葉片表面減阻織構設計綜述

南京航空航天大學機電學院 張 臣 史桂林

透平機械在航空、航天、能源、交通、化工和石油等領域具有廣泛的應用。葉片是航空發(fā)動機、燃氣輪機、風機等透平機械的關鍵零件，其氣動減阻性能直接影響這類產品的工作性能。為了提高葉片的氣動減阻性能，國內外專家學者對葉片的優(yōu)化設計方面作了大量的研究工作，從葉片結構優(yōu)化、葉片表面織構設計等方面進行了大量的探索，試圖從設計源頭改善透平機械的氣動減阻性能。根據理論推算，將航行器阻力減少10%，在能源和航速不變的條件下，航程可以增加11.1%[1]；同時，計算表明，如果摩擦阻力下降 30%，則航行體燃油消耗可降低 50%左右[2]。在各種減阻技術中，利用微納制造技術制備的仿生微結構表面有突出的減阻效果，這種具有仿生微納織構的設計可應用于航空發(fā)動機葉片等需要減阻的領域中，通過特殊的表面織構獲得減阻等特殊功能和性能，提高產品的功能和性能[3]。表面微織構往往具有更小的摩擦阻力，進行合理的微織構設計可以實現顯著的減阻降磨效果。本文從葉片結構優(yōu)化與葉片表面織構方面分析了減阻設計技術的研究現狀，討論了仿生減阻織構及其在民用透平機械中葉片表面設計的織構減阻機理；針對廣泛應用

的典型脊狀表面織構，分析了脊狀表面織構的設計、試驗驗證和數值模擬方法，探討了航空發(fā)動機葉片表面應用減阻織構設計的可行性，并分析了微織構加工的研究現狀及采用超聲橢圓振動輔助葉片銑削和微織構加工的方法。

葉片減阻設計

葉片減阻設計主要包括葉片結構優(yōu)化減阻和葉片表面織構減阻設計。葉片結構優(yōu)化減阻主要是通過優(yōu)化葉片結構獲得較優(yōu)的氣動減阻性能，葉片表面織構減阻則通過在光滑的葉片表面加工微觀織構增加葉片的氣動減阻性能。下面分別從上述兩個方面簡述葉片減阻設計的研究現狀。

1 葉片結構優(yōu)化減阻設計

葉片作為透平機械的重要部件，在民用的燃氣輪機、風機以及航空發(fā)動機中具有廣泛的應用，其氣動外形特征對熱能利用效率的高低有很大影響，因而葉片的氣動外形的優(yōu)化在透平機械設計與制造中占有相當重要的地位[4]。文獻[5]對葉片優(yōu)化設計方法進行了探索，氣動模型采用片條理論計算葉片的氣動性能，優(yōu)化算法選用精度高、收斂快的遺傳算法，建立優(yōu)化目標后能夠較快地獲取葉片的最優(yōu)氣動布局。通常葉片設計中首先考慮的就是動能利用系數CP值的大小，它是動力輸出與輸入的比值，其大小決定了熱能轉換動能的能力。所以葉片優(yōu)化的指導思想，就是以得到最大的CP值為目標，再計算相對應的弦長C和扭角θ。由理論推導公式得知，葉片各個截面的扭角θ和弦長C與葉尖損失系數F和干擾因子a、b有關聯(lián)。一般葉片結構優(yōu)化采用的方法主要有：基于氣動外形參數的優(yōu)化方法、基于傳統(tǒng)Wilson的優(yōu)化方法和基于遺傳算法的優(yōu)化方法。

基于氣動外形參數的優(yōu)化方法主要從葉尖速比λ0、速度比λ、翼型選取和升阻比等參數方面對葉片結構進行優(yōu)化。通常情況下，用這種優(yōu)化方法設計出的葉片若是在額定狀況下運行，其出力效果好，而且阻力比較小，從而可以選取與最佳升阻比CL/CD和雷諾數Re相近的攻角以及升阻系數CL和CD。但是通常的設計中首先會選定一個攻角α，忽略雷諾數對翼型氣動性能的影響，在一定程度上化繁為簡，減少計算量，同樣可以達到預定的精度要求[6-10]。

Wilson理論在國內是一種比較常用的設計方法，該方法在Glauert理論基礎上做了一些改進，添加了非設計工況下葉片性能的研究方法。在Glauert理論基礎上，應用葉尖損失因子F，在動量方程中對推力修正，從而可以得出葉尖損失對切向和軸向速度誘導因子的影響。在諸多對葉片進行設計的傳統(tǒng)方法中，Wilson方法應用最為廣泛，該方法所設計的葉片在各個葉片截面能獲得較大的功率系數，曾被一度認為是最佳的葉片設計方法。然而這種設計方法也有一定的局限性，忽略了一些重要問題。首先，它是以翼型升阻比最大處選取的攻角為設計攻角，實際葉片的最佳設計攻角并不是該對應翼型最大升阻比下的攻角，并且攻角確定后就無法改變，這樣就不能通過葉片失速來限制航空發(fā)動機的功率。其次，Wilson方法在設計過程中不考慮翼型阻力，這樣與葉片的實際運行情況不符，使得設計結果偏離最優(yōu)值。最后，該方法并沒有約束各截面之間的關系，設計出的弦長和扭角變化過大，需要進行再修正，往往修正后葉片已偏離設計最優(yōu)點，難以控制其設計效果。為此，文獻[6]針對上述傳統(tǒng)設計中存在的不足，綜合考慮葉片各個截面翼型的氣動特性，結合Wilson理論和遺傳算法，采用基于MATLAB的遺傳算法工具箱，以風能利用系數最大為目標，對風機葉片弦長C和扭角θ等參數進行最優(yōu)搜索，即以Wilson理論為基礎對葉片進行初步設計，再利用遺傳算法對其進行優(yōu)化再設計。

2 葉片表面織構減阻設計

在追求科技進步的過程中，人們往往通過大自然獲得靈感，并取得了理想的效果。生物經過億萬年的進化，形成了適應自身環(huán)境的體表結構。許多動物的體表呈現棱紋形、凸包形和凹坑形等形態(tài)，而且這些凸、凹不平的體表結構具有很強的防粘降阻功能，這便為仿生非光滑表面在各個領域的應用提供了可能性。在水中游動的魚類或在空氣中飛行的鳥類具有低阻力和低噪聲特性，研究發(fā)現，這種特性與體表的形態(tài)密切相關，由此衍生出了針對氣動減阻的仿生表面織構設計方法。1978年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的Walsh首先對非光滑表面湍流減阻技術展開了研究[11-13]。在隨后的幾十年里，國內外多名學者都對湍流減阻技術進行了廣泛研究，并得到了豐碩成果，如旋成體仿生非光滑表面減阻和仿生機翼減阻等，其中許多成果已在船舶、航空及軍事等領域得到了應用[14-17]。

張學鵬[18]基于流體生物柔軟體表的低阻低噪特性，通過風洞試驗探索了仿生柔性表面的減阻降噪性能，并針對電子器件冷卻風扇葉片表面減阻降噪試驗進行研究。近年來，應用仿生技術改善風機氣動性能成為最有效的途徑之一[19]。華欣[20]運用仿生思想，從形態(tài)和結構等因素著手，對海鷗翅翼氣動性能進行了分析，將海鷗翅翼的優(yōu)良翼型與構型和風力機葉片的設計相結合，設計出仿生葉片，驗證了仿生葉片的氣動性能較標準葉片的氣動性能有所提高。劉慶萍[21]依據某些生物體表非光滑結構，對軸流風機葉片進行表面仿生改形，在葉片表面或邊緣設置凸包形、條紋形或鋸齒形的表面微觀織構，進行葉片減阻降噪的研究，試驗驗證了葉片表面微織構的制造可以有效達到降低風機噪聲的效果。表面微織構溝槽減阻降噪有很好的可靠性和應用性，國外已將研究拓展到工程實用階段。在NACA0012 翼型、CAST7 翼型、ADA-S1 翼型等機翼表面部分區(qū)域布置溝槽面，在不同馬赫數和攻角范圍內得到了6%～16%的減阻效果。

表面織構減阻機理分析

1 仿生織構減阻及其機理

經過長期進化，自然界中很多生物表面獲得了如減阻、強黏附、抗磨等功能，而這些功能主要來自于其表面特殊的微納幾何結構和材料，生物體表微觀尺度和納觀尺度的復合粗糙形態(tài)將進一步增強減阻、強黏附、抗磨等功能，并可應用于常規(guī)機械加工表面中發(fā)揮特殊的功能。通過這些附加的不同形貌、不同尺度、不同維數的織構影響表面的功能和性能，將具備低阻力性能的典型生物的體表形態(tài)特征應用到實際工程上，使實際工程應用具有類似的減阻特性。

鯊魚是海洋中游泳速度最快的生物之一，皮膚表面沒有附著任何海洋生物，擁有極佳的減阻能力。掃描電鏡觀察表明，鯊魚表皮排布著一層細小的盾鱗，鱗片為規(guī)則的齒狀，中間齒長，兩邊齒短，齒尖均朝向鯊魚尾部方向，相鄰鱗片之間有重疊部位，鱗片排列緊致，如圖1 所示[22]。德國科學家Ball[23]通過研究發(fā)現，鱗片上存在溝槽形形貌，也被稱作肋條樣表面，具有典型的冠狀結構，其幾何單元可簡化為由肋條和溝槽構成，肋條呈V 形，溝槽則呈U形。DEAN等[24]基于鯊魚表皮微結構制備出相應的仿生溝槽結構，被證實可以減小接近10%的摩擦阻力。WALSH 和WEINSTEIN等人[25]早期研究已經證實，在湍流狀態(tài)下，順流向的溝槽表面對降低水流阻力具有重要作用，它會優(yōu)化鯊魚游動時皮膚表面紊流邊界層中原有的結構和速度分布，抑制并延緩湍流的發(fā)生，變湍流流動為層流流動。

圖1 鯊魚表皮的微觀結構

楊弘煒等[26]仿生中華鱘表皮的凹坑結構，設計了一種具有菱形排列的凹坑點陣織構，通過風洞試驗測得的減阻率為22%。田麗梅[27]在旋成體表面分別設計了凹坑織構、凸包織構和棱紋織構，然后進行風洞試驗，測得的減阻率為11.12%。座頭鯨頭部和鰭狀肢上都分布有一層凸包結構，可以改善周圍流體的流動特性，減小阻力。SIROVICH等[28]試驗后發(fā)現，隨機凸起織構的阻力系數比光滑表面要低10%。BECHERT等[29]設計了4種類型的溝槽表面在油洞中進行高精度測試，通過比較發(fā)現V形溝槽減阻效果最好，最大能減阻10%。BEANNAN等[30]在圓柱體表面布置一層凹坑織構，在雷諾數為40000～300000范圍內進行阻力試驗，發(fā)現當凹坑直徑為圓坑直徑的0.009 倍時具有減阻效果。Lim等[31]對表面鋪設了一層凹環(huán)表面織構的圓柱體并進行了風洞試驗，獲得了9%的減阻效果。

直到20世紀60年代中期，人們普遍的認知是，物體表面越光滑，受到的摩擦阻力越小。減小表面摩擦的途徑，就是減小表面粗糙度。但是后來大量的試驗證明，這種理論只適用于物體的低速運動，當物體處于高速運動時，物體表面的湍流邊界層中紊亂的壓力和速度分布會增大流體與表面之間的摩擦阻力，這并不符合表面越光滑，阻力越小的理論[22]。理論與實際中的研究發(fā)現都證明，非光滑表面對減阻具有一定的作用，織構表面的減阻機理在于通過表面結構的改變來破壞流場中的湍流渦結構，干擾湍流大渦的形成，抑制湍流發(fā)生，以達到減少能量耗散和摩擦阻力的目的。通過將非光滑表面的織構布置于航空發(fā)動機葉片翼型表面，以此來減少流體在葉片表面的摩擦損失，同時控制流體的湍流、減小流體在葉輪流道內產生的能量損耗，可以提高葉片的減阻效果，提升航空發(fā)動機整體氣動減阻性能。為了提高葉片實際運行性能，除了對其內部結構進行改型優(yōu)化外，尋求一種利用織構減阻技術減小葉片流動損失，提高葉片氣動性能的方法對實現節(jié)能減排具有重要意義。目前能用于葉片表面的典型仿生織構包括：脊狀表面織構、菱形排列的凹坑點陣織構、凸包表面織構等，脊狀表面織構根據肋條和溝槽的形式又分為不同種類。

2 脊狀表面減阻織構分析與設計

脊狀表面織構是目前在減阻領域應用較多、效果較明顯的一種非光滑表面，早期的脊狀表面減阻研究多使用試驗方法，對不同雷諾數下和不同形狀的脊狀表面的減阻情況進行測量和研究[32-33]。 1984 年，WALSH[34]及其團隊對不同形狀的平板表面溝槽的脊狀表面減阻特性進行了深入研究，研究表明三角形截面的鋸齒形溝槽（即V 形溝槽）有最佳減阻效果，溝槽截面形狀和尺寸如圖2 所示，并且證實其高度h和間距s的無量綱尺寸h+≤25、s+≤30有溝槽減阻特性，當s+=h+=15時，減阻效果最佳，減阻量約為8%。

圖2 溝槽截面形狀

隨后的幾十年里，國內外學者對溝槽減阻技術進行了廣泛的研究，研究對象也由早期的平板表面擴展到了旋成體、彎曲表面和圓截面管道等，并得到了豐碩的研究成果。張成春[15]等通過風洞試驗分析了布置于旋成體后部凹環(huán)對其表面阻力的影響，分析表明凹環(huán)內的反向渦產生的渦墊效應和推動效應是阻力減小的主要原因。BECHERT[16]等使用一種測量阻力精度較高的油管對各種形狀脊狀表面的減阻效果進行了研究，結果表明V形脊狀表面減阻效果最好，最大減阻量可達到10%。宮武旗[35]等在兩種雷諾數下測得脊狀壁面相對于光滑壁面減阻量分別為7.43%和6.20%。多位學者的風洞阻力測量試驗均表明，銳利的槽峰具有減阻效應，且V形溝槽的減阻效果優(yōu)于矩形、梯形和凹半圓形。但由于脊狀結構的相對尺寸較小，同時受測量儀器精度的影響，準確測量其表面流動情況是非常困難的。

隨著計算流體力學的發(fā)展，許多學者利用數值模擬軟件對脊狀表面織構的減阻特性進行研究。吳正人等[36]利用Fluent 軟件，對G4-73 型離心風機翼型葉片脊狀表面的減阻特性進行了數值模擬研究，并分析了其減阻效果及減阻機理。結果表明：脊狀結構在風機翼型表面具有較好的減阻效果，脊狀結構尺寸s=0.1mm時的減阻效果較好，最大減阻率為9.65%。脊狀結構溝槽內部形成的穩(wěn)定的二次渦，能顯著減小黏性阻力。相比于光滑表面，脊狀結構表面總體剪切應力明顯減小，反映了翼型表面脊狀結構的減阻效果。

圖3 多尺度表面織構

葉片表面減阻織構設計與制造

通過不同形狀織構、不同大小織構，按照一定分布規(guī)則，可形成單一表面織構、多尺度表面織構和復合表面織構3種。單一表面織構是具有相同尺度與相同形狀的織構按預定排列形成的確定性表面；多尺度表面織構是指不同大小的相同形狀織構按預定排列形成的確定性表面；復合表面織構是不同形狀織構按預定排列形成的確定性表面。

圖4 復合表面織構

圖5 不同織構不同排列形式的葉片

圖3和圖4所示為確定性多尺度表面織構和確定性復合表面織構示意圖[37]。通過前面脊狀表面織構減阻分析可知：（1）脊狀表面織構具有減阻效果；（2）不同的織構形狀、織構排列形式和織構大小所形成的織構表面具有不同的減阻率；（3）一般二元復合的織構具有更優(yōu)的減阻效果[2]。民用葉片脊狀表面織構或溝槽表面織構的應用表明，葉片表面織構的應用有助于獲得更優(yōu)的氣動減阻效果，單一織構、復合織構、織構形狀、尺度大小、表面分布形式對葉片氣動減阻效果均有影響[37]。受仿生微納結構減阻和民用葉片表面減阻織構應用的啟示，也可在航空發(fā)動機葉片表面設計仿生微納織構改善航空發(fā)動機的減阻性能?；诓煌砻婵棙嫷臏p阻性能，將具有最優(yōu)減阻性能織構的設計應用到航空發(fā)動機葉片表面，提高航空發(fā)動機整體氣動減阻性能。筆者針對航空發(fā)動機葉片表面織構減阻技術進行了研究，設計了圖5所示的葉片表面織構。針對圖5所示的三角形截面形狀、矩形截面形狀織構不同排列情況下葉片進行減阻性能分析，通過fluent軟件進行分析，大體獲得減阻率在3%～5%之間。通過對織構尺度大小與葉片尺度大小的調整，可進一步獲得更優(yōu)的減阻率。

適用于微織構的制造技術主要包括高能束制造技術（激光束、電子束、離子束）、特種能場制造技術（微波、超聲加工、電火花）、光刻加工技術、超精密金剛石切削加工等以及用于批量化復制的納米壓印技術。超精密金剛石切削技術可以加工復雜的微納織構，相比其他配置方法具有靈活的自由度，在表面粗糙度、形狀精度控制以及加工效率方面具有優(yōu)勢。通過在金剛石切削加工中應用快刀伺服技術可有效在平面或圓柱面上進行微織構的加工，有效改善加工表面的形狀精度，并能在脆性材料或光學組件表面生成功能織構。結合超聲橢圓振動，可進一步在黑色金屬表面進行微織構的金剛石切削加工，為在各類材料的航空發(fā)動機葉片表面微織構的制造提供了可行的制造方法。航空發(fā)動機葉片一般具有壁薄、扭曲度大的制造工藝特點，根據設計的表面減阻織構，對于其表面微織構的制造，可以采用超聲橢圓振動輔助銑削葉片的同時生成葉片表面微織構，實現航空發(fā)動機葉片表面織構的配置。

結束語

航空發(fā)動機葉片的設計與制造技術直接影響著發(fā)動機性能。隨著科技的發(fā)展，空心葉片的問世、葉片涂層技術的成熟、葉片表面織構技術的完善，發(fā)動機要有更好的性能，很大程度上依賴葉片技術的成熟。

本文針對航空發(fā)動機葉片減阻技術，主要從葉片結構優(yōu)化設計技術與葉片表面織構設計技術分析了航空發(fā)動機減阻技術的現狀，著重討論了表面織構減阻機理和仿生的葉片表面織構設計技術對于航空發(fā)動機減阻性能的影響及其減阻機理，通過仿生織構的特征，應用于航空發(fā)動機葉片表面織構設計中。對于今后的研究重點，有以下幾點展望：

（1）葉片結構優(yōu)化減阻與葉片表面織構減阻設計相結合，發(fā)揮協(xié)同減阻作用，有利于最大化提高航空發(fā)動機氣動減阻性能。

（2）借鑒和發(fā)揮復合表面織構的作用，在葉片表面設計可高效制造的復合織構，增加葉片綜合減阻效果。

（3）加強對復合織構減阻機理的研究，進行結合葉片加工工藝的葉片表面織構加工策略和方法研究。

（4）拓展織構減阻設計到航空發(fā)動機葉片表面后的減阻機理和制造工藝的研究。

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