%、4．0%和5．0%，結果見表2，比較發(fā)現(xiàn)，在該抽吸位置隨著抽吸流量的增加損失逐步降低，但降低的幅度逐漸減小，因此合適的抽吸位置處很少的抽吸流量就可以使得損失降低很多。

表2 不同抽吸流量總壓損失值

5 結論

本文通過對大折轉角擴壓葉柵進行附面層抽吸的實驗及數(shù)值研究，得出結論如下:

(1)由于葉型彎角大，端壁橫向壓力梯度作用較強，葉型損失主要表現(xiàn)為角區(qū)分離，分離的同時有集中脫落渦、尾緣脫落渦生成，并逐步發(fā)展，與通道渦作用形成尾跡區(qū)損失。

(2)吸力面附面層吸除可以有效降低葉柵損失，角區(qū)低能流體移除減小了角區(qū)分離尺度，葉型整體損失值下降，流動狀況得到明顯改善。

(3)不同抽吸位置比較發(fā)現(xiàn)在分離起始位置抽吸效果優(yōu)于其他方案，該位置不僅吸除了來流附面層而且破壞了分離結構，出口流場趨于均勻。而分離線之前抽吸只能吸除來流附面層，不能抑制新生附面層的堆積，同樣的分離線之后抽吸則由于分離已經(jīng)發(fā)生，不能從本質上減小分離損失。

(4)同一抽吸位置下，隨著抽吸流量的增加，損失逐步降低，整體流動好轉，但是隨抽吸流量增加損失降低幅度減小。

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