正/反彎曲對(duì)高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵流場(chǎng)影響機(jī)理*

（西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和效率的設(shè)計(jì)要求不斷增加，軸流壓氣機(jī)的單級(jí)壓比也不斷提高，這導(dǎo)致壓氣機(jī)中出現(xiàn)尾緣分離和角區(qū)分離等現(xiàn)象。流動(dòng)分離會(huì)導(dǎo)致高的流動(dòng)損失，限制壓氣機(jī)效率、級(jí)負(fù)荷和質(zhì)量流量的提高[1]。因此，有必要對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)分離進(jìn)行控制。

彎曲葉片技術(shù)是由王仲奇院士[2]在20世紀(jì)60年代提出的，最初在渦輪葉片設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，如楊科[3]、趙磊[4]、張曉輝[5]等諸多學(xué)者的研究。1981年，王仲奇提出了附面層遷移理論[6]，指出葉柵內(nèi)能量損失的主要原因是葉柵流道內(nèi)尤其是喉部以后靜壓沿葉高的分布，葉片正彎曲后，在葉片吸力面形成了“C”型壓力分布，即葉展中部靜壓低、兩端靜壓高的分布，在這種靜壓分布下，端壁處的低能流體被吸入主流區(qū)，減弱了低能流體在吸力面角區(qū)的聚集，從而減小葉柵內(nèi)氣流損失。

在壓氣機(jī)領(lǐng)域，研究人員對(duì)彎曲葉片開(kāi)展了大量研究工作。有實(shí)驗(yàn)研究表明，壓氣機(jī)葉片采用彎曲設(shè)計(jì)后性能有著顯著的改善[7-8]。蘇杰先等[9]通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在壓氣機(jī)葉柵中采用彎曲葉片技術(shù),可以達(dá)到控制徑向壓力梯度的目的，進(jìn)而可改善近端壁流動(dòng)，并可提高葉頂間隙的靜壓和降低葉頂區(qū)域氣流馬赫數(shù),進(jìn)一步提高壓氣機(jī)效率。Gummer等[10]將彎曲葉片用于高負(fù)荷跨聲速壓氣機(jī)的靜子葉片設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，該手段可以通過(guò)改變?nèi)~片的徑向負(fù)荷分布來(lái)抑制端壁附面層的發(fā)展，使得角區(qū)分離現(xiàn)象得到有效抑制，并將彎曲葉片技術(shù)成功地應(yīng)用于Rolls-Royce公司BR710發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中。Axel Fischer[11]在一臺(tái)多級(jí)軸流壓氣機(jī)中探究了強(qiáng)彎曲葉片對(duì)其性能和流場(chǎng)的影響；結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)點(diǎn)和堵塞流量下，由于強(qiáng)彎曲葉片表面積明顯大于原始葉片，其壓比、效率均有所降低；在高負(fù)荷工況下，由于強(qiáng)彎曲葉片控制了葉片通道內(nèi)的流動(dòng)分離，壓氣機(jī)的效率、壓比均有所升高。因此，彎曲葉片是有效控制壓氣機(jī)葉柵角區(qū)分離、提高壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的重要技術(shù)手段之一。

王會(huì)社等[12]通過(guò)正彎曲對(duì)壓氣機(jī)葉片表面流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)葉片正彎曲降低了端壁處的橫向壓力梯度,有助于減弱端部的二次流動(dòng)；壓氣機(jī)葉片負(fù)荷沿葉高重新分布，葉片端部負(fù)荷降低，中部負(fù)荷增加；此外，正彎曲葉片還在吸力面形成兩端壓力高,中間壓力低的“C”型壓力分布。陳煥龍等[13]的研究表明，反彎縫隙葉柵使得葉片靜壓比沿展向成“C”形分布的特征。陳浮等[14]對(duì)低速環(huán)形葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，在大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵中采用正彎葉片可以有效減小各個(gè)折轉(zhuǎn)角葉柵的損失；陳紹文等[15]在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了彎曲匹配數(shù)值優(yōu)化研究，給出了葉片彎曲的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了其可以有效擴(kuò)展壓氣機(jī)中彎曲葉片的應(yīng)用范圍,且在大折轉(zhuǎn)角環(huán)形壓氣機(jī)中采用彎曲葉片設(shè)計(jì)是行之有效的。史亞鋒等[16]通過(guò)非定常數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在相同的進(jìn)氣周向總壓畸變強(qiáng)度下，氣流在周向彎曲轉(zhuǎn)子葉尖區(qū)域的流通能力較原型轉(zhuǎn)子都有明顯改善。因此，對(duì)于在葉尖區(qū)域首先發(fā)生流動(dòng)失穩(wěn)的壓氣機(jī)，可以考慮采用周向彎曲葉片改善葉尖區(qū)域流動(dòng)，推遲失速的發(fā)生，提高壓氣機(jī)的抗畸變能力。李龍婷等[17]為壓氣機(jī)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路，即將射流式旋渦發(fā)生器與彎曲葉片相結(jié)合，通過(guò)改變?nèi)~柵內(nèi)二次流結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低損失，改善流場(chǎng)性能。

本文通過(guò)數(shù)值模擬方法，針對(duì)某具有角區(qū)分離和葉片尾緣分離的高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵，展開(kāi)了系統(tǒng)的正/反彎曲葉片的研究，旨在探究不同正/反彎曲葉片型式對(duì)高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵內(nèi)流動(dòng)分離及氣動(dòng)性能的影響機(jī)理。

1 研究對(duì)象及數(shù)值模擬方法

本文研究對(duì)象為某高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵[18]，其具體幾何參數(shù)見(jiàn)表1，其設(shè)計(jì)來(lái)流馬赫數(shù)為0.6，設(shè)計(jì)攻角為0.5°。圖1給出了該壓氣機(jī)葉柵的葉型圖，左側(cè)為氣流進(jìn)口，右側(cè)為氣流出口。

葉片通道網(wǎng)格采用NUMECA軟件包中的AUTOGRID模塊自動(dòng)生成O4H網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)格總數(shù)約103萬(wàn)；該壓氣機(jī)葉柵的葉片表面與端壁的網(wǎng)格如圖2所示。數(shù)值計(jì)算過(guò)程采用FINE/TURBO軟件包，應(yīng)用Jameson有限體積差分格式并結(jié)合Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型對(duì)三維雷諾平均Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，空間離散采用二階精度的中心差分格式，時(shí)間項(xiàng)采用4階Runge-Kutta方法迭代求解，CFL數(shù)取3.0，同時(shí)采用隱式殘差光順?lè)椒ㄒ约岸嘀鼐W(wǎng)格技術(shù)以加速收斂過(guò)程。邊界條件給定進(jìn)口絕對(duì)總溫為288.15K、絕對(duì)總壓為101 325Pa。

表1 葉柵幾何參數(shù)Tab.1 Cascade geometry

圖1 葉型圖Fig.1 Blade profile diagram

圖3 原始葉柵流場(chǎng)分布Fig.3 The original cascade flow field distribution

圖4給出了原始葉柵的流場(chǎng)分布。由圖3(a)可知，50%葉展截面尾緣有附面層分離區(qū)；由圖3(b)可知，葉片吸力面尾緣有一分離線，該尾緣分離線自葉片兩端鞍點(diǎn)起始，貫穿整個(gè)吸力面；在吸力面靠近上下兩端壁區(qū)域，由于端壁附面層的影響，相比于葉展中部，端壁附近分離線更靠近葉片前緣。由圖3(c)可知，葉片前緣馬蹄渦吸力面分支繞過(guò)葉片前緣，在葉片約35%軸向弦長(zhǎng)處與葉片吸力面相交，馬蹄渦壓力面分支在葉柵通道橫向壓力梯度作用下，與相鄰葉片吸力面尾緣相交；端壁低能流體在橫向壓力梯度作用下向吸力面角區(qū)聚集，與吸力面低能流體一起形成角區(qū)分離，圖3(d)中可明顯看出原始葉柵吸力面角區(qū)的三維分離。

圖4 彎曲葉片定義Fig.4 Definition of bowed blade

3 彎曲葉片對(duì)葉柵流場(chǎng)的影響

為探究葉片積疊線沿周向彎曲對(duì)壓氣機(jī)葉柵流場(chǎng)及氣動(dòng)性能的影響，本文設(shè)計(jì)了不同積疊線形式的彎曲葉片（不同正/反彎曲型式及不同彎曲水平等），采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同積疊線形式的彎曲葉柵進(jìn)行研究。

3.1 彎曲葉柵積疊線結(jié)構(gòu)

本文彎曲葉片的積疊線為一段通過(guò)原積疊線上下端點(diǎn)的圓弧，該圓弧由上下點(diǎn)及與彎角α確定，彎角α定義為上下端點(diǎn)處圓弧積疊線與原積疊線夾角。本文分別設(shè)計(jì)了4種正彎葉片和4種反彎葉片，彎角分別為10°，20°，30°和40°，積疊線上下切線與徑向線夾角一致，正彎定義為如圖4所示形式，壓力面凸、吸力面凹，彎角為α。圖6給出了彎角為40°的正彎曲葉片網(wǎng)格圖。

圖5 40°正彎葉片示意圖Fig.5 Schematic diagram of a positive curved blade at an angle of 40 degrees

3.2 葉展中部截面流場(chǎng)分離結(jié)構(gòu)變化

圖6給出了各彎曲葉片50%葉展截面的極限流線圖，由于主流區(qū)流場(chǎng)變化較小，圖中僅給出葉片尾緣的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。對(duì)比直列葉柵流場(chǎng)可知，葉片彎曲對(duì)葉柵50%葉展截面流場(chǎng)影響較大：葉片正彎曲后，葉中截面流場(chǎng)有進(jìn)一步惡化趨勢(shì)，且隨正彎角度增大，葉片尾緣分離區(qū)逐漸增大，葉柵出口氣流角逐漸遠(yuǎn)離吸力面一側(cè)，落后角增大；正彎角為40°時(shí)，葉片尾緣分離渦區(qū)域進(jìn)一步增大，變成2個(gè)方向相反的對(duì)渦。葉片反彎曲后，葉中流場(chǎng)有改善趨勢(shì)，且隨反彎角度增加，葉片尾緣分離渦逐漸減小至消失；在反彎角度為30°時(shí)，葉片尾緣分離區(qū)已經(jīng)消失，葉中截面落后角明顯減小。

圖6 50%葉展截面流線圖（Ma=0.6,i=0.5°）Fig.6 Flow chart of spanwise streamline surfaces

圖7給出了各彎曲葉片50%葉展截面靜壓分布曲線圖。由圖可知，葉片正彎曲后，50%葉展截面約0～58%軸向弦長(zhǎng)位置負(fù)荷增大，58%～100%軸向弦長(zhǎng)負(fù)荷減小，吸力面尾緣分離位置提前。葉片反彎曲后，50%葉展前段負(fù)荷略有降低，后段負(fù)荷增大，尤以彎角為30°，40°明顯，葉片吸力面尾緣分離位置向后移動(dòng)。

3.3 端壁極限流線譜

圖8給出了各正彎葉片端壁處?kù)o壓云圖/極限流線圖。由圖可知，葉片正彎曲后端壁區(qū)域流場(chǎng)有所改善。隨著正彎曲角度增加，葉片前緣馬蹄渦鞍點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離葉片前緣，向葉片通道中部移動(dòng)。馬蹄渦壓力面分支與相鄰葉片吸力面的交點(diǎn)逐漸向葉片前緣移動(dòng)，馬蹄渦吸力面分支繞過(guò)葉片前緣后與葉片吸力面相交，吸力面分支曲率隨正彎曲角度的增加逐漸變大。其主要原因是，葉片正彎曲改善了端壁區(qū)域的流場(chǎng)，同時(shí)葉柵出口靜壓上升表明端壁區(qū)域擴(kuò)壓能力提高。相比于原始葉柵流場(chǎng)對(duì)于葉片前緣，如圖9所示，由靜壓云圖比較可以看出橫向及流向壓力梯度明顯提高，端壁區(qū)域低速流體在逆壓梯度作用下，葉片前緣馬蹄渦分離鞍點(diǎn)向葉柵通道中部移動(dòng)，進(jìn)而形成了葉片前緣馬蹄渦吸力面分支的流動(dòng)變化趨勢(shì)；端壁處沿流向逆壓梯度增大，馬蹄渦壓力面分支在增大的逆壓梯度作用下，沿流向分速度提前減速，與相鄰葉片吸力面交點(diǎn)提前。

圖8 正彎曲葉片端壁靜壓/極限流線圖（Ma=0.6,i=0.5°）Fig.8 Static pressure of positive bowed blade end-wall/ultimate streamline diagram

圖9給出了正彎曲葉柵端壁處?kù)o壓分布圖。由圖可知，相比原始葉柵，隨著葉片正彎曲角度增大，端壁區(qū)域靜壓明顯提高。吸力面、壓力面靜壓值均比原始葉柵提高，葉片前緣靜壓差明顯比原始葉柵增大；葉片表面靜壓分布沿葉片弦長(zhǎng)方向更加平緩，吸、壓力面靜壓差沿弦長(zhǎng)方向更加均勻一致；原始葉柵葉片負(fù)荷主要在葉片前段，正彎曲葉片負(fù)荷分布比較均勻。正彎曲葉片端壁區(qū)域流場(chǎng)的變化導(dǎo)致端壁區(qū)域橫向流動(dòng)增強(qiáng)。由吸力面極限流線圖可知，端壁橫向流動(dòng)增強(qiáng)，并不會(huì)導(dǎo)致端壁區(qū)域流場(chǎng)惡化，吸力面角區(qū)分離區(qū)明顯減弱，在正彎曲角度為40°時(shí)，角區(qū)分離幾乎消失。

圖9 正彎曲葉柵端壁處?kù)o壓分布Fig.9 Static pressure distribution of positive bowed cascade end-wall

圖10給出了各反彎曲葉片端壁處?kù)o壓/極限流線圖，由圖可知，葉片反彎曲導(dǎo)致端壁區(qū)域流場(chǎng)惡化，隨反彎曲角度增加，端壁區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)一步惡化。主要表現(xiàn)在：首先，端壁區(qū)域靜壓隨反彎曲角度增加逐漸降低，表明葉片反彎曲會(huì)導(dǎo)致端壁區(qū)域擴(kuò)壓能力降低；原始葉柵葉片前緣馬蹄渦分離鞍點(diǎn)逐漸向葉片前緣靠近，主要體現(xiàn)了葉片前緣靜壓降低，靜壓梯度減小；其次，端壁極限流線隨反彎曲角度增加而變得紊亂，原始葉柵馬蹄渦壓力面分支與相鄰葉片吸力面交點(diǎn)在葉片尾緣，葉片反彎曲后，馬蹄渦壓力面分支與相鄰葉片吸力面未相交，且隨反彎曲角度增加，馬蹄渦壓力面分支逐漸向葉柵后部移動(dòng)；反彎曲角度為30°時(shí)，端壁角區(qū)形成明顯的旋渦區(qū)，反彎曲角度為40°時(shí)，旋渦區(qū)明顯擴(kuò)大。以上均表明葉片反彎曲會(huì)惡化端壁區(qū)域流場(chǎng)，使得端壁區(qū)域擴(kuò)壓能力降低。

由圖11可知，相比原始葉柵，隨著葉片反彎角增大，端壁區(qū)域靜壓明顯降低。吸力面、壓力面靜壓值均比原始葉柵降低，葉片前緣靜壓差明顯比原始葉柵減小，葉片反彎曲角度為40°時(shí)，葉片前緣靜壓差幾乎為0，該現(xiàn)象引起了馬蹄渦分離鞍點(diǎn)位置的變化。反彎曲角度為10°，20°時(shí)，葉柵端壁處葉片表面靜壓分布與原始葉柵趨勢(shì)一致，變化主要表現(xiàn)在靜壓值有所降低；反彎曲角度為30°，40°時(shí)，葉柵端壁處葉片表面靜壓分布趨勢(shì)與葉柵明顯不同，沿葉片弦長(zhǎng)方向吸、壓力面靜壓差明顯降低，尤以葉片前緣靜壓差降低最為明顯。經(jīng)歷了葉片弦長(zhǎng)中部的壓力升高后，在葉片尾緣，吸、壓力面靜壓均明顯降低，該現(xiàn)象在葉柵端壁靜壓云圖/流線圖中可得到驗(yàn)證，主要是葉片反彎曲后吸力面端壁角區(qū)分離加劇所致。

圖10 反彎曲葉片端壁靜壓/極限流線圖（Ma=0.6,i=0.5°）Fig.10 Static pressure of negative curved blade end-wall/ultimate streamline diagram

圖11 反彎曲葉片端壁靜壓分布Fig.11 Static pressure distribution of a negative bowed blade end-wall

3.4 葉片表面極限流線譜

圖12給出了正彎曲葉片吸力面靜壓/極限流線圖。由圖可知，正彎曲葉片可明顯改善端壁區(qū)域流動(dòng)，抑制角區(qū)分離。正彎角為10°時(shí)，角區(qū)依然可見(jiàn)螺旋結(jié)點(diǎn)，該結(jié)點(diǎn)是角區(qū)分離區(qū)的結(jié)束點(diǎn)；緊鄰該螺旋結(jié)點(diǎn)是葉片吸力面的分離起始鞍點(diǎn)。相比于正彎角10°，正彎角為20°時(shí)，葉柵角區(qū)流場(chǎng)得以明顯改善，角區(qū)分離區(qū)幾乎消失，吸力面角區(qū)的螺旋結(jié)點(diǎn)消失，代之以沿展向的二次流動(dòng)，表明正彎曲葉片可導(dǎo)致端壁區(qū)域低能流體向葉展中部遷移，減弱二次流在角區(qū)的堆積，從而改善端壁區(qū)域流場(chǎng)；由于端壁區(qū)域低能流體的徑向遷移，葉展中部流場(chǎng)被惡化，葉片吸力面分離線向前緣移動(dòng)，分離位置提前，吸力面近端壁區(qū)域分離線起始點(diǎn)向葉展中部移動(dòng)，分離起始鞍點(diǎn)消失，分離線近似為一條直線段。隨著正彎角增大，在正彎角為30°和40°時(shí)，吸力面近端壁處分離線逐漸向葉展中部退化，代之以低能流體的徑向流動(dòng)；近端壁處分離線起始鞍點(diǎn)消失，葉展中部分離線繼續(xù)向葉片前緣移動(dòng)，原始葉柵中部分離線靠近葉片尾緣，近端壁處由于端壁低能流體的作用，分離線靠近葉片前緣，葉片正彎角為30°和40°工況下，由于端壁低能流體的徑向遷移，葉展中部分離線較葉片兩端分離線靠前，呈“C”形；分離線結(jié)構(gòu)由原始葉片的起始于近端壁處，結(jié)束于葉展中部，變?yōu)橛山吮谔?、葉展中部2處起始，共同結(jié)束于約30%葉展的結(jié)點(diǎn)處。

圖12 正彎曲葉片吸力面靜壓/極限流線圖Fig.12 Static pressure of a positive curved blade suction surface/ultimate streamline diagram

圖13給出了反彎曲葉片吸力面靜壓/極限流線圖。由圖可知，葉片反彎曲可有效改善葉展中部流場(chǎng)，吸力面角區(qū)流場(chǎng)明顯惡化。隨著葉片反彎角的增大，葉展中部分離線與原葉片吸力面類似，保持為直線段，并逐漸向尾緣移動(dòng)，葉片彎角為30°，40°時(shí)，葉展中部分離線消失，表明葉片反彎可有效改善葉展中部流場(chǎng)；隨葉片反彎角增大，吸力面角區(qū)分離區(qū)逐漸增大，由原始葉柵的位于吸力面角區(qū)發(fā)展到彎角為40°時(shí)約占吸力面面積的1/3，角區(qū)分離起始位置靠近葉根前緣，角區(qū)流場(chǎng)惡化嚴(yán)重。原始葉柵吸力面未見(jiàn)明顯結(jié)點(diǎn)，葉片彎曲后，在角區(qū)分離線和葉展中部分離線交接處形成一明顯結(jié)點(diǎn)，為角區(qū)分離線和葉展中部分離線的終點(diǎn)，該結(jié)點(diǎn)隨彎曲角度增大而壯大，但隨著葉展中部分離線的消失而消失。由圖13可知，隨反彎角增加，葉片吸力面前緣靜壓逐漸增大，葉片尾緣靜壓逐漸降低。

圖13 反彎曲葉片吸力面靜壓/極限流線圖Fig.13 Static pressure of a negative curved blade suction surface/ultimate streamline diagram

圖14給出了正彎曲葉片壓力面靜壓/極限流線圖，流線方向?yàn)閺挠蚁蜃蟆Ｓ蓤D可知，與原始葉柵相比，壓力面極限流線變化較小，從前緣到尾緣近乎直線段分布，僅在端壁區(qū)域略有變化，隨著正彎角增大，端壁區(qū)域有向葉展中部流動(dòng)的趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)原始誘因是葉柵內(nèi)部靜壓沿展向分布。由圖可明顯看出，隨著正彎角增大，壓力面葉展中部靜壓值逐漸減小，近端壁處?kù)o壓值逐漸增大，在壓力面形成中間靜壓低兩端靜壓高的“C”形壓力分布，該分布趨勢(shì)造成了葉片表面極限流線隨葉片正彎的變化。正彎葉柵內(nèi)部的靜壓分布趨勢(shì)原因可由徑向平衡方程解釋，如下所示。

圖14 正彎曲葉片壓力面靜壓/極限流線圖Fig.14 Static pressure of a positive bowed blade pressure surface/ultimate streamline diagram

公式左端為壓力梯度，該壓力梯度由右端各項(xiàng)決定，第一項(xiàng)為離心慣性力項(xiàng)，第二項(xiàng)為子午面內(nèi)由于流線曲率導(dǎo)致的離心慣性力項(xiàng)，第三項(xiàng)為流體的運(yùn)動(dòng)加速度徑向分量，第四項(xiàng)為葉片力的徑向分量。對(duì)于平面葉柵，r為無(wú)窮大，第一項(xiàng)為0，第2項(xiàng)、第3項(xiàng)也可忽略不計(jì)，直列葉柵中Fr為0，因此直列葉柵內(nèi)靜壓梯度沿徑向?yàn)?，靜壓沿徑向分布比較均勻，S3面內(nèi)靜壓云圖近似為沿葉展方向的直線，葉片壓力面靜壓沿葉展方向分布近似直線，僅在葉片吸力面和葉柵出口由于端壁附面層作用，靜壓分布沿葉展方向有所變化。文中正彎曲葉片使得葉片有指向兩端壁的葉片分力，因此，形成了沿端壁指向葉展中部的靜壓梯度。

圖15給出了各反彎曲葉片壓力面靜壓/極限流線分布圖，流線方向?yàn)閺挠蚁蜃螅蓤D可知，與原始葉柵相比，反彎葉片壓力面極限流線變化較小，與正彎曲葉片類似，壓力面極限流線從前緣到尾緣近乎直線段分布，僅在近端壁處略有變化。隨著反彎角增大，近端壁區(qū)域極限流線有向端壁區(qū)域遷移的趨勢(shì)，其遷移趨勢(shì)的原因同樣是壓力面沿展向的靜壓分布。反彎曲葉片存在著由兩端壁區(qū)域指向葉展中部的葉片分力Fr，因此造成了反彎曲葉柵內(nèi)部從葉展中部指向兩端壁的靜壓梯度，反映在壓力面靜壓圖中是，葉片中部靜壓高，兩端靜壓低，從而形成了反彎曲葉片兩端極限流線的變化趨勢(shì)。

壓力面大部分區(qū)域極限流線分布比較平直，變化較小，僅在端壁區(qū)域隨著葉片彎曲角度的變化而變化，吸力面極限流線變化較大，該現(xiàn)象的原因是葉片壓力面為工作面，附面層較薄，低能氣體較少，不易形成類似吸力面的極限流線分布；近端壁區(qū)域，由于端壁處附面層較厚，低能氣體較多，附面層內(nèi)低能流體隨靜壓梯度遷移趨勢(shì)比較明顯，因而形成了壓力面極限流線隨葉片彎曲角度的變化趨勢(shì)。

圖15 反彎曲葉片壓力面靜壓/極限流線圖Fig.15 Static pressure of a negative bowed blade pressure surface/ultimate streamline diagram

圖16給出了各正彎曲葉片三維流線圖。該三維流線圖由葉柵進(jìn)口端壁起始，主要顯示了端壁低能流體向柵后、沿葉片展向遷移路徑及趨勢(shì)。圖16可進(jìn)一步驗(yàn)證前面所述的正彎曲葉片可改善端壁區(qū)域尤其是角區(qū)流場(chǎng)，惡化葉展中部流場(chǎng)的結(jié)論，同時(shí)顯示了端壁低能流體隨正彎曲角度增大的變化趨勢(shì)。與原始葉柵相比，葉片正彎曲后，吸力面角區(qū)流場(chǎng)明顯改善，正彎曲角度大于20°后，角區(qū)分離區(qū)明顯消失，端壁區(qū)域低能流體在葉柵吸力面角區(qū)的聚集明顯消失，在靜壓梯度的作用下，變?yōu)檠囟吮谙蛉~展中部的徑向流動(dòng)，且隨正彎角增大，端壁區(qū)域的低能流體在吸力面近端壁區(qū)域更加貼近吸力面向葉展中部遷移，表明端壁區(qū)域低能流體減少，未在角區(qū)聚集；端壁區(qū)域的低能流體和葉展中部的低能流體一起構(gòu)成了葉展中部三維分離區(qū)。圖中顯示了隨著正彎角的增大，端壁低能流體徑向遷移趨勢(shì)增大，葉展中部分離區(qū)域擴(kuò)大。

圖16 正彎曲葉片三維流線圖Fig.16 Three-dimensional streamline diagram of positve bowed blade

圖17給出了正彎角為40°時(shí)彎曲葉柵不同S3截面靜壓/流線分布。由圖可知，葉片正彎曲后，葉柵通道內(nèi)靜壓分布與原始葉柵相比變化較大，原始葉柵靜壓平行于葉展方向呈條帶狀分布，葉片正彎曲后靜壓等值線均大致垂直于端壁，并未與葉片彎曲方向平行；由于葉片徑向力的作用，在近端壁靠近葉片壓力面一側(cè)的三角區(qū)域形成高壓區(qū)，在葉片吸力面一側(cè)葉展中部葉片凹陷區(qū)域形成低壓區(qū)域。這與前面所述的葉片徑向分力導(dǎo)致的靜壓分布趨勢(shì)一致。葉柵通道內(nèi)S3面靜壓梯度一方面為沿端壁壓力面?zhèn)戎廖γ鎮(zhèn)仍僦廖γ嫒~展中部，另一方面為沿端壁壓力面一側(cè)向壓力面葉展中部。葉片壓力面附面層較薄、低能流體少，低能流體的遷移不明顯，葉柵端壁及吸力面?zhèn)雀矫鎸雍?，低能流體沿靜壓梯度的遷移比較明顯。

圖17 正彎角40°葉柵S3面靜壓/流線分布Fig.17 Static pressure/Streamline distribution of a positive bowed cascade's S3 surface at angle of 40 degrees

葉片彎曲后，通道渦的位置及形態(tài)變化較大。40°正彎葉片通道渦約從33.09%軸向弦長(zhǎng)位置起始，與原始葉柵相同，但起始位置渦核沿柵距方向位置明顯比原始葉柵靠近葉片吸力面，隨后各軸向弦長(zhǎng)位置處渦核與原始葉柵相比均向葉柵吸力面有所偏移，向吸力面偏移的原因是自端壁壓力面?zhèn)鹊轿γ鎮(zhèn)?、再到吸力面葉展中部的靜壓梯度。49.63%軸向弦長(zhǎng)之前，通道渦形狀與原始葉柵通道渦類似，均為扁平類橢圓狀。66.17%軸向弦長(zhǎng)位置處渦核位于吸力面角區(qū)，由于該位置的靜壓梯度作用導(dǎo)致低能流體由端壁向葉片吸力面遷移，且該處通道渦為適應(yīng)吸力面角區(qū)的形狀，該處通道渦形狀變?yōu)轭惾切巍?2.72%軸向弦長(zhǎng)后，通道渦位置沿葉片吸力面向葉展中部抬升，到葉柵出口通道渦渦核已升至約10%葉展。進(jìn)一步證明了正彎曲葉片對(duì)葉柵內(nèi)低能流體的作用。

圖18給出了各反彎曲葉片三維流線圖。該三維流線圖由葉柵進(jìn)口端壁起始，主要顯示了端壁低能流體向柵后、沿葉片展向遷移路徑及趨勢(shì)。圖中明顯驗(yàn)證了前面所述的反彎曲葉片可惡化端壁區(qū)域流場(chǎng)，加劇角區(qū)分離，并顯示了隨葉片反彎角度增大端壁區(qū)域低能流體進(jìn)一步在角區(qū)聚集的趨勢(shì)。隨葉片反彎角增大，角區(qū)分離區(qū)明顯增大，由原始葉柵的局限于吸力面角區(qū)局部到反彎角為40°時(shí)幾乎占據(jù)了半個(gè)葉柵通道。與葉片正彎相比，葉片反彎明顯遏制了端壁區(qū)域低能流體向葉展方向的遷移，惡化了端壁區(qū)域流場(chǎng)。

圖18 反彎曲葉片三維流線分布Fig.18 Three-dimensional streamline distribution of a negative curved blade

圖19給出了反彎角為40°時(shí)彎曲葉柵不同S3截面靜壓/流線分布。葉片反彎曲后，葉片通道內(nèi)靜壓分布、通道渦分布與原始葉柵相比變化較大。葉片反彎曲后，葉片對(duì)氣流的徑向分力方向?yàn)檠厣舷聝啥吮趨^(qū)域指向葉展中部，因此形成了葉展中部靜壓高、兩端壁區(qū)域靜壓低的靜壓分布，尤其是在壓力面葉展中部形成了高靜壓區(qū)域；葉片吸力面沿葉展方向靜壓分布為葉展中部靜壓高，兩端壁靜壓低，形成反“C”形靜壓分布，該分布形式對(duì)于低能流體沿展向分布不利，從而使得吸力面角區(qū)分離加劇。

葉片反彎曲后，通道渦的形成及其結(jié)構(gòu)與原始葉柵有較大差別。原始葉柵通道渦起始位置為33.09%軸向弦長(zhǎng)，葉片反彎后通道渦起始位置靠后，在66.17%軸向弦長(zhǎng)位置處，起始位置渦核在壓力面附近；沿葉柵軸向弦長(zhǎng)向后，通道渦較原始葉柵和正彎曲葉柵小，且渦核位置均靠近壓力面一側(cè)。壓氣機(jī)葉柵內(nèi)通道渦形成原因是端壁的橫向壓力梯度，端壁處的低能流體在橫向壓力梯度的作用下，向吸力面遷移；葉片反彎曲后，端壁處橫向靜壓梯度降低，且在葉片吸力面形成了中間靜壓高，兩端靜壓低的靜壓分布，不利于端壁處的低能流體向葉展方向遷移，對(duì)端壁區(qū)域的橫向流動(dòng)同樣是種阻礙，導(dǎo)致了葉柵通道渦形成靠后，且渦核位置靠近葉片壓力面一側(cè)。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法，針對(duì)某高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵，設(shè)計(jì)了不同彎曲水平的正/反彎曲葉片，探究了正/反彎曲對(duì)葉柵流場(chǎng)及氣動(dòng)性能的影響機(jī)理，結(jié)論如下：

1）葉片正彎曲在葉片吸力面形成了中間靜壓低、兩端靜壓高的“C”形靜壓分布，可有效改善壓氣機(jī)葉柵近端壁流場(chǎng)，顯著抑制角區(qū)分離，使得端壁區(qū)域擴(kuò)壓能力提高；正彎曲可增大葉展中部區(qū)域負(fù)荷，惡化葉中流場(chǎng)，增大葉中流動(dòng)分離。與常見(jiàn)結(jié)論不同的是，該葉柵葉展中部0～58%軸向弦長(zhǎng)負(fù)荷增加，58%～100%軸向弦長(zhǎng)負(fù)荷減少。

2）葉片反彎曲在葉片吸力面形成了中間靜壓高、兩端靜壓低的反“C”形靜壓分布；可顯著惡化近端壁區(qū)流場(chǎng)，角區(qū)分離區(qū)增大，端壁區(qū)域擴(kuò)壓能力降低，葉中流場(chǎng)有所改善。隨著反彎曲角度增大，葉片吸力面端壁前緣靜壓逐漸增大。

3）對(duì)于正彎曲40°葉柵，端壁處通道渦起始位置不變，但起始位置渦核與各軸向弦長(zhǎng)位置渦核受靜壓梯度影響均向葉柵吸力面靠攏。對(duì)于反彎曲40°葉柵，葉片通道渦起始位置靠后，在66%軸向弦長(zhǎng)處，渦核起始位置受靜壓梯度影響靠近壓力面一側(cè)。