葉型加工中特殊前緣形狀試驗研究*

吳 東 黃 萍 姚若鵬 高麗敏 王浩浩

（1.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院；2.西北工業(yè)大學(xué) 能源與動力學(xué)院）

0 引言

在發(fā)動機的研制過程中，加工、制造與檢測是保證發(fā)動機性能的重要環(huán)節(jié)。隨著風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計水平的提高，葉片大量采用彎、掠、扭等各種先進的設(shè)計形式，但葉片加工數(shù)量多，難度大，現(xiàn)階段的加工誤差不可避免。隨著國家“兩機專項”實施以來，大量的試制任務(wù)也給風(fēng)扇/壓氣機葉片的加工與檢測帶來了較大的挑戰(zhàn)。我國加工工藝處在數(shù)控加工、半精加工的階段，刀具變形與加工的振動、殘余應(yīng)力、刀具的磨損，裝卡定位、手工打磨等方法使得葉型的誤差任意性較大，隨之帶來的前后緣厚度誤差、弦長誤差、截面的扭轉(zhuǎn)誤差均比較大，嚴重影響加工的質(zhì)量，進而影響壓氣機的性能。另一方面，多個壓氣機實體之間的數(shù)據(jù)傳遞，工藝與成本之間的相互妥協(xié)，也是制約加工質(zhì)量的重要因素。

目前，對于風(fēng)扇/壓氣機的前緣形狀已經(jīng)有較多研究[1-4]，工程上普遍采用橢圓前緣，性能上比傳統(tǒng)的圓弧形前緣更具優(yōu)勢，但是難以避免加工上的誤差。加工誤差必然引起葉片的性能變化，研究發(fā)現(xiàn)長期使用過程中壓氣機的性能衰退主要是由于葉片表面粗糙度的增加、葉頂間隙的增大和葉片型面的改變引起的[5-6]。而加工誤差進一步增大了葉片型面的變化，其中前緣形狀的變化最為關(guān)鍵，國內(nèi)外各大研究機構(gòu)均對此進行過大量的研究。Suder和Chima(1994)[7]的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與葉片其他部位相比，葉片前緣的局部表面形狀變化直接影響附面層沿葉面的發(fā)展，對葉片氣動性能起主導(dǎo)影響作用。Goodhand和Miller[8]研究了前緣吸力峰對葉型損失的影響。發(fā)現(xiàn)前緣吸力峰高度超過臨界值時，葉型損失大幅度增加。中國航空研究院624所李正[9]為解決當前緣形狀偏離橢圓較大時，采用橢圓度方法難以準確評估橢圓形狀對壓氣機性能影響這一難題，引入銳化度參數(shù)直觀描述橢圓前緣的尖銳程度，為葉片設(shè)計提供依據(jù)。宋寅等[10]通過數(shù)值模擬研究了前緣形狀對壓氣機氣動性能的影響，顯示使用曲率連續(xù)的葉片前緣，可以推遲葉型損失的增大。高麗敏等[11]通過數(shù)值方法較為系統(tǒng)的研究了前緣形狀誤差對葉型氣動性能的影響。

在實際加工中對于葉片前緣形狀的要求越來越嚴格，為了能夠更好的識別出不同前緣形狀的性能差異，本文主要針對在葉片加工中常見的三種特殊前緣形狀：偏頭、尖頭、平頭前緣，加上標準的基元葉型前緣一共四種形狀，通過數(shù)值計算與試驗驗證的方式，對四種前緣形式的性能變化進行研究，以提高葉片的加工質(zhì)量和加工效率。

1 試驗簡介

1.1 試驗設(shè)備

本試驗是在西北工業(yè)大學(xué)翼型葉柵空氣動力學(xué)實驗室的連續(xù)式高亞音速葉柵風(fēng)洞上進行的。該風(fēng)洞經(jīng)過大量的平面葉柵吹風(fēng)試驗的試驗驗證。葉柵風(fēng)洞的主要裝置構(gòu)成包括氣源、穩(wěn)壓段、收斂段、實驗段、端壁附面層抽吸裝置和調(diào)控系統(tǒng)，如圖1所示。氣源由三臺R602型羅茨鼓風(fēng)機并行供氣，供氣量為9.9kg/s，總功率為555kW。穩(wěn)壓段為圓筒型結(jié)構(gòu)，長度為7m；收斂段又分為兩段，一段與穩(wěn)壓段相連，其截面由圓形變?yōu)榫匦?；另一段則為可調(diào)式矩形截面收斂段，其出口面積能根據(jù)葉柵實驗（攻角）狀態(tài)無級調(diào)節(jié)。實驗段(包括可調(diào)式矩形截面收斂段)的最大風(fēng)口尺寸為100×300mm，進口馬赫數(shù)的范圍是M1=0.3～0.95。試驗件固裝于實驗段的一個圓盤上，圓盤可由電機和蝸桿、蝸輪機構(gòu)驅(qū)動，在鉛垂平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)葉柵試驗攻角的無級調(diào)節(jié)。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Test rig

1.2 試驗方法

對于將進行試驗的四套葉柵試驗件，皆采取了相同試驗方案，具體操作時通過調(diào)整進氣角將葉柵對準氣流方向，然后開啟葉柵風(fēng)洞，通過調(diào)整蝶閥控制進口馬赫數(shù)從小到大增加，對每個馬赫數(shù)工況測量葉柵進口總溫總壓，葉型表面靜壓以及柵后的總壓，靜壓和氣流方向，根據(jù)實驗測量數(shù)據(jù)計算出葉片表面馬赫數(shù)分布、出口損失分布、落后角分布等。在試驗時，通過計算機測控界面實時觀測葉片表面壓力變化及葉柵尾跡曲線。

2 葉柵試驗件設(shè)計

根據(jù)平面葉柵的設(shè)計要求，從某項目的根部葉型中提取出設(shè)計的基元葉型，進口馬赫數(shù)0.781，處于亞音速狀態(tài)，氣動彎角在30°～40°，基元葉型數(shù)據(jù)見表1。采用可控擴散葉型設(shè)計技術(shù)生成葉型，得到葉型幾何數(shù)據(jù)，見表2。

圖2 葉柵風(fēng)洞試驗控制界面Fig.2 Command interface of cascade wind tunnel test

表1 基元葉型參數(shù)Tab.1 Parameters of profile

表2 葉型幾何數(shù)據(jù)Tab.2 Geometry Parameters of blade profile

2.1 特殊前緣形狀設(shè)計

以此基元葉型為標準葉型，設(shè)計出加工中具有代表性的特殊前緣形狀：偏頭、尖頭和平頭前緣。在葉型生成中，在改變前緣形狀的同時保持葉片其余設(shè)計參數(shù)不變。即保持葉身相同，僅改變前緣形狀，生成新的葉型。圖3為標準葉型設(shè)計圖。

圖3 標準葉柵形狀示意圖Fig.3 Sketch map of standard leading edge shape

圖4 不同前緣形狀的設(shè)計方式Fig.4 The design measures of the special leading edge shapes

偏頭前緣的設(shè)計以中弧線偏離角度α確定，見圖4（a）所示，尖頭前緣和平頭前緣的設(shè)計準則，采用距前緣距離L的一段OA，取中點作垂線與前緣輪廓交于CD兩點，以Hcd與L的比值作為參考，見圖4（b）所示。比值偏大則形狀偏向平頭，比值偏小則形狀偏向尖頭，本文所選特殊前緣形狀皆是實際加工中出現(xiàn)的超差典型特征。圖5中a，b，c分別是不同前緣形狀的葉型和標準葉型對比圖，圖中綠色的為上下公差帶，紅色的為標準葉型的輪廓線。

圖5 不同前緣形狀的葉型和標準葉型對比Fig.5 The comparison of different leading edge and standard blade profile

2.2 數(shù)值計算簡介

針對四種不同前緣形狀的葉型，文中對設(shè)計進口馬赫數(shù)下的葉柵進行了數(shù)值計算。采用FLUENT軟件進行流場模擬。計算域的網(wǎng)格為一層網(wǎng)格，葉型前緣距計算域進口的軸向距離約為8倍弦長；葉型尾緣距計算域出口的軸向距離約為12倍弦長。整個計算域網(wǎng)格數(shù)約為3萬，葉型近壁面第一層網(wǎng)格與壁面距離Y+≈2。計算采用k-e模型，進口條件為總壓，總溫，出口為靜壓，網(wǎng)格兩側(cè)邊界設(shè)置為對稱邊界。通過調(diào)整出口靜壓使得進口的馬赫數(shù)滿足試驗要求。

2.3 葉型損失

葉型損失主要包括附面層內(nèi)氣體的摩擦損失、附面層分離損失(尤其是激波-附面層相互干擾導(dǎo)致的分離)、尾跡損失及通過激波時的損失?？倝簱p失是表征基元葉型設(shè)計好壞的主要參數(shù)，而總壓恢復(fù)系數(shù)的變化往往與其相關(guān)聯(lián)。本文中損失系數(shù)的計算公式為：

式中，p1*為葉型通道進口面總壓，p2*為葉型通道出口面總壓，p1為葉型通道進口面壓力。通常情況下是p2*＜p1，即出口總壓小于進口靜壓。計算葉柵損失的時候，取前后兩排葉柵距離其前后緣大約0.45個柵距位置作為總壓的選取位置，這是為了與試驗的測點保持基本一致，截面1，2示意如圖6。

圖6 計算損失選取位置Fig.6 The position of loss calculation

2.4 試驗狀態(tài)

表3為試驗中四套葉柵的各個測量工況。試驗中對接近設(shè)計攻角下的兩個馬赫數(shù)（0.5、0.65）進行了雙通道測量，確定在周期性滿足要求的情況下讀取葉柵試驗參數(shù)。

表3 吹風(fēng)試驗測量工況Tab.3 Measuring parameters of wind tunnel test

圖7為葉柵試驗件實體圖，標準前緣形狀葉柵。

圖7 試驗葉柵實物圖Fig.7 The test cascade

3 不同前緣形狀對性能的影響

以下將分別從不同進口氣流角和進口馬赫數(shù)的角度進行不同前緣形狀的對比分析。

3.1 不同進口氣流角下的影響

圖8為設(shè)計馬赫數(shù)0.78時，不同進口氣流角下葉柵試驗和數(shù)值計算損失對比。不同進口氣流角下的損失變化，實際反映的是不同前緣形狀對葉型攻角特性的影響。在靠近設(shè)計攻角即進口氣流角51°時，數(shù)值計算的損失沒有明顯變化，試驗結(jié)果顯示平頭前緣（exp-03）和尖頭前緣（exp-04）的損失分別增大了63.8%和96.6%，偏頭前緣帶來的損失比標準前緣更小，此處分析與設(shè)計攻角值和偏頭的偏轉(zhuǎn)方向有關(guān)。從零攻角向負攻角的方向，尖頭前緣和平頭前緣的損失增加更多；雖然試驗和數(shù)值計算的結(jié)果均顯示損失急速增大，有一定的相似性；但試驗顯示尖頭前緣的低損失攻角范圍最窄，損失最大，計算結(jié)果顯示尖頭前緣的損失較小。分析是因為試驗葉型存在一定的加工誤差，又計入了葉型表面粗糙度等帶來的損失，相比數(shù)值計算中葉型的理想狀態(tài)，損失是更大的?？梢娖矫嫒~柵的數(shù)值計算可用來預(yù)測變化趨勢，在需要確定參數(shù)數(shù)值時應(yīng)當謹慎使用。

圖8 Ma=0.78時，不同進口氣流角下葉柵試驗和數(shù)值計算損失對比Fig.8 The loss comparison of cascade experiment and calculation in different inlet angles(Ma=0.78)

圖9和圖10分別給出了Ma=0.78時，四套葉柵的氣動彎角特性和靜壓升對比。圖中顯示平頭前緣的氣動彎角最小，尖頭前緣的靜壓升能力最差。在工程應(yīng)用中，尖頭前緣更易受侵蝕影響，由此導(dǎo)致性能和強度的問題更加嚴重，因此葉型加工中的尖頭前緣是應(yīng)當嚴格避免的。

圖9 Ma=0.78時，不同進口攻角下的氣動彎角特性對比Fig.9 The performance comparison bending angle in different inlet attack angles(Ma=0.78)

圖10 Ma=0.78時，不同進口氣流角下的靜壓升對比Fig.10 The static pressure rise comparison of different inlet angles(Ma=0.78)

圖11為Ma=0.65時，四套葉柵試驗件在不同進口氣流角下?lián)p失、氣動彎角、靜壓升對比圖。在低速情況下，亞音葉型的低損失攻角范圍變大，四套葉柵的損失變化相對較小，靠近設(shè)計攻角處平頭前緣（exp-03）和尖頭前緣（exp-04）的損失分別增大了23.4%和8.05%。從零攻角往負攻角的方向，仍然呈現(xiàn)出尖頭前緣和平頭前緣損失增加的趨勢。從彎角特性和靜壓升圖上看到，仍然是平頭前緣的氣動彎角最小，尖頭前緣的靜壓升能力最差。

圖11 Ma=0.65時不同進口氣流角下的性能對比Fig.11 The performance comparison of different inlet angles(Ma=0.65)

3.2 不同進口馬赫數(shù)下的影響

圖12為葉柵損失隨進口馬赫數(shù)的變化情況，圖中51exp-01表示進口氣流角為51°時的標準前緣葉型，圖中給出了進口氣流角為47°，51°，54°時的情況。在低速即Ma=0.70以內(nèi)時，葉柵前緣形狀和進口氣流角變化所帶來的影響相對較小，葉型損失隨著進口馬赫數(shù)的增加而增加。

圖12 葉柵損失隨進口馬赫數(shù)的變化Fig.12 The changes of cascades loss as inlet mach numbers variation

圖中顯示，在進口氣流角54°時，即小的正攻角區(qū)間內(nèi)，葉柵前緣形狀引起的損失變化隨馬赫數(shù)的增加并不明顯，葉柵處于低損失攻角范圍內(nèi)性能良好，在馬赫數(shù)0.8以內(nèi)的損失都在0.10以內(nèi)。

在設(shè)計攻角附近即51°時，葉型損失隨著馬赫數(shù)的增加而增大，尖頭前緣和平頭前緣的損失增大幅度更為劇烈。當葉柵處于負攻角狀態(tài)即進口氣流角47°時，葉柵的損失整體劇烈增加，尖頭前緣和平頭前緣的損失更大，意味著當壓氣機處在非設(shè)計狀態(tài)工作時，前緣的加工超差將會導(dǎo)致壓氣機性能更快的衰減。由此可見特殊前緣對性能影響的程度，與標準前緣葉型的設(shè)計參數(shù)和工作狀態(tài)密切相關(guān)，當標準前緣葉型的損失隨著工作狀態(tài)變化而增大時，平頭前緣和尖頭前緣的葉型將會放大損失。偏頭前緣由于偏轉(zhuǎn)方向?qū)θ~型攻角范圍的影響，則需更進一步的研究。

4 結(jié)論

本文針對亞音葉型的標準前緣形狀及其加工超差中典型的特殊前緣形狀：偏頭前緣、平頭前緣、尖頭前緣，進行了四種前緣形狀的平面葉柵試驗研究，通過不同進口氣流角、不同進口馬赫數(shù)下的對比分析可以得出以下結(jié)論：

1）在各個狀態(tài)下，平頭前緣葉型的氣動彎角最小，尖頭前緣葉型的靜壓升能力最差，在葉柵設(shè)計狀態(tài)相對標準前緣的損失分別增大了63.8%和96.6%。

2）葉型加工中特殊前緣形狀對性能的影響大小，與標準前緣葉型的設(shè)計參數(shù)和工作狀態(tài)密切相關(guān)。當標準前緣葉型損失較小時，特殊前緣引起的損失變化相應(yīng)較??；當標準前緣葉型的損失隨著工作狀態(tài)變化而增大時，平頭前緣和尖頭前緣的葉型將會放大本來的葉型損失。這將導(dǎo)致壓氣機在非設(shè)計狀態(tài)下的工作性能衰退。

3）平面葉柵的數(shù)值計算可用來預(yù)測性能變化趨勢，在確定參數(shù)數(shù)值時應(yīng)當謹慎使用。

4）偏頭前緣由于偏轉(zhuǎn)方向?qū)τ谌~型攻角范圍的影響，還需更一步的研究。