附加涵道風(fēng)扇系統(tǒng)低稠度葉尖渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究

王遠(yuǎn)慶，夏 晨，張 衍，向 鑫

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院， 江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016;2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所， 上海 201109)

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具有推力大、耗油率低、噪聲小等優(yōu)勢(shì)，已廣泛用于軍、民用運(yùn)輸機(jī)和其他大型亞聲速飛機(jī)[1]。進(jìn)一步提高涵道比是當(dāng)前大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)發(fā)展方向[2～3]。傳統(tǒng)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多為雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由低壓渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)。隨著涵道比需求的進(jìn)一步提升，低壓渦輪和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速需求不匹配問題[4～8]將是當(dāng)前大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)面臨的核心難題之一。目前主要采用三轉(zhuǎn)子、GTF(齒輪驅(qū)動(dòng))等結(jié)構(gòu)來解決轉(zhuǎn)速不匹配問題。三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)主要是RR公司的遄達(dá)系列渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，但它對(duì)轉(zhuǎn)速不匹配問題只能做到一定程度的緩解，而且提升涵道比的潛力不大；GTF典型機(jī)型為PW1000G系列發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然較好地解決了轉(zhuǎn)速不匹配問題，但是齒輪減速器的傳遞扭矩大，會(huì)帶來一系列可靠性和壽命問題[9]。這些提高發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的技術(shù)都存在結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、可靠性不高等情況，不能從根本上解決風(fēng)扇與低壓渦輪轉(zhuǎn)速不匹配的問題。

南京航空航天大學(xué)提出了一種新型的葉尖噴氣自驅(qū)動(dòng)附加涵道風(fēng)扇渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方案[10-11]，即在常規(guī)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵之外再增加一個(gè)附加涵道風(fēng)扇，其轉(zhuǎn)子為渦輪與風(fēng)扇一體化的葉輪，由原雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外涵壓縮空氣驅(qū)動(dòng)葉尖渦輪帶動(dòng)涵道風(fēng)扇工作，實(shí)現(xiàn)了涵道風(fēng)扇與驅(qū)動(dòng)渦輪的無軸連接，避免了兩者的轉(zhuǎn)速不匹配，并實(shí)現(xiàn)了更大的涵道比，使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性更高。張衍等[12]針對(duì)該新型發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件——低稠度葉尖渦輪的流動(dòng)特征和工作機(jī)理進(jìn)行了初步的分析，提出了有效提能區(qū)和能量提取率的概念以更好地分析低稠度下渦輪的工作特點(diǎn)。能量提取率是用以彌補(bǔ)等熵效率不足以衡量氣流中的實(shí)際有效做功量而提出的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，將其定義為滯止等熵功與可用能之比。有效體能區(qū)表示的是葉片有效提能的區(qū)域，初步假定以轉(zhuǎn)子流道中氣流偏轉(zhuǎn)角達(dá)到葉輪中弧線轉(zhuǎn)折角70%以上作為有效提能的判別標(biāo)準(zhǔn)。本研究在其工作的基礎(chǔ)上，采用CFD損失分離的方法，研究了這類低稠度葉尖渦輪的損失特性，并針對(duì)其低稠度結(jié)構(gòu)特征，開展了高性能前加載葉型的氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，初步探究了中弧線的設(shè)計(jì)規(guī)律，為后續(xù)研發(fā)該類新型大涵道比附加涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 新型氣驅(qū)附加涵道風(fēng)扇低稠度葉尖渦輪氣動(dòng)特性分析

1.1 附加涵道風(fēng)扇技術(shù)特點(diǎn)分析

圖1為南京航空航天大學(xué)提出的新型附加涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。附加涵道主要由渦輪靜子、轉(zhuǎn)子、引起管道等組成，其中附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子呈一體化結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，外部為渦輪轉(zhuǎn)子。原渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道空氣被壓縮后經(jīng)導(dǎo)氣機(jī)匣和引氣管道通過靜子導(dǎo)向和加速高速?zèng)_擊附加涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。涵道風(fēng)扇抽吸環(huán)境大氣增壓，匯合渦輪轉(zhuǎn)子軸向排出的氣體流入噴管后噴出。主要原理是將外涵道增壓氣體中的能量提取后分配給風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子直徑大，能排出更多質(zhì)量的氣體，即一方面降低了排氣速度，另一方面獲得了更大的排氣動(dòng)量，從而提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率。該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將原本能量軸向傳遞的方式轉(zhuǎn)變?yōu)閺较騻鬟f，規(guī)避了常規(guī)雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)軸傳遞能量所帶來的不匹配問題，同時(shí)在外環(huán)的附加涵道風(fēng)扇能更加容易地獲得更大的涵道比。

附加涵道風(fēng)扇是新型動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)超大涵道比的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是渦輪與風(fēng)扇葉片的一體化。如圖1右上角所示葉輪，其位于葉輪外環(huán)的是驅(qū)動(dòng)整體葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)的葉尖渦輪，內(nèi)環(huán)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)更大涵道比的附加涵道風(fēng)扇。從該整體葉輪的強(qiáng)度和穩(wěn)定性考慮，其葉尖渦輪轉(zhuǎn)子葉片和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片保持一一對(duì)應(yīng)更好，因而葉尖渦輪的稠度會(huì)受到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子稠度的制約。以CFE738渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其風(fēng)扇葉尖稠度為0.66[13]，則安置于風(fēng)扇頂部的葉尖渦輪稠度將低至0.6左右，該數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)渦輪稠度1.4～1.7[14]的范圍。同時(shí)，由于渦輪處于葉尖，其通流能力很強(qiáng)，而風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片所需的功率又較小(風(fēng)扇壓比僅1.008)，故葉尖渦輪的流量需求不大，這導(dǎo)致其葉高很小，即展弦比較小。因此，葉尖渦輪實(shí)質(zhì)上為一種具有極低稠度、極低展弦比特點(diǎn)的軸流渦輪，故其面臨著特殊的氣動(dòng)問題： 極低稠度使得相鄰轉(zhuǎn)子葉片之間的影響急劇減弱，呈近似“孤立”的特點(diǎn)，氣體繞流能力下降，附面層快速發(fā)展，流道內(nèi)的分離很大，流動(dòng)十分復(fù)雜；氣流的相當(dāng)一部分能量不能被葉片有效提取，轉(zhuǎn)子做功能力急劇下降；低展弦比使得相對(duì)間隙尺寸變大，泄漏損失也急劇增加，并且泄漏流對(duì)主流的影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。這些問題都對(duì)葉尖渦輪的效率和做功能力產(chǎn)生影響，使得葉尖渦輪的設(shè)計(jì)面臨諸多問題。為了研究其損失的主要來源和構(gòu)成，以下采用CFD的方法進(jìn)行損失構(gòu)成的計(jì)算，并且初步探究與之相關(guān)的葉型設(shè)計(jì)方法。

A.附加涵道轉(zhuǎn)子； B.附加涵道靜子； C.引氣管路； D.導(dǎo)氣機(jī)匣； E.附加涵道轉(zhuǎn)子輪轂； F.葉尖渦輪導(dǎo)向器； G.葉尖渦輪轉(zhuǎn)子

1.2 低稠度葉尖渦輪流動(dòng)的數(shù)值模擬方法

本文以NASA Lewis研究中心1臺(tái)75 kW軸流[15]渦輪(葉輪直徑為150 mm，葉高為16.97 mm，葉片軸向弦長(zhǎng)為13.11 mm，稠度為1.61，展弦比為1.29，落壓比為1.6，進(jìn)口馬赫數(shù)為0.27，出口馬赫數(shù)為0.38)為參照，通過減少葉片數(shù)來獲得低稠度方案，開展低稠度葉尖渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)及流動(dòng)特征的數(shù)值研究。

由于葉尖渦輪在低稠度低展弦比條件下，其流道內(nèi)部流動(dòng)“近似”孤立葉型，與常規(guī)渦輪葉柵流動(dòng)存在明顯不同，為了更好地對(duì)比這類新型葉輪機(jī)械與常規(guī)渦輪之間的流動(dòng)差異，本文采用了CFD損失分離的方法，以獲得低稠度葉尖渦輪內(nèi)的流動(dòng)損失構(gòu)成，并通過與常規(guī)渦輪的情況對(duì)比，進(jìn)一步明確低稠度渦輪的損失特性及流動(dòng)特征。CFD損失分離的研究方法已在葉輪機(jī)械氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究中得到應(yīng)用[16]，其具體方法如下：

1) 通過網(wǎng)格劃分的方法來實(shí)現(xiàn)有間隙和無間隙，然后通過計(jì)算對(duì)比可以將間隙損失定量分離出來。

2) 將渦輪葉柵輪轂和機(jī)匣的壁面做滑移處理，使葉柵端壁附面層無法發(fā)展，理論上消除了葉柵內(nèi)部的2次流動(dòng)。

3) 總損失減去2次流和泄露損失，從而得到葉型損失。，

4) 用進(jìn)出口的熵值變化來衡量損失的變化。

計(jì)算采用NUMECA軟件，取單個(gè)葉輪通道為計(jì)算區(qū)域，計(jì)算采用O-H網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約102萬(wàn)。給定進(jìn)口總壓、總溫和出口靜壓；采用壁面絕熱無滑移邊界條件；計(jì)算采用Euranus求解器求解定常N-S方程，湍流模型采用S-A模型，空間離散采用Jameson有限體積中心差分格式，時(shí)間離散應(yīng)用顯式4階Runge-Kutta法，使用隱式殘差光順與多重網(wǎng)格技術(shù)來加速收斂。

該數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性校驗(yàn)已由本課題組張衍等進(jìn)行(圖2(b)(c))，證明該種數(shù)值模擬方法能滿足低稠度渦輪流場(chǎng)及性能的模擬需要。 將模擬結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值偏差不超過3.5%，詳見參考文獻(xiàn)[12]。由于葉尖渦輪內(nèi)部氣動(dòng)特性復(fù)雜，傳熱雖然對(duì)渦輪效率有一定影響，但相對(duì)常規(guī)葉型影響會(huì)小很多，同時(shí)模擬校驗(yàn)時(shí)是與試驗(yàn)熱態(tài)數(shù)據(jù)相比較，偏差在3.5%以內(nèi)，屬于可接受范圍。所以，本文在不影響準(zhǔn)確性的前提下，為了更好地研究其氣動(dòng)特性，暫不考慮傳熱帶來的影響。

圖2 網(wǎng)格模型與數(shù)值模擬校驗(yàn)說明

2 低稠度葉尖渦輪損失構(gòu)成分析

2.1 葉尖渦輪損失分離方案制定

本文所采用的分類方法是將轉(zhuǎn)子內(nèi)損失分為2次流損失、葉型損失、泄漏損失。

2次流損失一般指的是氣流受到環(huán)壁附面層的影響發(fā)生倒流，產(chǎn)生與主流不一致的旋渦，從而與主流發(fā)生摻混而引起的損失。

葉型損失包括葉片表面附面層的摩擦損失、附面層分離時(shí)的渦流損失與尾跡區(qū)的渦流損失。

泄漏損失是指因葉尖與機(jī)匣之間的間隙而產(chǎn)生的流動(dòng)損失。

3種損失的具體區(qū)分方法:有間隙情況下轉(zhuǎn)子進(jìn)出口熵值變化為ΔS1，無間隙為ΔS2，無間隙且去除壁面2次流為ΔS3，即泄漏損失ωL1=ΔS1-ΔS2，2次流損失ωL2=ΔS1-ΔS2，葉型損失ωB=ΔS1-ωL-ωS。

對(duì)于損失分析，出于可對(duì)比性和篇幅考慮，本文在稠度方面選擇了原型1.6稠度和0.6稠度做損失對(duì)比研究，展弦比方面用高展弦比1.4和低展弦比0.5。本節(jié)最終共形成4種方案，如表1所示進(jìn)行對(duì)比研究。其中稠度通過減少葉片數(shù)來調(diào)整，展弦比通過減少葉高來調(diào)整。本文的葉尖間隙選取原則與數(shù)值模擬校驗(yàn)時(shí)保持一致，通過折合比例，葉尖間隙取葉高的3%。實(shí)際應(yīng)用中由于展弦比的大幅減小，相對(duì)間隙尺寸會(huì)不可避免地增加。本文為了方便對(duì)比，研究的是相對(duì)間隙一致的情況。

表1 損失方案

2.2 葉尖渦輪損失分離結(jié)果分析

采用CFD損失分離的方法，以熵值為損失指標(biāo)，得出的case A、B、C、D四個(gè)方案代表著不同展弦比和不同稠度下的損失構(gòu)成。具體如圖3、4和表2、3所示。圖4中的絕對(duì)損失是將總能量分為100份，根據(jù)效率值來定義其損失總量。

由表2、3和圖3、4可以看出：不管在常規(guī)展弦比還是低展弦比下，低稠度低至0.6時(shí)總的損失量都擴(kuò)大了1倍以上，其中葉型損失的增加尤為明顯。稠度低至0.6時(shí)，轉(zhuǎn)子流道內(nèi)部流動(dòng)惡化明顯。

圖3 相對(duì)損失

圖4 絕對(duì)損失

展弦比稠度效率/%葉型損失/%2次流損失/%泄漏損失/%能量提取率/%1.4 1.690.6540.7621.2737.9773.21.4 0.679.5173.3814.5511.6255.00.5 1.683..9236.3336.7326.9471.00.5 0.673.5855.335.319.3953.0

表3 絕對(duì)損失

首先研究展弦比的變化帶來的影響，從圖3可以看出：原始葉型中主要的損失為葉型損失和泄漏損失，都占到40%。常規(guī)稠度下隨著展弦比的降低，葉型損失所占的比例幾乎不變，2次流損失占到了36%。這是由于在低展弦比下，壁面產(chǎn)生的2次流對(duì)主流的影響的區(qū)域更大。對(duì)于絕對(duì)損失而言，葉型損失所占比例上升2.03百分點(diǎn)，泄漏損失所占比例上升0.78百分點(diǎn)，而2次流損失所占比例上升了3.92百分點(diǎn)，低稠度下變化趨勢(shì)類似。這主要是展弦比下降后，流道內(nèi)部的平均通流能力變強(qiáng)，尾跡損失和葉片表面摩擦損失都有所增加。但對(duì)于葉型損失而言，損失比例并未發(fā)生變化，其變大主要體現(xiàn)在損失總量上，所以展弦比降低影響更大的主要還是來自壁面的2次流損失。從泄漏損失方面可以看出：展弦比越高，對(duì)泄漏損失影響越小，但總的影響不及2次流損失。

其次研究稠度的變化帶來的影響，圖3中在常規(guī)展弦比下稠度降到0.6，葉型損失所占的相對(duì)比例從40%增加到70%。泄漏損失和2次流損失所占比例較小。在低展弦比下稠度降到0.6，葉型損失所占比例從36.33%增加到55.3%，2次流損失占比基本不變，泄漏損失占比減少?？梢钥闯觯旱统矶认拢~型損失成為主要損失，2次流損失所占比例都超過了泄漏損失?？梢缘贸?，泄漏損失在稠度降低的情況下影響在減少，并且展弦比越高影響越小。

同時(shí)，圖4中對(duì)于絕對(duì)損失而言，常規(guī)展弦比下稠度降低葉型損失所占比例增加了11.32百分點(diǎn)，2次流損失所占比例增加0.99百分點(diǎn)，泄漏損失所占比例減少1.17百分點(diǎn)。低展弦比下稠度降低葉型損失所占比例增加了8.88百分點(diǎn)。2次流損失所占比例增加3.49百分點(diǎn)，泄漏損失所占比例減少1.83百分點(diǎn)。可以看出：常規(guī)展弦比下葉型損失占比的增加值是2次流損失占比的10多倍，是原葉型損失占比的5倍。這種情況下2次流損失和泄漏損失的變化幾乎可以忽略不計(jì)。在低展弦比下葉型損失的增加值是2次流損失的2.5倍。泄漏損失在低稠度下都有不同程度的減小。由此可以得出：在低稠度下無論高低展弦比，如何減少葉型損失才是核心問題。2次流損失在低展弦比的情況下可以考慮，因?yàn)樵诘驼瓜冶认氯~高相對(duì)較小，壁面產(chǎn)生的2次流更易影響到流道內(nèi)的流動(dòng)。同時(shí)在低展弦比下相對(duì)同流能力增強(qiáng)，產(chǎn)生的2次流損失就會(huì)更大。泄漏損失在低稠度下可不做考慮，因?yàn)槌矶葴p少，流道變寬，葉尖的橫向壓差減少，泄漏也隨著減小。

在相對(duì)損失部分還引入了能量提取率的概念，這個(gè)概念具體的內(nèi)容在引言中有所介紹。由圖3中的折線圖可以看出，展弦比變低，能量提取率并沒有明顯的變化，但稠度的降低，能量提取率的降低十分明顯。一方面表明能量提取率對(duì)低稠度葉輪性能指標(biāo)可產(chǎn)生作用，另一方面說明如何提高等熵效率和能量提取率這兩方面對(duì)低稠的葉輪都很重要。

綜上所述，低稠下不同展弦比下葉型損失增加量都遠(yuǎn)大于其余2種損失?？梢娨鸬统矶刃识附岛湍芰刻崛÷蕼p少的主要原因來自葉型損失。

2.3 低稠度葉尖渦輪的流動(dòng)特性分析

葉尖渦輪稠度受風(fēng)扇轉(zhuǎn)子稠度制約，遠(yuǎn)低于常規(guī)渦輪情況，低稠度是葉尖渦輪最大的氣動(dòng)特點(diǎn)。圖5對(duì)比了稠度為1.6～0.6時(shí)葉尖渦輪的馬赫數(shù)、靜壓等參數(shù)變化，可以發(fā)現(xiàn)在低稠度情況下葉尖渦輪的流動(dòng)發(fā)生了顯著的變化。

圖5 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和葉輪性能隨稠度的變化

上節(jié)得出低稠度下葉型損失是低稠的葉輪性能下降的主要原因。而葉型損失急劇變大的原因(結(jié)合圖5)來自于葉背處產(chǎn)生的大面積的分離渦(0.6稠度)。該分離渦從吸力面前緣開始，且不斷發(fā)展壯大，到出口又與尾跡發(fā)生摻混，產(chǎn)生了大量的渦流損失。此時(shí)葉柵流道中大部分氣流幾乎沒有對(duì)葉輪做功，約1/2的氣體直接以初始馬赫數(shù)沖過葉輪通道，氣流偏轉(zhuǎn)能力下降了一半。同時(shí)單個(gè)葉片的載荷隨著稠度的降低明顯提升，葉片載荷由均勻加載變?yōu)榈湫偷那安考虞d，頭部載荷增加極為顯著。

低稠度下葉尖渦輪內(nèi)的這種流動(dòng)變化可以用葉柵喉道位置的變化來解釋(見圖6)：在稠度降低過程中，葉柵喉道不斷前移，并且隨著柵距拉大，導(dǎo)致葉柵流道對(duì)氣流的加速能力下降，直至喉道移出葉柵流道。并且隨著吼道移出流道，流道對(duì)氣流的膨脹能力極速下降，流道內(nèi)氣流加速能力被削弱，進(jìn)口C1減小，氣流在葉背轉(zhuǎn)折角較大的地方分離明顯，氣流發(fā)生大規(guī)模分離和回流與尾跡發(fā)生摻混產(chǎn)生大型渦團(tuán)阻塞流道，導(dǎo)致氣流損失急劇增加，整級(jí)效率急劇下降。

圖6 葉柵喉道位置隨葉柵稠度降低的變化

綜上所述：葉尖渦輪稠度受風(fēng)扇轉(zhuǎn)子稠度制約，遠(yuǎn)低于常規(guī)渦輪水平，此時(shí)葉輪喉道前移至通道外，葉片對(duì)氣流的約束能力很差，流道內(nèi)出現(xiàn)大規(guī)模分離，單個(gè)葉片的載荷急劇增大，而葉輪的做功能力及效率均顯著降低，通道內(nèi)有相當(dāng)部分氣體未參與能量交換就直接流出葉輪，導(dǎo)致葉尖渦輪的性能較低。

3 前加載葉型控制喉道位置方法和影響規(guī)律

由以上分析可知，低稠度渦輪的葉型損失較常規(guī)稠度下的葉型損失要高出5倍。而泄漏損失和2次流損失變化較小。所以，就如何減少葉型損失，提高有效提能區(qū)和提高能量提取率成為提高低稠度渦輪效率和做功能力的主要研究方向。

圖7是稠度為1.6和稠度為0.6的轉(zhuǎn)子葉片表面沿著葉根到葉尖的熵值分布?？梢园l(fā)現(xiàn)：在低稠度下前緣的氣流有明顯的損失激增；原始葉型的最大撓度位置在中部，屬于均勻加載；隨著稠度的降低，葉片表面的載荷分布明顯向前緣靠近。筆者認(rèn)為損失在前緣激增的原因有兩點(diǎn)：第一是稠度減小到0.6，渦輪葉柵的氣動(dòng)喉道被推出流道，渦輪膨脹能力急劇下降，氣流在流道內(nèi)的做功能力大幅減小，氣流在前緣處就發(fā)生了分離，從而損失在前緣處呈現(xiàn)出高梯度式增長(zhǎng)；第二是結(jié)合圖5和圖12可知，低稠度下氣流在前緣載荷過大，而初始葉型卻是均勻加載，導(dǎo)致低稠度下的葉片載荷分布與原始葉型設(shè)計(jì)載荷不匹配，從而使得前緣在低稠下對(duì)氣流攻角的適應(yīng)性變低，同時(shí)氣流本身加速度也過快，增大了前緣摩擦損失等。

圖7 損失沿軸向的分布

圖8 葉型方案

上述原因不管是喉道偏移還是葉片載荷分布特點(diǎn)都與葉片的最大撓度位置相關(guān)。所以本文將對(duì)葉片的最大撓度位置進(jìn)行深入研究。根據(jù)低稠度下的流動(dòng)特點(diǎn)，前部加載葉型較為匹配高性能的低稠度葉型，即初步設(shè)定最大撓度位置靠近葉片前緣的不同方案，并分別對(duì)各個(gè)方案下低稠度(0.6)葉尖渦輪性能的變化進(jìn)行分析，最終得出較優(yōu)的軸向最大撓度位置規(guī)律。通過課題組自編葉型程序，參數(shù)化定量改變最大撓度軸向位置，輸出3組對(duì)比葉型，最大撓度軸向位置分別為10%、 20%、30%，葉型方案如圖8所示。該3組葉型除最大撓度位置變化外，弦長(zhǎng)、葉片厚度分布等幾何參數(shù)均不發(fā)生改變。

圖9～11的稠度都低至0.6，可以明顯發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)喉道被推到了葉片的前緣處。由放大圖可以發(fā)現(xiàn)：在Z=10%時(shí)，氣動(dòng)喉道還有部分被憋在流道內(nèi)，隨著撓度位置到20%時(shí)，氣動(dòng)喉道已經(jīng)被推到了前緣端部，但趨勢(shì)還是在流道內(nèi)；當(dāng)撓度位置提到30%時(shí)，氣動(dòng)喉道已經(jīng)明顯地向外凸了。隨著中弧線最大撓度位置從軸向10%處往葉片尾部變化的過程中，低稠度渦輪的流道內(nèi)部的膨脹加速區(qū)域逐漸縮小，這個(gè)區(qū)域的變化可以反觀葉片尾部分離區(qū)增大而判定。在中弧線最大撓度位于軸向30%位置處，遠(yuǎn)離前緣，葉片尾緣分離渦尺度加大，使得流道中部氣流偏轉(zhuǎn)能力被削弱。由此可知，當(dāng)在稠度降低的過程中，中弧線最大撓度分布規(guī)律沿軸向分布于葉片前端，可以有效滯緩喉道移出流道的速度，從而使低稠度葉柵流道內(nèi)部氣流膨脹加速能力得到一定的保留，提升低稠度渦輪的性能。所以中弧線的最大撓度位置分布規(guī)律可以作為減緩喉道被推出流道的重要技術(shù)措施。

圖9 Z=10%時(shí)葉中相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖

圖10 Z=20%時(shí)葉中相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖

圖11 Z=30%時(shí)葉中相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖

從圖12可以看出：3種撓度位置對(duì)應(yīng)的最大載荷分布位置幾乎與最大撓度位置相對(duì)應(yīng)。同時(shí)，最大撓度位置遠(yuǎn)離前緣時(shí)，在前緣端部的載荷也就越大，即在低稠度下設(shè)計(jì)最大載荷越往后，前緣端部的載荷越大，產(chǎn)生的損失也越高。由此可見，低稠度下的葉片載荷分布與原始葉型設(shè)計(jì)載荷的不匹配會(huì)使前緣的載荷變大，損失激增。

圖12 不同撓度位置葉中靜壓分布

實(shí)際上在3種狀態(tài)下(見表4)撓度在10%時(shí)效率和壓比較20%和30%時(shí)上升幅度要大，因?yàn)槠錃鈩?dòng)喉道的出現(xiàn)使其膨脹更加充分，參與能量交換的氣流更多，能量提取率得到了提升。最大撓度靠近葉片前緣附近時(shí)，相比原型，效率和落壓比都得到一定的提升。當(dāng)最大撓度位置置于軸向10%時(shí)，等熵效率相對(duì)于軸向30%提高了1.94%，出功能力提升4%。基于能量提取定義指標(biāo)，軸向最大撓度位置10%時(shí)，能量提取率相比軸向30%的幅度較大，約為4.4%。但葉型最大加載量越位于前緣附近時(shí)，通道內(nèi)流量降低的趨勢(shì)越明顯。這主要是由于葉型中弧線最大撓度位置靠近前緣時(shí)，喉道仍然處于流道內(nèi)部，通流面積在喉道位置處收縮，使得流量減少。

表4 不同最大撓度位置方案性能參數(shù)對(duì)比

圖13中2個(gè)空白的分布位置主要在貼近吸力面的位置和流道中部的位置。這樣分布的主要原因是在貼近吸力面處有產(chǎn)生大面積分離，而流道中部氣流受到低稠影響，葉片無法有效對(duì)其提取能量，所以這2部分區(qū)域?yàn)榉怯行w能區(qū)。

從有效體能區(qū)的角度來看，最大撓度位置的前移使得靠近吸力面區(qū)域的氣流更有效地偏轉(zhuǎn)，提能區(qū)明顯變大。當(dāng)中弧線最大撓度位置靠近前緣時(shí)，幾何喉道的存在使得氣動(dòng)喉道被“滯留”于葉柵流道前端，造成流道內(nèi)大部分氣流能夠很好地膨脹加速，降低逆壓力梯度，最終在葉片尾緣附近形成的大規(guī)模分離渦團(tuán)尺度較小。相反，中弧線最大撓度位置遠(yuǎn)離前緣時(shí)，結(jié)合圖5分析，幾何喉道移出流道，使得通道內(nèi)氣流加速區(qū)域縮小，尾部分離渦尺寸進(jìn)一步擴(kuò)大。相比原型，中弧線最大撓度位置遠(yuǎn)離前緣至30%位置時(shí)，尾部分離渦急劇增大，流道中部都不能發(fā)生有效偏轉(zhuǎn)，流動(dòng)損失加劇。

綜上所述，低稠度下由于其加載提前的流動(dòng)特征，葉片最大撓度位置應(yīng)盡可能地提前，使得氣動(dòng)喉道能夠適當(dāng)?shù)睾笠?，盡可能地保持在通道內(nèi)部。同時(shí)，最大撓度位置前移動(dòng)能夠使葉片表面實(shí)際載荷與設(shè)計(jì)最大載荷分布相吻合，減少前緣端部載荷，減少損失，從而提高有效體能區(qū)，增加效率。

圖13 不同最大撓度位置下的有效提能區(qū)

4 結(jié)論

針對(duì)新型氣驅(qū)附加涵道風(fēng)扇推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件葉尖渦輪(實(shí)際上就是一個(gè)稠度可低至0.6、展弦比可低至0.4的極低稠度、極低展弦比的軸流渦輪)開展了數(shù)值模擬研究，獲得了葉尖渦輪的相關(guān)氣動(dòng)特性，主要結(jié)論為：

1) 基于CFD損失分離得出引起葉尖渦輪效率陡降的主要原因來自葉型損失。0.6稠度下葉型損失占70%，相比于稠度1.6葉型損失量擴(kuò)大了5倍。而2次流損失和泄露損失占比的增加都不足1倍，常規(guī)展弦比下泄露損失甚至有所減少。由此可知，葉尖渦輪低稠下的葉型損失首要考慮，2次流損失在低展弦比下可做次要考慮，泄露損失在極低稠度下可不做考慮，在極低展弦比下考慮與否取決于實(shí)際應(yīng)用中相對(duì)間隙的增加幅度。

2) 葉型損失的激增主要是由于葉背處產(chǎn)生大面積分離與尾跡發(fā)生殘混引起大范圍的渦流損失造成的。葉尖渦輪低稠度主要的流動(dòng)特性是葉片加載集中在葉片前端呈現(xiàn)前加載特性，喉道位置被推至前緣或者推出流道，氣流在葉背處發(fā)生大面積分離，氣流膨脹能力急劇下降。同時(shí)，低稠下能量提取率和有效提能區(qū)是衡量低稠度渦輪性能的重要指標(biāo)。

3) 低稠度下的流動(dòng)特點(diǎn)呈明顯的前加載特征，葉片最大撓度位置應(yīng)盡可能地提前，使得氣動(dòng)喉道能適當(dāng)?shù)睾笠?，盡可能地保持在通道內(nèi)部。同時(shí)，最大撓度位置前移動(dòng)能使葉片表面實(shí)際載荷與設(shè)計(jì)最大載荷分布相吻合，降低前緣端部載荷，減少損失，從而提高有效體能區(qū)，增加效率。