絆線形狀對壓氣機流動控制影響分析

白 濤，楊曉彤，李文濤

(1.西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院， 西安 710077;2.中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司， 西安 710021;3.北京航空航天大學(xué)， 北京 100191)

不斷提高壓氣機的預(yù)旋速度并配合以先進的三維葉片造型技術(shù)來改進級增壓能力，是目前提高壓氣機級負荷的重要手段。壓氣機級負荷的提高意味著壓氣機端壁和葉片表面出現(xiàn)大范圍的流動分離。有效控制逆壓力梯度下葉片表面的分離是提高壓氣機效率、擴大壓氣機穩(wěn)定工作范圍的重要途徑[1-4]。

目前壓氣機上最常采用的流動控制有主動控制和被動控制兩種。主動控制通過引入能量對流場進行控制，并且一般情況下可以根據(jù)工作狀態(tài)的改變調(diào)整控制參數(shù)。國外對此方面的研究開展較早，1993年美國國家航空航天局和麻省理工學(xué)院合作,通過采用邊界層抽吸技術(shù)降低壓氣機損失，實現(xiàn)提高流量和單級壓比、效率的目的，并通過設(shè)計的一級壓氣機進行了驗證[5]。射流襟翼原理類似于抽吸附面層，是常見的主動控制方法，其原理是通過引入一定量的高能量流體來實現(xiàn)對邊界層的控制，國外針對此開展了大量的研究[6]。國內(nèi)喬渭陽、朱俊強、鄒正平等的科研團隊[7-9]為實現(xiàn)葉輪機械高負荷、高效率，對射流襟翼(吸附式邊界層)在葉輪機械上的應(yīng)用進行了研究，取得了不錯的效果。主動控制技術(shù)成本高，機構(gòu)較為復(fù)雜，不易操作，而被動控制往往可以利用葉片自身的特征、形變或者添加微小的機構(gòu)來改變流場特征從而實現(xiàn)對流場的有效控制。絆線屬于被動控制的一種，常見的絆線技術(shù)主要有在葉片表面添加凹型槽、球窩、矩形條或者利用葉片表面的粗糙度等，以此來促發(fā)轉(zhuǎn)捩提前，從而實現(xiàn)對流動分離的控制。Volino等[10-12]的研究表明，在高負荷低壓渦輪葉片表面設(shè)置矩形拌線雖不能徹底防止流動分離，但對分離泡的強度具有一定的抑制效果，同時得到矩形絆線的最佳深度隨著湍流度和雷諾數(shù)的變化而變化。Jame P L[13]認為在分離點附近加橢圓形凹槽和V型槽可以有效地降低葉型損失。劍橋大學(xué)的ZHANG Xuefeng等[14]對高負荷低壓渦輪葉片吸力面表面設(shè)置拌線、矩形條、凹槽等對葉型損失的影響做了一系列的研究，表明在速度峰值點附近添加絆線控制對流動控制效果最佳。

國內(nèi)中國科學(xué)院工程熱物理研究所盧新根、張波等[15-16]的研究表明：在雷諾數(shù)和湍流度變化的情況下使用表面凹槽的被動控制方法較好，在攻角變化的情況下使用“凸起”拌線和矩形條的被動控制方法更好。高負荷低壓渦輪表面嵌壁式U型槽可以通過提高葉片的攻角范圍，從而間接地降低葉型損失。南京航空航天大學(xué)楊榮菲等[17]通過在PAKB葉型上布置振動“凸包”，從而實現(xiàn)對高負荷低壓渦輪邊界層分離的控制。類似于“凸包”控制，黃進等[18]研究了粗糙度對流動的控制機理,為“凸起”絆線控制技術(shù)提供了思路。

通過在葉片表面采用絆線技術(shù)，不僅可以明顯改善壓氣機的流動分離情況，還可以進一步突破壓氣機設(shè)計的載荷限制，擴展高負荷壓氣機的設(shè)計空間。絆線技術(shù)操作簡單、成本低，但目前對絆線技術(shù)的研究多集中在凹槽這一技術(shù)，而壓氣機葉片表面的凹槽會降低葉片的強度，關(guān)于“凸起”絆線國內(nèi)外研究較少。因此，本文在前人研究[19]的基礎(chǔ)上，以某型壓氣機葉片為研究對象，在寬廣攻角范圍內(nèi)，分析“凸起”絆線形狀對壓氣機性能的影響，為探討絆線技術(shù)在實踐中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 研究方法及研究對象

本文研究對象為某型低壓壓氣機葉片中截面。葉型參數(shù)如表1所示。數(shù)值模擬采用商用軟件CFX15.0求解三維N-S方程，為了更好地模擬逆壓力梯度下的流動，計算選用SST湍流模型和γ-θ轉(zhuǎn)捩模型，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)23萬，近壁處的y+均小于1，近壁處擴張比小于1.2，滿足數(shù)值湍流模型和轉(zhuǎn)捩模型的計算要求。計算網(wǎng)格如圖1所示。計算邊界條件給定進口速度、壓力；出口給定背壓。在不同的攻角下保證壓氣機葉片進口馬赫數(shù)不變，具體參數(shù)如表1所示。

表1 葉型參數(shù)

圖1 網(wǎng)格示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 壓氣機特性

本文首先在寬廣的攻角范圍內(nèi)計算壓氣機的流動特性。通過流動圖分析葉片表面邊界層分離泡大小及分離泡起始位置，為絆線位置和絆線形狀的設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)。本文計算的攻角范圍為-35°～15°。

圖2為壓氣機攻角特性，縱坐標(biāo)為量綱為1的壓氣機葉柵總壓損失系數(shù)。該葉型損失分布規(guī)律符合一般壓氣機葉片攻角特性。在負攻角情況下壓氣機總壓損失系數(shù)較小，因此不屬于本文絆線控制的研究范圍。在正攻角0°～15°時，隨著攻角的增大，葉柵的總壓損失系數(shù)急劇增大。為進一步分析損失增大的機理，圖 3、4分別給出攻角為5°、10°時的流場細節(jié)。由于壓氣機壓力面流動速度低，逆壓力梯度區(qū)域較小，因此壓力面并沒有發(fā)生分離。而在5°和10°情況下，壓氣機葉片吸力面表面發(fā)生明顯的分離直到尾緣，分離泡沒有再附，故為典型的開式分離。由速度矢量圖可以看出，10°攻角下的分離泡高度要明顯高于5°，而且分離泡的起始位置更靠前。壁面剪切應(yīng)力圖可以定量地反映出分離點的起始位置和分離泡的長度。(圖4中橫坐標(biāo)為葉片沿軸向方向的相對位置，縱坐標(biāo)為壁面剪切應(yīng)力軸向方向分量，單位為N/m2)由壁面剪切應(yīng)力圖可以看出，分離點起始位置由距離前緣70%弦長位置處提前到54%弦長位置處，相比較損失也增大57%，分離泡是造成壓氣機損失增大、效率降低的主要原因。有效地控制流動減弱邊界層分離對于提高壓氣機效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

基于上述分析，在設(shè)計絆線時主要參考正攻角下的流動參數(shù)。

圖2 壓氣機特性線

圖3 i=5°時速度矢量圖和壁面切應(yīng)力分布圖

圖4 i=10°時速度矢量圖和壁面切應(yīng)力分布圖

2.2 絆線形狀對壓氣機流場性能影響分析

1) 絆線設(shè)計

基于本文研究及壓氣機的常規(guī)工作情況，選取5°攻角下流場作為絆線設(shè)計的基準(zhǔn)，根據(jù)前期研究基礎(chǔ)，絆線位置設(shè)置在分離點前(距離前緣位置36%～55%軸向弦長位置處)。由于已對矩形絆線進行研究，因此本文設(shè)置絆線形狀分別為三角形、圓形和橢圓形。為不干擾流場，絆線尺寸較小，絆線當(dāng)量高度為1%軸向弦長。壓氣機葉片幾何修型在CAD軟件中完成，絆線設(shè)置示意圖如圖5所示。在本文計算范圍內(nèi)，不同正攻角情況下得到的流動規(guī)律是類似的。以下重點分析攻角為5°時壓氣機流動分離的控制情況，并在全工況范圍內(nèi)進行計算，全面評估不同形狀絆線對流場的影響規(guī)律。

圖5 絆線示意圖

2) 不同絆線形狀流場分析

首先在攻角為5°情況下計算不同絆線形狀對壓氣機流動細節(jié)的影響。流動情況如圖 6～9所示。當(dāng)添加圓形絆線時，由于圓弧絆線尺寸小，因此圓弧曲率變化較大，使得氣體在繞過圓弧時氣流速度發(fā)生較大的變化，因此形成局部強逆壓力梯度區(qū)，此現(xiàn)象類似前緣吸力峰處的流動。在壓氣機逆壓力梯度工作環(huán)境和圓弧絆線附件強的局部逆壓力梯度作用下，壓氣機葉片表面發(fā)生大規(guī)模的分離，分離程度遠大于未添加絆線的原始葉型。

當(dāng)在葉片表面添加三角形絆線時，效果也不盡理想，但由于在同等高度情況下，三角形絆線對流場造成的擾動范圍較圓弧形的更小，因此分離泡的區(qū)域相對于圓弧形有所減小，但比原始葉型有所增加。由壁面剪切應(yīng)力圖可以發(fā)現(xiàn)，添加三角形絆線后使得分離位置從距離前緣70%軸線位置處提前到27%位置。與前兩者不同的是在同等高度情況下，橢圓形絆線的曲率變化更為連續(xù)，因此局部逆壓力梯度較小，可以觸發(fā)分離點區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)捩，從而使得邊界層可以更好地抵抗分離。為了更清楚地看出分離點的位置及分離泡的大小，由壁面剪切應(yīng)力圖(圖10)可以看出：添加橢圓形絆線時，葉片表面的分離區(qū)域得到完全控制。

圖6 i=5° 時流場速度矢量圖

圖7 i=5° 時流場速度矢量圖

圖8 壁面剪切應(yīng)力圖(三角形絆線)

圖9 i=5°時流場速度矢量圖

圖10 壁面剪切應(yīng)力圖(橢圓形絆線)

為了在更寬廣的工況范圍內(nèi)驗證不同絆線形狀對流場性能的影響，本文在-35°～15°攻角范圍內(nèi)計算了不同絆線形狀的壓氣機葉片攻角特性。

為了定量地表示壓氣機損失的大小，定義λ為葉柵總壓損失系數(shù)，它表示氣流流經(jīng)葉柵通道的總損失：

圖11給出了不同攻角下，絆線形狀對葉柵流動性能的影響。由計算結(jié)果可知：在全攻角范圍內(nèi)設(shè)置不同形狀絆線均對流場造成了一定的影響。在本文的研究范圍內(nèi)，橢圓形絆線在全工況范圍內(nèi)都使得壓氣機保持了較低的損失，當(dāng)攻角大于5°時，橢圓形絆線對流動控制效果較好，使得壓氣機總壓損失至少減小18%，雖然在負攻角范圍內(nèi)橢圓形絆線的存在對流場造成干擾，使得損失有所增加，但增加幅度很小，在整個負攻角范圍內(nèi)不超過3.7%。而采用的圓弧形絆線和三角形絆線在全工況范圍內(nèi)都使得總壓損失保持較高的值。

圖11 不同攻角下葉柵通道損失系數(shù)對比

3 結(jié)論

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，通過分析某型壓氣機流動特性，在分離點附近設(shè)置了不同形狀的絆線，計算并對比分析了設(shè)置不同形狀絆線對壓氣機流場細節(jié)及損失特性的影響。

研究結(jié)果表明：絆線形狀對流動情況的影響不可忽略，選擇合理的絆線形狀可以在很寬的攻角范圍內(nèi)抑制邊界層分離。本文所設(shè)置的橢圓形前緣可以在正攻角范圍內(nèi)有效地抑制邊界層分離，同時在其他工況下對流場的干擾較小，因此很大程度地提高了壓氣機效率和穩(wěn)定性，而圓弧形前緣和三角形前緣則控制效果不佳。本文的研究結(jié)果可以為壓氣機被動控制技術(shù)在工程實踐中的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。