絆線技術(shù)對(duì)壓氣機(jī)性能影響分析

白　濤,高　山

(1.西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院, 西安　710077； 2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 西安　710072)

自20世紀(jì)40年代起，就一直追求軸流式壓氣機(jī)更高的載荷和工作穩(wěn)定性，通過提高轉(zhuǎn)速增加壓氣機(jī)級(jí)載荷的方式受到制約，而且高來流條件下壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，氣動(dòng)損失所占的比重也更大[1-3]。因此提高壓氣機(jī)的預(yù)旋速度并配合以先進(jìn)的三維葉片造型技術(shù)來改進(jìn)級(jí)增壓能力，是目前高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛的一種方法。然而，壓氣機(jī)級(jí)負(fù)荷的提高不可避免會(huì)誘發(fā)端壁和葉片表面大范圍的流動(dòng)分離，加劇葉片通道內(nèi)部的二次流損失，對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)中激波、邊界層和泄露流等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象及相互作用產(chǎn)生重要影響。

因此，發(fā)展流動(dòng)控制至關(guān)重要,流動(dòng)控制主要有主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩種。目前普遍應(yīng)用的主動(dòng)控制技術(shù)成本高、復(fù)雜、不易操作。絆線技術(shù)屬于被動(dòng)控制的一種，常見的絆線技術(shù)主要為在葉片表面添加V型槽、球窩、矩形條等，以此來促發(fā)轉(zhuǎn)捩提前，推遲發(fā)生，減小吸力面分離泡的大小，進(jìn)而降低葉型損失。Robarge等[14]對(duì)NACA0015葉型表面施加了二維形式的展向凹槽處理，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了二維形式的展向凹槽對(duì)流動(dòng)控制的顯著性；美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的Blanco[15]和美國空軍研究院的Dyken和Byerley等人在某低速渦輪葉柵上應(yīng)用了絆線等離子氣動(dòng)激勵(lì)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)表明：定常和脈沖等離子激勵(lì)都能有效控制渦輪葉片的附面層分離，減小總壓損失；Volino[16]通過在高負(fù)荷低壓渦輪葉片上加矩形絆線來減小分離泡，并給出矩形絆線的最優(yōu)位置在速度峰值點(diǎn)附近，指出絆線不能阻止流動(dòng)分離而是促進(jìn)轉(zhuǎn)捩在分離剪切層中提前發(fā)生；Zhang xuefeng等[17]對(duì)高負(fù)荷低壓渦輪葉片吸力表面加絆線如：矩形條，凹槽等對(duì)葉型損失的影響做了一系列研究，并指出在低雷諾數(shù)下相對(duì)于絆線技術(shù)尾跡掃掠的抑制作用將不再那么有效，并給出了矩形絆線的最佳設(shè)置參數(shù)；國內(nèi)空軍工程大學(xué)王如根等[5]提出了葉片壓力面向吸力面開通槽的處理技術(shù)，研究結(jié)果表明：在槽道進(jìn)出口兩端的靜壓力差的作用下，槽道進(jìn)口對(duì)葉片壓力面的高壓氣流有一定的抽吸作用將其吸出小槽后進(jìn)行加速，從而起到抑制邊界層分離的效果；西北工業(yè)大學(xué)喬渭陽等[6]采用數(shù)值模擬方法在PACK-B渦輪葉片上進(jìn)行了三維球窩分布設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明：三維球窩不但扮演著擾動(dòng)發(fā)生器的角色，還扮演者漩渦發(fā)生器的角色，球窩尾流區(qū)內(nèi)高頻率的漩渦形成與脫落，不但產(chǎn)生了加強(qiáng)流動(dòng)摻混所需的漩渦，也產(chǎn)生了促進(jìn)分離泡轉(zhuǎn)所需要的擾動(dòng)。中科院工程熱物理研究所的張波等[9-10]研究U型槽對(duì)高負(fù)荷低壓渦輪葉型損失的影響，結(jié)果表明：表面鑲嵌式U型槽[11]可以推遲分離，加速分離泡再附來減小分離泡，從而降低損失。

通過邊界層的絆線技術(shù)，不僅可以明顯改善壓氣機(jī)內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)特性，還可以進(jìn)一步突破壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的載荷限制，擴(kuò)展高負(fù)荷壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)空間。而絆線技術(shù)操作簡單，成本低，但目前對(duì)絆線技術(shù)的研究集中在某些特別的工況下，因此本文以某型壓氣機(jī)葉片為研究對(duì)象，在寬廣攻角范圍內(nèi)，分析絆線對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，探討絆線技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用的可能性。

1　研究方法及研究對(duì)象

研究對(duì)象為某型壓氣機(jī)葉中截面。葉型數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)值模擬采用商用軟件CFX14.0求解三維定常黏性雷諾平均N-S方程，數(shù)值方法采用時(shí)間追趕的有限體積法，空間離散采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間離散應(yīng)用二階后差歐拉格式。選用SST湍流模型和γ-θ轉(zhuǎn)捩模型。數(shù)值模擬單層網(wǎng)格數(shù)取為11萬，近壁處的Y+均小于1，近壁處的延展比在1.2左右，如圖 1所示。

計(jì)算邊界條件給定進(jìn)口速度、進(jìn)口壓力；出口給定背壓。在不同的攻角下保證壓氣機(jī)葉片進(jìn)口馬赫數(shù)Ma=0.676不變，具體參數(shù)如表1所示。

表1　葉型參數(shù)

2　結(jié)果分析

2.1　壓氣機(jī)特性

首先在-35°～15°攻角下計(jì)算壓氣機(jī)的性能，包括邊界層的分離位置，分離泡的大小及壓氣機(jī)的損失特性曲線，為絆線的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

圖2～圖4是壓氣機(jī)葉柵通道速度矢量圖及壁面剪切應(yīng)力圖，由速度矢量圖可以看出在0°攻角下，葉片吸力面沒有發(fā)生分離。在負(fù)攻角工作范圍內(nèi)壓氣機(jī)葉片僅在葉盆靠近前緣處有較小的閉式分離泡，且分離長度很短。在正攻角范圍內(nèi)壓氣機(jī)葉片表面存在明顯的分離泡，并且為開式分離，即直到尾緣處分離沒有發(fā)生再附。隨著攻角的增大，分離泡的高度增大，分離區(qū)域增大。從壁面剪切應(yīng)力圖可以直觀地看出葉片表面分離的起始位置。攻角為5°、10°時(shí)，葉片吸力面的分離發(fā)生在距離前緣大約70%、54%弦長位置處。

圖5為壓氣機(jī)特性曲線，該葉型由于在正攻角范圍內(nèi)，隨著攻角增大，葉片吸力面分離泡長度和高度均增大，因此損失增大；而在負(fù)攻角范圍內(nèi)，由于壓力面氣流速度低，因此分離對(duì)損失的影響并不顯著。由于在正攻角下分離較為嚴(yán)重，因此在后文的絆線參數(shù)設(shè)計(jì)中，主要考慮正攻角的流動(dòng)控制。

2.2　絆線技術(shù)對(duì)壓氣機(jī)性能影響分析

根據(jù)上文分析，為了控制邊界層的流動(dòng)分離，可以通過設(shè)置絆線，誘發(fā)邊界層提前轉(zhuǎn)捩，湍流邊界層可以更好地抵抗分離。分析壓氣機(jī)攻角特性，設(shè)計(jì)矩形條狀絆線尺寸，絆線參數(shù)主要考慮絆線位置，絆線高度和絆線長度。為了在寬廣的攻角范圍內(nèi)減小絆線引入對(duì)流場(chǎng)的干擾，在可以控制流動(dòng)的情況下，盡量使用尺寸較小的絆線。其中絆線形狀為矩形。位置在分離點(diǎn)附近，即絆線開始位置為50%弦長位置處，絆線長度為3%弦長，絆線高度0.4%弦長。

在此絆線參數(shù)下計(jì)算、分析不同攻角下，絆線對(duì)流動(dòng)性能的影響，根據(jù)上文分析在負(fù)攻角和0°攻角下，葉片吸力面沒有出現(xiàn)分離泡，并且由于絆線尺寸較小。為此著重分析在正攻角下，絆線對(duì)流場(chǎng)的影響。圖 6～圖8分別為攻角為5°，10°，15°情況下，施加絆線前后壓氣機(jī)葉柵通道流場(chǎng)速度矢量圖，圖9～圖11分別為攻角為5°，10°，15°情況下，施加絆線前后，葉片表面剪切應(yīng)力(X方向)分布圖。計(jì)算結(jié)果表明在正攻角下，絆線的引入均減小了吸力面邊界層的分離區(qū)域。在5°攻角下，分離泡的起始位置由距離前緣54%弦長位置處，向后移至80%弦長位置處，分離泡長度明顯縮短；而在10°和15°攻角下，葉片表面設(shè)置絆線誘發(fā)邊界層提前轉(zhuǎn)捩，因此轉(zhuǎn)捩后的湍流邊界層能更好地抵抗分離，因此抑制了邊界層的分離，從而很大程度上提高葉柵效率。

定義λ為氣流的總壓損失系數(shù)，它表示氣流流經(jīng)葉柵通道的總損失

圖12給出的是不同攻角下，絆線對(duì)葉柵流動(dòng)性能的影響。由計(jì)算結(jié)果可知，在負(fù)攻角范圍內(nèi)絆線對(duì)葉柵通道的影響很小，但引入絆線對(duì)流動(dòng)局部形成干擾，因此絆線后的損失有所增大，但增大的幅度不超過5%。而在正攻角范圍內(nèi)，絆線后的損失較絆線前有著明顯的下降，尤其是在15°攻角下，損失低19%。

3　結(jié)論

通過分析某型壓氣機(jī)流動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了合理的絆線參數(shù)，計(jì)算并對(duì)比施加絆線前后壓氣機(jī)流場(chǎng)細(xì)節(jié)及損失特性。本文的計(jì)算結(jié)果表明，絆線技術(shù)可以在很大的攻角范圍內(nèi)抑制邊界層分離，有效降低壓氣機(jī)的分離損失，改善壓氣機(jī)的性能。在15°攻角下，壓氣機(jī)損失較原始葉型低19%。

絆線技術(shù)屬于被控制技術(shù)，不需要引入能量，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，質(zhì)量輕，選擇合理的絆線參數(shù)(包括絆線的尺寸，絆線的位置，絆線的高度。)可以在較寬的工作范圍內(nèi)提高壓氣機(jī)的效率和穩(wěn)定性，并且對(duì)流場(chǎng)干擾較小，因此可以在工程實(shí)踐中加以推廣應(yīng)用。

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