低壓渦輪Spoon葉片設(shè)計(jì)技術(shù)平面葉柵數(shù)值研究

侯偉濤，王國(guó)強(qiáng)，羅華玲，趙 磊

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241）

0 引言

低壓渦輪作為現(xiàn)代民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，其效率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率影響較大。同時(shí)，低壓渦輪的重量約占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的重量的25%，其制造成本約占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本的15%，因此，低壓渦輪的重量和制造成本也是在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要考慮的因素。在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上，葉片設(shè)計(jì)可以采用實(shí)體薄葉片或空心厚葉片。實(shí)體薄葉片能在一定程度上降低重量和成本，而空心厚葉片氣動(dòng)性能好，比實(shí)體葉片重量更輕，但因?yàn)橹圃斓膹?fù)雜性，制造成本將增加30%左右。

對(duì)高負(fù)荷低壓渦輪薄葉片而言，壓力面前緣附近會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)逆壓梯度區(qū)域，邊界層容易發(fā)生流動(dòng)分離。壓力面分離泡與通道內(nèi)二次流相互作用將導(dǎo)致二次流損失增大。

Spoon葉片作為一種能削弱壓力面分離流動(dòng)損失的方法得到了應(yīng)用。圖1為Spoon葉片實(shí)物圖，葉中大部分區(qū)域采用薄葉片設(shè)計(jì)，通過(guò)加厚近端區(qū)葉型截面壓力面厚度，改變壓力面型線曲率使流體加速，降低逆壓梯度來(lái)抑制流動(dòng)的分離，并避免分離流與二次流的相互作用。利用Spoon葉片設(shè)計(jì)控制端部二次流損失的同時(shí)，又不增加制造的成本，同時(shí)兼顧了實(shí)體薄葉片和空心厚葉片的特點(diǎn)。

圖1 Spoon葉片[1]

Brear[2]、González[3]等通過(guò)平面葉柵實(shí)驗(yàn)研究了加厚壓力面對(duì)葉型損失和端區(qū)流動(dòng)的影響。實(shí)驗(yàn)表明加厚葉型抑制了壓力面的分離，減少了端區(qū)二次流損失。Spoon葉片在RR公司的Trent 500發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪上得到應(yīng)用，Trent 500發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪采用Spoon葉片，在二次流影響較大區(qū)域附近加厚葉片的厚度，顯著降低了損失。與薄葉片相比，優(yōu)化后葉片的二次流損失降低了20%[4]。而徑向完全加厚的空心厚葉片則應(yīng)用在Trent 900發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪上。González和Lantero指出Trent 900發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪中使用加厚的空心高升力渦輪葉片后，損失能降低 30%[5]。DiegoTorre、Vázquez.R[6]等人對(duì)某三級(jí)低壓渦輪分別使用Spoon葉片和空心厚葉片進(jìn)行了部件性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用空心厚葉片的低壓渦輪效率并不比采用Spoon葉片的低壓渦輪的效率高。兩套葉片的在不同轉(zhuǎn)速下和不同功率下的特性基本一致，對(duì)雷諾數(shù)和封嚴(yán)冷氣的敏感性也沒(méi)有明顯差別。這說(shuō)明在低壓渦輪設(shè)計(jì)中，使用Spoon葉片的設(shè)計(jì)能獲得與空心厚葉片一樣的性能效果。

目前對(duì)于低壓渦輪Spoon葉片設(shè)計(jì)方法、葉片加厚程度及厚度徑向分布規(guī)律相關(guān)研究工作較少。本文選擇平面葉柵為研究對(duì)象，開展了葉型厚度和厚度徑向分布對(duì)葉柵性能影響規(guī)律的數(shù)值研究，對(duì)低壓渦輪Spoon葉片設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了探索。

1 研究對(duì)象及研究方法

1.1 研究對(duì)象

以某Zweifel升力系數(shù)1.035的平面葉柵為研究對(duì)象，基準(zhǔn)葉柵的幾何型線如圖2所示，幾何參數(shù)如表1所示。

圖2 葉柵幾何型線

表1 葉柵幾何參數(shù)

1.2 研究方法

1.2.1 Spoon葉片設(shè)計(jì)方法

Spoon葉片的設(shè)計(jì)通過(guò)增厚靠近端區(qū)附近葉型（主要是壓力面）的方法實(shí)現(xiàn)，本文采用NUMECA軟件中的AutoBlade模塊來(lái)完成Spoon葉片的設(shè)計(jì)。AutoBlade模塊能對(duì)葉輪機(jī)械的流道和葉片進(jìn)行參數(shù)化建模，為下一步改型或優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。首先在AutoBlade模塊中通過(guò)合理選擇擬合參數(shù)，對(duì)葉片離散點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化，然后通過(guò)修改葉片各截面壓力面的幾何控制參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力面的加厚。

葉片的參數(shù)化時(shí)需要對(duì)葉片的所有幾何參數(shù)進(jìn)行精確定義，包括子午通道位置、葉片形狀和葉片積疊規(guī)律。對(duì)平面葉柵，子午端壁型線的定義采用了控制參數(shù)少的三次B樣條曲線來(lái)進(jìn)行擬合，Hub和Shroud各采用5個(gè)控制點(diǎn)數(shù)，一共10個(gè)控制參數(shù)。定義各葉型截面位置時(shí)，本設(shè)計(jì)方法選擇平面流面，勾選平面葉柵模板。積疊規(guī)律選擇前緣積疊（LE）。彎掠定義均采用線性變化規(guī)律，這樣各只需要兩個(gè)控制參數(shù)。葉型的位置和范圍一旦確定，就可以構(gòu)造葉型型線了。本設(shè)計(jì)方法采用構(gòu)造線定義方式，分別定義壓力面和吸力面的控制點(diǎn)數(shù)為12，拉伸因子為1.2，前尾緣形狀采用圓形。

進(jìn)行初步擬合，分析擬合結(jié)果，調(diào)整相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)化擬合。

圖3為擬合結(jié)果，原始葉型和擬合型線基本重合。

圖3 擬合結(jié)果

AutoBlade軟件中的Geometryanalysis模塊可以直接輸出當(dāng)前葉型的厚度分布情況，圖4給出了厚度的定義及沿中弧線弧長(zhǎng)方向的分布。

由于2臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器均跳變至2018年4月24日，此時(shí)CC(車載控制器)監(jiān)測(cè)到本地時(shí)間與時(shí)鐘服務(wù)端網(wǎng)關(guān)服務(wù)器相差超過(guò)1 000 s，因此立即停止了NTP服務(wù)，同時(shí)采用本地時(shí)間代替；由于CC監(jiān)測(cè)到的到站、離站時(shí)間及區(qū)間運(yùn)行時(shí)間均由ATS網(wǎng)關(guān)發(fā)送，在ATO模式下，CC根據(jù)ATS發(fā)送的時(shí)間進(jìn)行離站以及計(jì)算區(qū)間運(yùn)行速度；由于CC監(jiān)測(cè)到的時(shí)間與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器時(shí)間不一致，從而引起相關(guān)故障。

圖4 厚度分布

對(duì)葉型進(jìn)行參數(shù)化后即可以進(jìn)行葉型的加厚設(shè)計(jì)，首先固定吸力面一側(cè)控制點(diǎn)參數(shù)，然后通過(guò)調(diào)整壓力面Bezier曲線控制點(diǎn)（如圖5所示）位置實(shí)現(xiàn)葉型的改型設(shè)計(jì)。最終加厚的葉型與原始葉型幾何型線對(duì)比如圖6所示。其中有原始葉型和增厚葉型。

圖5 壓力面Bezier控制點(diǎn)

圖6 原始葉型與增厚葉型

1.2.2 數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值計(jì)算模型取半個(gè)葉高，在葉柵的進(jìn)出口有一定的延伸，計(jì)算網(wǎng)格采用Numeca AutoGrid5生成，采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)75萬(wàn)，第一層網(wǎng)格厚度10~5 m，加密靠近葉柵壁面的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，圖7為計(jì)算模型及網(wǎng)格。

圖7 計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算利用ANSYSCFX計(jì)算，湍流模型為SST模型，采用Gamma-Theta轉(zhuǎn)捩模型，工質(zhì)為理想氣體。計(jì)算設(shè)置收斂殘差為10-6.上邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界，進(jìn)口給總溫300 K，進(jìn)口總壓考慮真實(shí)低壓渦輪中邊界層發(fā)展，給定沿徑向的分布如圖8所示，進(jìn)口氣流角為47.5°，進(jìn)口湍流度為2.5%，出口給定靜壓101 325 Pa，出口雷諾數(shù)為252 700.

圖8 進(jìn)口總壓徑向分布

由于葉型的改型是通過(guò)修改參數(shù)化的葉型幾何來(lái)進(jìn)行的，有必要分析擬合葉型由于幾何型線的誤差導(dǎo)致對(duì)氣動(dòng)性能的影響，因而對(duì)擬合葉型采用相同的計(jì)算設(shè)置進(jìn)行計(jì)算，并與原始葉型氣動(dòng)性能進(jìn)行了對(duì)比。

計(jì)算結(jié)果顯示，原始葉型（Base）的能量損失系數(shù)為0.062 21，擬合葉型（Fit）的能量損失系數(shù)為0.062 34，比原始葉型能量損失系數(shù)僅高0.22%.10%截面和50%截面的壓力分布如圖9所示，從圖上可以看出，擬合誤差對(duì)壓力分布的影響較小。圖10為葉柵表面極限流線，原始葉型吸力面在89%軸向弦長(zhǎng)處存在流動(dòng)分離，一直延伸至尾緣，壓力面流動(dòng)分離則從壓力面前緣一直延伸至54%軸向弦長(zhǎng)處。從圖中可以看出擬合葉型與原始葉型極限流線差別不大，擬合的精度滿足改型設(shè)計(jì)的要求。

圖9 壓力分布對(duì)比

圖10 葉片表面極限流線

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 厚度變化影響規(guī)律研究

表2 不同相對(duì)最大厚度

圖11 不同最大相對(duì)厚度葉型

圖12 顯示了各方案葉柵能量損失系數(shù)相對(duì)變化值和體積變化值。由圖12可以觀察到所有加厚葉柵的能量損失均有不同程度降低，隨著最大相對(duì)厚度的增大，降低的趨勢(shì)逐漸變緩。體積的增加率隨最大相對(duì)厚度的增加基本上呈線性增大。在設(shè)計(jì)增厚葉柵的時(shí)候除了要考慮最大相對(duì)厚度，也要兼顧葉柵體積（重量）的增加。下面以方案Th4為例分析葉型增厚所帶來(lái)的好處。

圖12 損失及體積隨最大相對(duì)厚度變化曲線

對(duì)比分析Base方案與Th4方案的葉片中截面的流線（圖13），兩種葉柵10%葉高和50%葉高截面的壓力分布見圖14.

圖13 葉柵中截面流線圖

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖14 壓力分布

與原始葉型相比，加厚的葉型改變了壓力面前緣曲率的變化，減小了前緣逆壓梯度，改善了壓力面壓力分布，消除了前緣附近壓力面的流動(dòng)分離，同時(shí)也降低了橫向壓力梯度，這種降低的程度在靠近端壁的葉高截面更明顯。

原始葉型壓力面流動(dòng)的分離在端壁的表現(xiàn)為不足以抵抗橫向壓力梯度，在端壁邊界層的壓力梯度和馬蹄渦壓力面分支的共同作用下，流向吸力面，并參與到通道渦的形成，使得二次流損失增大，如圖15所示。Th4葉柵通過(guò)增厚壓力面消除端壁處壓力面的流動(dòng)分離，一方面使得參與端壁橫向流的低能流體減少，另一方面也改變了端壁的橫向壓力梯度，使得通道渦的強(qiáng)度有所減小，二次流損失降低。

Base葉柵和Th4葉柵表面極限流線如圖16所示，隨著端壁橫向流動(dòng)的減弱，通道渦的形成有所減弱，二次流在吸力面的影響范圍有所減小，加厚的Th4葉柵在整個(gè)葉高范圍內(nèi)都消除了壓力面流動(dòng)分離。Th3方案損失下降與Th4相差不大，容積變化比Th4方案小，因此可以選擇Th3或者Th4的最大相對(duì)厚度作為最佳的最大相對(duì)厚度。

圖16 葉片表面極限流線

圖17 對(duì)比了Base葉柵和加厚的Th4葉柵出口50%軸向弦長(zhǎng)處能量損失徑向分布，可以看出，加厚葉柵Th4二次流損失有明顯的降低，損失的峰值減小，而且峰值位置略有下移，從圖中可以發(fā)現(xiàn)葉中葉型損失不隨葉型厚度變化而改變。

圖17 葉柵出口50%軸向弦長(zhǎng)能量損失徑向分布

2.2 厚度徑向分布規(guī)律影響研究

由上面的結(jié)果可以看出，加厚葉型對(duì)葉片葉型損失影響較小，收益主要來(lái)自對(duì)二次流損失的抑制，因而采用只加厚靠近端區(qū)附近截面的葉型厚度，主流區(qū)域截面仍采用薄葉片的Spoon葉片設(shè)計(jì)，可以降低不必要的重量增加。因此，在上小節(jié)確定的最佳葉型厚度（最大相對(duì)厚度0.225）基礎(chǔ)上針對(duì)厚度沿徑向的分布設(shè)計(jì)了六種方案（圖18）用以確定最佳的分布規(guī)律。主要分為兩類，第一類為最大相對(duì)厚度沿徑向線性變化，分別在10%、20%和30%葉高達(dá)到中截面對(duì)應(yīng)葉型厚度；第二類先保持端壁附近截面葉型最大相對(duì)厚度與端壁一致，然后再線性變化到20%葉高或30%葉高，如圖中虛線所示方式。

圖18 不同厚度沿徑向分布形式

對(duì)六套葉柵的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表3，從中可以看出，不同方案下能量損失均有降低，Spoon4是最佳的方案，同時(shí)兼顧了損失的減少和重量的增大，比同等重量下的Spoon3損失下降更多，下面著重對(duì)這兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 不同厚度徑向分布形式的能量損失系數(shù)

圖19為10%葉高葉柵流線圖，Spoon3葉柵和Spoon4葉柵在端區(qū)加厚了葉型，消除了端區(qū)的截面壓力面的分離。從圖20中的壓力分布可以看出，三種葉柵葉中截面的壓力分布未發(fā)生改變，端區(qū)加厚的葉柵在10%葉高截面壓力分布有所改善，吸力面逆壓梯度減小，峰值壓力增大，橫向壓差減小，有利于減緩?fù)ǖ罍u的形成。

圖19 10%葉高流線

圖21 為Base葉柵及兩種不同徑向加厚方式的Spoon葉柵的端壁極限流線，從中可以看出Base葉柵端壁橫向流動(dòng)較強(qiáng)，造成較大二次流損失，Spoon3葉柵和Spoon4葉柵都減弱了這種端壁橫向流動(dòng)，減少了低能流體向相鄰葉片吸力面的遷移，削弱了通道渦。

圖20 三種葉柵壓力分布

圖21 端壁極限流線

三種葉柵出口50%軸向弦長(zhǎng)處能量損失徑向分布圖如圖22所示，三種葉柵葉中葉型損失一樣，而端區(qū)加厚的Spoon葉柵的設(shè)計(jì)降低了二次流損失，其峰值及峰值位置均降低。Spoon3葉片和Spoon4葉片的容積或重量變化相同，而Spoon4葉片降低損失的效果更明顯，因此認(rèn)為Spoon4葉片的厚度徑向分布形式更有效。

圖22 葉柵出口50%軸向弦長(zhǎng)能量損失徑向分布

3 結(jié)論

本文選擇平面葉柵為研究對(duì)象，在近端區(qū)附近調(diào)整壓力面型線增大葉型厚度，開展了低壓渦輪Spoon葉片葉型厚度和厚度徑向分布對(duì)葉柵性能影響規(guī)律研究，得出了如下結(jié)論：

（1）Spoon葉片設(shè)計(jì)通過(guò)改變壓力面前緣曲率分布，能夠消除前緣附近逆壓梯度、改善壓力面壓力分布，削弱或消除前緣附近壓力面流動(dòng)分離，同時(shí)降低通道內(nèi)橫向壓力梯度，二次流動(dòng)強(qiáng)度減弱。Spoon葉片設(shè)計(jì)收益主要來(lái)自對(duì)二次流損失的降低，葉型損失基本不變；

（2）隨著最大相對(duì)厚度增大，葉柵損失降低趨勢(shì)逐漸變緩，葉片體積基本呈線性規(guī)律增加，設(shè)計(jì)中存在葉片性能與重量最優(yōu)組合，根據(jù)本文研究工作，最佳葉型最大相對(duì)厚度為0.2左右；

（3）葉片增厚的徑向范圍應(yīng)不小于二次流影響區(qū)域，綜合考慮葉片性能與重量因素，選擇10%葉高與端區(qū)最大厚度一致，然后線性變化到20%葉高的厚度分布變化規(guī)律最優(yōu)。

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