密流比對(duì)壓氣機(jī)葉柵性能影響研究

馬亞男，周正貴

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

壓氣機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法分為4個(gè)步驟[1-2]。其中二維葉型是構(gòu)成三維葉片的基本元素，其氣動(dòng)性能由S1流面(回轉(zhuǎn)面)二維葉柵流動(dòng)決定。軸向速度密流比(axial velocity density ratio, AVDR)(以下簡(jiǎn)稱密流比)定義為葉柵出口軸向密流與進(jìn)口軸向密流之比，用來衡量壓氣機(jī)流道收縮程度。密流比是影響回轉(zhuǎn)面葉柵氣動(dòng)性能的重要參數(shù)，文獻(xiàn)[3]針對(duì)高負(fù)荷可控?cái)U(kuò)散葉型，在0°攻角下、密流比在1.177～1.350范圍內(nèi)，研究密流比對(duì)葉柵性能影響，結(jié)果表明：密流比增加，損失和壓升都會(huì)明顯下降。文獻(xiàn)[4]針對(duì)大轉(zhuǎn)角葉柵，研究了超臨界狀態(tài)葉柵性能隨密流比變化，結(jié)果也表明損失隨密流比增加而下降。在平面葉柵實(shí)驗(yàn)中需要控制葉柵流場(chǎng)密流比，保持被試驗(yàn)葉型構(gòu)成葉柵的密流比與其在實(shí)際三維流動(dòng)的一致性，這樣才能驗(yàn)證葉型的真實(shí)氣動(dòng)性能。在平面葉柵實(shí)驗(yàn)中，可采用端壁面收斂，增大密流比[3]。減小密流比則需要控制端壁附面層發(fā)展，難度較大，比較有效的方法是進(jìn)行附面層吸除，如王東等[5]采用端壁開槽進(jìn)行端壁附面層抽吸。鄧熙等[6]指出，平面葉柵實(shí)驗(yàn)中采用過大的抽吸量控制密流比將影響葉柵主流區(qū)域流動(dòng)二維性。

本文首先對(duì)一個(gè)高壓比壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子流動(dòng)進(jìn)行分析，驗(yàn)證上、下環(huán)壁附面層處的勢(shì)流區(qū)流動(dòng)呈回轉(zhuǎn)面二維特征。再針對(duì)超音轉(zhuǎn)子、高亞音轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)面葉柵進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬和分析，研究密流比對(duì)壓氣機(jī)葉柵全工況氣動(dòng)性能和流場(chǎng)影響，確定葉型對(duì)不同密流比的適用性，為二維葉型氣動(dòng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 回轉(zhuǎn)面二維流場(chǎng)計(jì)算方法

回轉(zhuǎn)面二維葉柵流場(chǎng)計(jì)算采用三維流場(chǎng)計(jì)算方法。如圖1所示，圖中1、2分別代表葉柵進(jìn)口和出口截面。取一流片，上下回轉(zhuǎn)面設(shè)置成無黏邊界。

圖1 回轉(zhuǎn)面葉柵子午面流道視圖

軸向密流比AVDR：

式中：ρ1、ρ2、v1a、v2a分別為葉柵進(jìn)、出口密度和軸向速度；δ1、δ2分別為葉柵進(jìn)、出口流面厚度。本文通過改變進(jìn)出口流面厚度比改變軸向密流比。

使用商用軟件NUMECA進(jìn)行數(shù)值仿真。 S1流面網(wǎng)格類型為O4H，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布

流場(chǎng)計(jì)算進(jìn)口給定總溫、總壓，軸向進(jìn)氣，出口給定反壓。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，對(duì)于超音和高亞音轉(zhuǎn)子葉柵均選擇網(wǎng)格量為50000進(jìn)行研究。

2 軸流壓氣機(jī)葉片通道內(nèi)流動(dòng)二維特征分析

選取一高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，分析軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)流動(dòng)的回轉(zhuǎn)面二維特征。由設(shè)計(jì)點(diǎn)三維計(jì)算結(jié)果，在10%、50%、90%葉高處取進(jìn)口流面厚度2 mm流片進(jìn)行回轉(zhuǎn)面計(jì)算(圖3)。

圖3 回轉(zhuǎn)面計(jì)算葉高位置

根據(jù)圖4、圖5，在10%、50%葉高，進(jìn)出口馬赫數(shù)、激波位置、強(qiáng)度差異較小，整體一致性較好；90%葉高差異較大。圖6表明，10%和50%葉高流片厚度沿流向近似呈線性減?。坏?0%葉高子午流道先收縮后擴(kuò)張，在葉柵通道內(nèi)形成喉道。圖4(f)表明，采用回轉(zhuǎn)面二維計(jì)算通道中氣流經(jīng)正激波成為亞音氣流，后加速至超音(喉道處Ma=1)。而實(shí)際三維計(jì)算中90%葉高三維性較強(qiáng)，并沒有形成喉道，因此三維計(jì)算與回轉(zhuǎn)面計(jì)算差異較大。

將喉道附近子午面向上下兩邊外擴(kuò)微調(diào)(圖5)，消除喉道。由圖4(a)、圖4(g)及圖6(c)可以看出：微調(diào)后(回轉(zhuǎn)面葉柵T)葉片通道內(nèi)激波結(jié)構(gòu)以及葉片表面壓力分布與三維流場(chǎng)一致性均變好。雖然在逆向分析時(shí)，回轉(zhuǎn)面二維流動(dòng)與三維流動(dòng)有較大差別，但在回轉(zhuǎn)面葉型設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用流面厚度比沿流向線性變化，不會(huì)產(chǎn)生喉道。因此對(duì)于90%葉高進(jìn)行回轉(zhuǎn)面葉型設(shè)計(jì)，應(yīng)用于三維葉片是可行的。

圖4 轉(zhuǎn)子三維和回轉(zhuǎn)面計(jì)算相對(duì)馬赫數(shù)等值線云圖

圖5 不同葉高子午流道相對(duì)厚度沿軸向位置分布

圖6 轉(zhuǎn)子三維和回轉(zhuǎn)面計(jì)算葉片表面壓力分布

3 密流比對(duì)壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能影響研究

對(duì)超音轉(zhuǎn)子葉柵、高亞音轉(zhuǎn)子葉柵進(jìn)行不同密流比影響研究，密流比分別為1.0、1.1、1.2、1.3。

3.1 超音轉(zhuǎn)子葉柵

由于超音葉柵流動(dòng)具有唯一攻角特征，在此給出其壓比和效率隨出口反壓變化，以考察非設(shè)計(jì)工況性能。由圖7所示，密流比增大，超音葉柵總壓比和效率均增大；但耐反壓能力下降，因此會(huì)使對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)裕度降低。

圖7 超音葉柵特性曲線

由圖8、圖9可知，隨著密流比增加，結(jié)尾正激波前移，葉柵耐反壓能力下降，葉片前緣載荷增大。

根據(jù)圖8、圖10，隨著密流比增加，超音葉柵尾緣附面層厚度逐漸減小。這是因?yàn)槌魵饬魍ǖ朗諗慷仍黾?，抑制正激波后亞音氣流減速增壓，葉片尾緣附面層厚度減小，附面層損失減小。密流比1.0～1.1時(shí)，正、斜激波前相對(duì)馬赫數(shù)均增大；1.1～1.3時(shí)減小，激波強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱。雖然密流比1.1時(shí)激波損失最高，但此時(shí)葉片尾緣附面層厚度較密流比1.0時(shí)明顯減小，因而激波和附面層造成的整體損失逐漸減小，效率升高。

圖8 超音葉柵相對(duì)馬赫數(shù)等值線云圖

圖9 設(shè)計(jì)反壓下葉片表面壓力分布

圖10 超音葉柵尾緣后10%軸向弦長(zhǎng)相對(duì)速度沿切向分布

綜上，對(duì)于軸向亞音的進(jìn)口平直段超音葉柵，隨著密流比增加，附面層厚度減小，落后角減小，氣流轉(zhuǎn)角增大，總壓比增大，效率升高；結(jié)尾正激波前移，葉柵耐反壓能力下降。

3.2 高亞音轉(zhuǎn)子葉柵

圖11為等馬赫數(shù)(Mw1=0.74)特性線。隨著密流比增加，氣流轉(zhuǎn)角增大(落后角減小)，負(fù)攻角總壓損失系數(shù)基本不變，正攻角總壓損失系數(shù)明顯下降，且低損失氣流角范圍向正攻角方向增加。這是因?yàn)槊芰鞅仍黾訉?dǎo)致擴(kuò)壓度減小，可延遲大攻角逆壓梯度分離(失速)。

圖11 高亞音轉(zhuǎn)子葉柵等馬赫數(shù)特性曲線

由圖12、圖13可知，在密流比1.0時(shí)，葉片尾緣附面層分離，損失較高。結(jié)合圖14，隨著密流比的增加，尾跡區(qū)高熵范圍減小，尾緣附面層厚度減小，落后角減小，氣流轉(zhuǎn)角增大，總壓損失系數(shù)減小，原因是通道收斂度增加，抑制氣流在通道內(nèi)減速增壓，葉柵尾緣馬赫數(shù)增加。隨著密流比的增加，附面層厚度減小幅度降低，密流比較大時(shí)再增加密流比影響減小。

圖12 0°攻角高亞音轉(zhuǎn)子葉柵相對(duì)馬赫數(shù)等值線云圖

圖13 0°攻角高亞音轉(zhuǎn)子葉柵葉片表面壓力分布

圖14 0°攻角高亞音轉(zhuǎn)子葉柵尾緣后10%軸向弦長(zhǎng)熵沿切向分布

4 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬方法，研究密流比對(duì)于典型超音、高亞音轉(zhuǎn)子葉柵氣動(dòng)性能影響規(guī)律，得出以下結(jié)論:

1)軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片通道10%、50%葉高處符合回轉(zhuǎn)面二維流動(dòng)；90%葉高處流動(dòng)由于較強(qiáng)的三維性，可能形成音速喉道，造成三維流動(dòng)與回轉(zhuǎn)面二維流較大差別；但在回轉(zhuǎn)面葉型設(shè)計(jì)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生喉道。因此對(duì)于軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子三維葉片在10%～90%葉高范圍內(nèi)采用二維設(shè)計(jì)方法是可行的。

2)對(duì)于超音葉柵，密流比增加，總壓比和效率均增大，結(jié)尾正激波前移，耐反壓能力下降；對(duì)于高亞音轉(zhuǎn)子葉柵，氣流轉(zhuǎn)角增大，低損失氣流角及范圍增大。