漸縮式射流縫對(duì)靜子葉柵流場(chǎng)性能影響的數(shù)值研究

皋天一，張國(guó)臣，徐志暉，劉鵬程

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

1 引言

壓氣機(jī)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心組成部件，提高其總增壓比、效率和穩(wěn)定工作范圍等一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1]?，F(xiàn)階段壓氣機(jī)設(shè)計(jì)持續(xù)向高負(fù)荷、高增壓比以及較寬廣的穩(wěn)定工作范圍方向發(fā)展，但高負(fù)荷就意味著壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)更為復(fù)雜，甚至引起壓氣機(jī)效率降低和穩(wěn)定工作范圍下降[2]。通常，造成壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)失穩(wěn)的主要原因，有氣流分離、泄漏流、激波/附面層干涉等多種復(fù)雜機(jī)制[3]。壓氣機(jī)葉柵在大攻角或高負(fù)荷情況時(shí)，氣流受較大的逆壓力梯度影響，葉片表面易出現(xiàn)附面層分離的現(xiàn)象，且隨著來(lái)流攻角的增大分離區(qū)也增大，而葉片表面附面層分離會(huì)使葉柵通道氣流堵塞，阻礙主流流動(dòng)，導(dǎo)致壓氣機(jī)流量減小，最終造成壓氣機(jī)流動(dòng)損失及內(nèi)部流動(dòng)失穩(wěn)[4]。

為控制葉片表面附面層分離，對(duì)葉片進(jìn)行從吸力面到壓力面的開(kāi)縫處理，利用葉型兩面之間的壓差形成高速射流，向吸力面分離區(qū)低能流體注入能量，從而起到吹除附面層、降低流動(dòng)損失的作用[5]。張相毅等[6]對(duì)NASA67風(fēng)扇葉片進(jìn)行研究，提出從葉片壓力面到吸力面開(kāi)孔射流以延緩葉片尾緣氣流分離的技術(shù)，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法初步表明開(kāi)孔射流能有效改善風(fēng)扇葉片流場(chǎng)，提高壓氣機(jī)的性能和穩(wěn)定工作范圍。曹朝輝等[7]進(jìn)行了某葉型開(kāi)縫前后葉柵特性的數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)開(kāi)縫射流能夠改善葉柵表面靜壓分布，從而增大氣流的轉(zhuǎn)折能力，降低葉柵總壓損失；同時(shí)也指出，對(duì)于開(kāi)縫射流的結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步研究。周敏等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在葉片尾緣80%～94%葉高位置進(jìn)行開(kāi)縫處理，開(kāi)縫射流對(duì)葉片壓力面附面層有一定的抽吸作用，并且射流還可以控制吸力面附面層內(nèi)氣流由葉根向葉尖潛移，從而防止低能流體在葉尖堵塞。吳培根等[9]研究了槽道出口位置對(duì)葉柵性能的影響，得出了對(duì)于大彎度、高負(fù)荷葉型，在大攻角分離情況下，槽道出口最佳位置在葉型吸力面中部附近的結(jié)論。胡家國(guó)等[10]利用葉尖開(kāi)縫射流進(jìn)行壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)研究，發(fā)現(xiàn)射流縫的抽吸作用能減小葉尖間隙泄漏，從而擴(kuò)寬壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度，雖性能損失與擴(kuò)穩(wěn)效果負(fù)相關(guān)，但峰值效率的下降仍在合理范圍內(nèi)。王如根等[11]提出一種弧線形縫隙射流的方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)得出該射流能夠抑制葉柵內(nèi)復(fù)雜的端壁二次流，使出口流場(chǎng)更加均勻的結(jié)論，對(duì)進(jìn)一步研究射流縫對(duì)葉柵流場(chǎng)影響的作用機(jī)理提供了新的思路。唐雨萌等[12]設(shè)計(jì)了一種雙縫射流結(jié)構(gòu)，通過(guò)比對(duì)單、雙射流葉柵與原葉柵的流動(dòng)特性發(fā)現(xiàn)，引入的第二個(gè)射流縫結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步推遲分離，降低損失，起到接力的效果。孫槿靜等[13]發(fā)現(xiàn)在葉片根部開(kāi)縫可有效控制角區(qū)分離，減小葉柵損失，增大其擴(kuò)壓能力。Ramzi 等[14]就不同射流縫結(jié)構(gòu)對(duì)葉柵性能的影響進(jìn)行了歸納總結(jié)，深入探究了葉柵射流的作用機(jī)理。Hu等[15]采用數(shù)值方法，結(jié)合旋渦結(jié)構(gòu)模型，研究了葉柵射流的作用機(jī)理，以及葉柵射流對(duì)葉柵通道流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，闡釋了射流對(duì)尾緣和角區(qū)分離的作用機(jī)制。

分析公開(kāi)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)射流縫的研究大多是針對(duì)等截面積的平行縫，關(guān)于射流縫通道形狀對(duì)葉柵性能的影響還需進(jìn)一步探索[16-17]。為此，在上述研究基礎(chǔ)上，本文對(duì)射流縫進(jìn)出口截面積比例進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)了一種漸縮式射流縫，對(duì)不同攻角和不同來(lái)流馬赫數(shù)下的葉柵通道進(jìn)行了數(shù)值仿真，并與等截面積的平行式射流縫進(jìn)行對(duì)比，研究其對(duì)葉柵流場(chǎng)特性的影響，以及對(duì)靜子葉柵流動(dòng)損失的控制效果。

2 研究對(duì)象及方法

研究對(duì)象為某型壓氣機(jī)靜子葉柵。在葉柵壓力面與吸力面之間開(kāi)漸縮式射流縫，利用葉型壓力面與吸力面之間的壓力差產(chǎn)生射流，通過(guò)漸縮式通道使射流進(jìn)一步加速，提升射流效果。來(lái)流攻角較大時(shí)，葉片吸力面出現(xiàn)大尺度的附面層分離，利用葉柵射流可以在射流縫出口處向附面層內(nèi)低能流體團(tuán)注入能量，起到抑制附面層分離、降低流動(dòng)損失的作用。如圖1 所示，葉柵射流縫出口相對(duì)位置在葉柵弦長(zhǎng)50%處。漸縮式射流縫出口寬度0.50 mm，入口寬度1.00 mm；平行式射流縫進(jìn)出口寬度均為0.75 mm。定義射流縫靠近前緣的直線斜率為射流縫斜率，表征射流縫的傾斜程度，本文射流縫斜率約為1.3。兩種射流縫結(jié)構(gòu)高度均為150.00 mm，與葉高長(zhǎng)度相同。

圖1 原型葉柵與開(kāi)縫葉柵Fig.1 Prototype cascade and cascade with slot

模型建立與網(wǎng)格劃分采用NUMECA 的AutoGrid5 和IGG 模塊。對(duì)射流縫進(jìn)、出口位置網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，射流縫進(jìn)出口與葉片吸力面、壓力面采用非匹配連接，網(wǎng)格總數(shù)約為120 萬(wàn)。采用NUMECA 的Fine/Turbo 流場(chǎng)求解器進(jìn)行三維葉柵數(shù)值計(jì)算。計(jì)算邊界條件給定進(jìn)口總壓、總溫及進(jìn)口氣流角，平均出口靜壓，固體壁面為絕熱無(wú)滑移邊界條件。射流縫葉柵三維結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 射流縫葉柵三維結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格示意圖Fig.2 3D structure and mesh structure of slotted cascade

在之前的工作中，分別對(duì)該靜子葉柵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬，圖3給出了弦長(zhǎng)方向上，靜子葉柵表面等熵馬赫數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比[18]。圖中，x/b為實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)沿弦向的相對(duì)位置。可看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，雖實(shí)驗(yàn)值略高于數(shù)值模擬值，但整體誤差較小。誤差產(chǎn)生的原因?yàn)?，?shù)值模擬對(duì)流動(dòng)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，采用理想氣體模型，忽略了黏性。本文采用相同的數(shù)值模擬方法對(duì)葉柵開(kāi)縫展開(kāi)數(shù)值研究，采用S-A湍流模型[19-20]和中心差分離散格式。

圖3 葉柵弦長(zhǎng)方向表面等熵馬赫數(shù)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比[18]Fig.3 Comparison of isentropic Mach number distribution between numerical and experimental data along chord direction[18]

3 結(jié)果與討論

總壓損失系數(shù)-ω作為衡量葉柵流場(chǎng)流動(dòng)損失大小的參數(shù)[21]，可以有效反應(yīng)葉柵流動(dòng)損失情況，其定義為：

圖4給出了攻角i為0°、15°和-5°時(shí)，葉柵通道出口平均總壓損失系數(shù)隨來(lái)流馬赫數(shù)的變化。圖中，Main為來(lái)流馬赫數(shù)，Prototype表示原型葉柵，Convergent Slot表示漸縮式射流縫葉柵，Parallel Slot表示等截面積平行式射流縫葉柵。可看出，當(dāng)攻角為0°和-5°時(shí)，帶射流縫結(jié)構(gòu)的葉柵通道與原型葉柵通道相比，葉柵尾緣處總壓損失系數(shù)均有所增大。這兩種攻角下，原型葉柵流場(chǎng)性能較好，流動(dòng)損失主要來(lái)源于葉型損失；開(kāi)縫后射流與主流摻混反而使損失增大。但兩種帶射流縫結(jié)構(gòu)相比，平行式射流縫的總體損失相對(duì)較高。當(dāng)攻角為15°時(shí)，帶射流縫的葉柵出口總壓損失明顯降低。這是因?yàn)榇蠊ソ乔闆r下，葉片表面附面層分離帶來(lái)較大的流動(dòng)損失，此時(shí)開(kāi)縫射流能向附面層內(nèi)低能流體注入大量能量，從而改善葉柵流動(dòng)，使損失大幅降低。這說(shuō)明射流縫在大攻角的情況下更能起到良好的流動(dòng)控制作用。相比于平行式射流縫，漸縮式射流縫的控制效果明顯更優(yōu)。這是由于馬赫數(shù)小于1.0時(shí)，漸縮式通道結(jié)構(gòu)能夠起到加速氣流的作用，使射流縫出口流速更大，控制效果更明顯。

圖4 總壓損失系數(shù)隨來(lái)流馬赫數(shù)和進(jìn)氣攻角變化曲線Fig.4 Total pressure loss coefficient with different inflow Mach number and incidence angle

圖5～圖7 分別給出了來(lái)流馬赫數(shù)為0.6，攻角為0°、15°和-5°時(shí)50%葉高截面馬赫數(shù)分布云圖?？梢钥闯?，當(dāng)攻角為0°時(shí)，葉柵通道流場(chǎng)較好，整體速度均勻，吸力面尾緣處出現(xiàn)很小范圍的附面層增厚現(xiàn)象，總體損失較小。原型葉柵與漸縮式射流縫葉柵通道附面層分離區(qū)變化不明顯，漸縮式射流縫葉柵吸力面高速區(qū)略小一些，速度等值線略微前移，流過(guò)葉柵通道的流體速度有所降低。這是由于在0°攻角時(shí)吸力面和壓力面之間壓差較小，射流速度較低，與主流摻混后拉低了整體流速。平行式射流縫帶來(lái)的損失則更為明顯，摻混后吸力面附面層增厚，尾跡區(qū)明顯增大。說(shuō)明漸縮式通道對(duì)射流的加速作用在分離較小時(shí)起到了更明顯的控制作用，有效降低了低速射流帶來(lái)的額外損失。

圖5 葉柵通道中部馬赫數(shù)分布云圖(i=0°，Main=0.6)Fig.5 Mach number distribution at the middle of cascade passage(i=0°，Main=0.6)

圖6 葉柵通道中部馬赫數(shù)分布云圖(i=15°，Main=0.6)Fig.6 Mach number distribution at the middle of cascade passage(i=15°，Main=0.6)

圖7 葉柵通道中部馬赫數(shù)分布云圖(i=-5°，Main=0.6)Fig.7 Mach number distribution at the middle of cascade passage(i=-5°，Main=0.6)

當(dāng)攻角為15°時(shí)，葉片吸力面出現(xiàn)大尺度的附面層分離，形成了較大面積的低速區(qū)，造成葉柵通道氣流堵塞，相對(duì)流通面積減小，氣流速度大幅度降低。在射流作用下，漸縮式射流縫葉片吸力面附面層厚度明顯變薄，通過(guò)葉柵通道氣流整體流速明顯提升。這是由于大攻角下葉型兩面壓差較大，射流出口速度更高，且射流通過(guò)收斂通道后速度進(jìn)一步增加，與主流摻混后向附面層內(nèi)低能流體注入能量，使葉柵通道主流流速增加，流場(chǎng)性能得到改善，損失降低。平行式射流縫也能起到改善流動(dòng)的效果，葉柵出口低速區(qū)有所減小，但由于平行式射流縫在相同壓差時(shí)對(duì)氣流的加速作用明顯弱于漸縮式射流縫，起到的控制效果有限。

當(dāng)攻角為-5°時(shí)，原型葉柵的流動(dòng)效果較好，主要損失源于壓力面附面層分離。而開(kāi)縫葉柵通過(guò)射流縫能將壓力面附面層內(nèi)的低能流體吸入，不過(guò)由于射流流速低于主流流速，在吸力面與主流摻混后反而引起了吸力面氣流分離，雖延緩了葉片壓力面分離，卻導(dǎo)致吸力面分離加重，整體流速降低，損失有所增大。同樣，因漸縮式通道的加速作用，其帶來(lái)的損失也小于平行式射流縫葉柵結(jié)構(gòu)的。

圖8～圖10給出了原型與兩種射流縫結(jié)構(gòu)葉片吸力面極限流線與靜壓分布。攻角為0°時(shí)，氣流流過(guò)漸縮式射流縫葉柵后，靜壓升高，此時(shí)葉片表面附面層未發(fā)生大尺度分離，端壁附面層分離是損失產(chǎn)生的主要原因。在端壁效應(yīng)的影響下，氣流沿葉高方向潛移，在角區(qū)匯聚，分離程度有所加強(qiáng)，此時(shí)受橫向逆壓力梯度的影響，氣流向葉片中部流通能力減弱，使得流場(chǎng)惡化，整體損失有所增大。對(duì)于平行式射流縫，低速流團(tuán)與主流的摻混導(dǎo)致葉片吸力面分離提前，是流場(chǎng)惡化的主要原因。攻角為-5°時(shí)，與攻角為0°時(shí)類似，漸縮式射流縫角區(qū)分離略有增大，平行式射流縫葉柵吸力面分離點(diǎn)向前緣移動(dòng)，使損失略有增大。而攻角為15°時(shí)，角區(qū)葉型表面附面層分離帶來(lái)的損失遠(yuǎn)大于端壁附面層的，漸縮式射流使整個(gè)葉高范圍內(nèi)的流場(chǎng)趨于均勻變化，顯著改善了角區(qū)流動(dòng)分離，有效抑制了氣流沿葉高方向的潛移；平行式射流縫雖也使角區(qū)分離減弱，但其作用效果明顯低于漸縮式射流縫結(jié)構(gòu)的?？梢缘贸?，射流縫結(jié)構(gòu)在加速附面層內(nèi)流體流動(dòng)的同時(shí)，還能起到抑制葉柵角區(qū)分離的作用，從而降低整體損失，減弱葉柵通道內(nèi)二次流動(dòng)和旋渦結(jié)構(gòu)；但葉片表面分離較小時(shí)，射流對(duì)角區(qū)分離的控制效果不夠理想。

圖8 葉柵吸力面極限流線與靜壓分布(i=0°，Main=0.6)Fig.8 Limiting streamlines and static pressure distribution of cascade suction surface(i=0°，Main=0.6)

圖9 葉柵吸力面極限流線與靜壓分布(i=-5°，Main=0.6)Fig.9 Limiting streamlines and static pressure distribution of cascade suction surface(i=-5°，Main=0.6)

圖10 葉柵吸力面極限流線與靜壓分布(i=15°，Main=0.6)Fig.10 Limiting streamlines and static pressure distribution of cascade suction surface(i=15°，Main=0.6)

圖11 給出了不同攻角下原型與兩種射流縫結(jié)構(gòu)葉柵通道出口馬赫數(shù)沿徑向的分布曲線。圖中，橫坐標(biāo)采用徑向長(zhǎng)度的歸一化表示?？梢悦黠@看出，當(dāng)攻角為0°時(shí)，漸縮式射流縫結(jié)構(gòu)對(duì)葉柵出口流速有一定的提升作用，而平行式射流縫葉柵尾緣馬赫數(shù)有所降低，尾跡區(qū)明顯增大(圖5(c))，說(shuō)明漸縮式通道對(duì)流體的加速作用在攻角為0°時(shí)帶來(lái)的損失更低，并且使尾緣處速度有轉(zhuǎn)變均勻的趨勢(shì)，也能進(jìn)一步降低尾跡摻混損失。攻角為15°時(shí)，由于附面層分離尺度較大，尾跡區(qū)明顯增大(圖6)，速度分布更不均勻，漸縮式射流縫使尾緣處速度大幅提高，平行式射流縫葉柵尾緣馬赫數(shù)也有所增大，但不明顯，說(shuō)明漸縮式射流縫對(duì)抑制壓氣機(jī)葉柵流動(dòng)分離起著積極作用。攻角為-5°時(shí)，分離區(qū)速度降低明顯，射流縫使尾緣處速度波動(dòng)增大，但漸縮式射流縫帶來(lái)的損失遠(yuǎn)低于平行式射流縫的。

圖11 不同進(jìn)氣攻角下葉柵通道出口徑向馬赫數(shù)分布Fig.11 Outflow radial Mach number distribution of cascade passage with different incidence angle

圖12 給出了不同攻角下原型與兩種射流縫結(jié)構(gòu)葉柵出口沿葉高方向的總壓恢復(fù)系數(shù)曲線。圖中，橫坐標(biāo)為總壓恢復(fù)系數(shù)，縱坐標(biāo)采用沿葉高方向高度的歸一化表示?？梢钥闯觯?dāng)攻角為0°時(shí)，由于附面層分離區(qū)域很小，所以整體擴(kuò)壓能力未受到很大影響，總壓恢復(fù)系數(shù)較高。原型葉柵在葉高中部總壓波動(dòng)較大，為氣流分離使速度變化不均勻所致。帶有射流縫的葉柵通道由于附面層增厚導(dǎo)致總壓下降，但其能讓尾緣處速度分布均勻，從而使葉高方向總壓趨于均勻變化。當(dāng)攻角為15°時(shí)，因附面層分離嚴(yán)重，葉柵通道嚴(yán)重堵塞，在射流作用下，葉柵通道的堵塞得到緩解，擴(kuò)壓能力提升，總壓損失顯著改善，并使沿葉高方向的總壓趨于均勻變化，起到了降低損失、提高葉柵性能的作用。相比較，平行式射流縫總壓變化波動(dòng)較大且變化不均勻，漸縮式射流縫能使葉柵尾緣總壓變化趨于穩(wěn)定。當(dāng)攻角為-5°時(shí)，與攻角為0°時(shí)的類似，兩種射流縫總壓損失均有所提高(圖4(c))，但漸縮式射流縫的損失比平行式射流縫的略小。

圖12 不同進(jìn)氣攻角下葉柵通道出口葉高方向總壓恢復(fù)系數(shù)曲線Fig.12 Outflow total pressure recovery coefficient of the cascade passage along the blade height direction with different incidence angle

4 結(jié)論

為降低壓氣機(jī)對(duì)靜子葉柵損失，設(shè)計(jì)了一種漸縮式射流縫葉柵，并與傳統(tǒng)平行式射流縫葉柵進(jìn)行對(duì)比。對(duì)原型葉柵與開(kāi)縫葉柵，在來(lái)流馬赫數(shù)0.3～0.6、攻角分別為0°，15°和-5°時(shí)、進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

(1) 射流縫對(duì)流場(chǎng)性能的影響主要體現(xiàn)在兩方面，一是對(duì)壓力面附面層的抽吸作用，二是對(duì)吸力面附面層的吹除作用。當(dāng)葉片表面分離較小時(shí)，葉柵通道流場(chǎng)較好，射流速度較低，不足以吹除吸力面的低能流體，與主流摻混后反而引起額外損失。當(dāng)葉片表面分離較大時(shí)，葉柵通道嚴(yán)重堵塞，此時(shí)兩種射流縫結(jié)構(gòu)均能發(fā)揮良好的抽吸與吹除作用，大幅減輕葉柵通道堵塞，提高流場(chǎng)性能。

(2) 葉柵開(kāi)縫射流能有效改善角區(qū)分離，在全葉高范圍內(nèi)對(duì)氣流沿葉高方向的潛移起到控制作用，使近壁端氣流趨向均勻變化，對(duì)提高葉柵流場(chǎng)性能有積極影響。

(3) 漸縮式射流縫結(jié)構(gòu)對(duì)射流具有二次加速作用，使射流縫出口流速進(jìn)一步提高，作用于葉柵流場(chǎng)時(shí)，不僅在分離較大時(shí)起到的流動(dòng)控制效果比等截面積的平行式射流縫結(jié)構(gòu)的好，而且在分離較小時(shí)能有效降低低速射流帶來(lái)的額外損失。

(4) 漸縮式射流縫能夠有效改善葉柵出口流場(chǎng)性能，使葉柵通道出口參數(shù)趨于均勻變化，降低葉柵摻混損失，從而提高葉柵性能。

(5) 葉柵漸縮式射流縫能夠有效改善流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，相比于平行式射流縫具有更好的流動(dòng)控制效果，但其在零攻角、負(fù)攻角下帶來(lái)的損失也不容忽視。在未來(lái)的研究中，如何控制零攻角、負(fù)攻角下的總壓損失，將是主要研究方向。此外，深入研究漸縮式射流縫最佳進(jìn)出口截面積比例、出口相對(duì)位置以及射流縫斜率，對(duì)提高葉柵流場(chǎng)性能將有積極影響。