鋸齒尾緣葉片氣動(dòng)特性數(shù)值模擬研究

鄒如萍，李傳鵬，安志強(qiáng)，商超群，宣 彬

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院, 南京 210016；2.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所壓氣機(jī)研究部，株洲 412002）

自航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)誕生以來(lái)，一直朝著高推重比、低耗油率、高可靠性發(fā)展。發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高離不開更高壓比的壓氣機(jī)，2018 年GE 公司完成型號(hào)認(rèn)證的GE9X 發(fā)動(dòng)機(jī)性能比GE90?115B 提高了約30%，耗油率降低了5%到10%［1］。其壓縮系統(tǒng)總壓比超過60，11 級(jí)高壓壓氣機(jī)壓比達(dá)到27，隨著壓氣機(jī)系統(tǒng)的逆壓力梯度越來(lái)越高，壓氣機(jī)更加容易失穩(wěn)，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性提出了更大的挑戰(zhàn)。

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出了壓氣機(jī)穩(wěn)定性的不同理論模型以及判穩(wěn)依據(jù)，這些都對(duì)預(yù)測(cè)和提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性有著重要作用［2?4］，此外，還探索了許多擴(kuò)大穩(wěn)定裕度的手段，如葉尖噴氣、附面層吹/吸、等離子體氣動(dòng)激勵(lì)、機(jī)匣處理等控制手段。本文探索一種在靜子尾緣進(jìn)行鋸齒改型的壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)的可能途徑。

對(duì)于鋸齒尾緣的研究可以追溯至20 世紀(jì)50年 代NACA 的Smith 和Schaefer［5］通 過 切 割 翼 型尾緣的研究，之后Howe［6］在1978 年率先對(duì)鋸齒尾緣的聲學(xué)特性進(jìn)行了研究，在這之后又有大量學(xué)者跟進(jìn)研究［7?9］，并將鋸齒結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙以降低氣動(dòng)噪聲。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)于鋸齒尾緣展開了許多研究，如許影博等發(fā)現(xiàn)鋸齒的齒形會(huì)影響聲音低頻部分［10］；仝帆等使用大渦模擬方法研究了鋸齒尾緣的降噪效果，并初步闡釋了渦破碎的機(jī)理［11］；武威通過實(shí)驗(yàn)探究了鋸齒尾緣對(duì)葉珊的影響［12］；陳明等通過分離渦模擬研究了葉柵鋸齒尾緣對(duì)流動(dòng)的影響［13］。

本文針對(duì)某3.5 級(jí)壓氣機(jī)開展了靜葉鋸齒尾緣改型對(duì)其性能和穩(wěn)定性影響的研究。

1 物理模型與計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象

本文所研究的3.5 級(jí)壓氣機(jī)如圖1 所示。在靜子葉片尾緣開齒的齒高H均為4 mm，齒寬W分別為2 和3 mm。研究了在進(jìn)口導(dǎo)葉IGV、第一級(jí)靜葉S1、第二級(jí)靜葉S2 進(jìn)行全葉高和葉尖附近葉片尾緣鋸齒改型對(duì)壓氣機(jī)性能和穩(wěn)定性的影響，對(duì)比分析了13 種構(gòu)型的結(jié)果，為了便于區(qū)分，采用IGV?H4W3?4Z 方式命名各構(gòu)型，IGV 表示在進(jìn)口導(dǎo)葉葉片開鋸齒，H4W3 表示鋸齒齒高和齒寬，4Z 表示葉尖有4 個(gè)齒，如無(wú)4Z 這組標(biāo)識(shí)符，則表明為全葉高開齒。鋸齒尾緣葉片和原型葉片如圖2 所示。

圖1 壓氣機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of compressor

圖2 鋸齒尾緣改型Fig.2 Serrated trailing edge modification

1.2 數(shù)值方法與邊界條件

本文數(shù)值計(jì)算采用ANSYS CFX 進(jìn)行，使用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)，具有準(zhǔn)確性、魯棒性、計(jì)算速度和靈活性上都比較好的優(yōu)點(diǎn)［14］。原型葉片使用ANSYS TurboGrid 繪制網(wǎng)格，改型葉片網(wǎng)格使用ANSYS ICEM 繪制，兩者整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致，都為H?O?H 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計(jì)算使用定常計(jì)算，湍流模型選用k?ε方程，王蘊(yùn)源［15］在其研究中已驗(yàn)證了該模型在鋸齒尾緣葉片流動(dòng)模擬具有較好精度。

計(jì)算中進(jìn)口邊界條件為總溫288.15 K、總壓101 325 Pa；出口使用背壓出口，100% 轉(zhuǎn)速為38 000 r/min。

以原型壓氣機(jī)（baseline）進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析表明，500 萬(wàn)以上網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果變化甚微，故后續(xù)算例以500 萬(wàn)網(wǎng)格為基礎(chǔ)，僅就開齒靜葉通道的網(wǎng)格進(jìn)行重新網(wǎng)格加密處理，而保持其他葉排網(wǎng)格不變。IGV 鋸齒尾緣葉片網(wǎng)格如圖3 所示，在鋸齒尾緣附近進(jìn)行了局部加密，第一層網(wǎng)格高度為0.01 mm。

圖3 IGV 鋸齒尾緣葉片網(wǎng)格Fig.3 IGV serrated trailing edge blade grid

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 全葉高鋸齒改型對(duì)壓氣機(jī)的影響

對(duì)原型壓氣機(jī)、IGV?H4W3、IGV?H4W2、S1?H4W3、S1?H4W2、S2?H4W3、S2?H4W2 計(jì) 算 了90% 轉(zhuǎn)速和100% 轉(zhuǎn)速的特性曲線，分別如圖4和圖5 所示。可以看出，在90% 轉(zhuǎn)速下，與原型壓氣機(jī)相比，在IGV 上進(jìn)行全葉高開齒能夠非常明顯地提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。原型壓氣機(jī)在90%轉(zhuǎn)速下最小流量為5.61 kg/s，IGV 全葉高開齒改型的最小流量分別降低到5.354 和5.3541 kg/s，最低流量分別下降了0.256 kg/s 和0.259 kg/s。改型壓氣機(jī)流量壓比曲線略微右移，通流能力略微增加，流量效率曲線左移，效率下 降。 在100% 轉(zhuǎn) 速 下，IGV?H4W2 和IGV?H4W3 與原型壓氣機(jī)特性曲線十分接近。此外，在S1、S2 葉片上進(jìn)行全葉高尾緣開齒改型的性能均不同程度降低，說(shuō)明開齒葉片所在的葉排非常關(guān)鍵。

圖4 90%轉(zhuǎn)速原型壓氣機(jī)和改型壓氣機(jī)特性曲線Fig.4 Characteristic curve of 90% speed prototype com?pressor and modified compressor

圖5 100%轉(zhuǎn)速原型壓氣機(jī)和改型壓氣機(jī)特性曲線Fig.5 Characteristic curve of 100% speed prototype com?pressor and modified compressor

對(duì)于全葉高鋸齒改型中只有在IGV 葉片上進(jìn)行的兩種鋸齒改型在90% 轉(zhuǎn)速工作范圍增加，100%轉(zhuǎn)速下未出現(xiàn)性能下降，對(duì)比不同葉排開齒對(duì)壓氣機(jī)性能和穩(wěn)定邊界影響后發(fā)現(xiàn)，IGV鋸齒尾緣改型的效果最好。結(jié)合IGV 葉片要比S1、S2 更大，認(rèn)為相對(duì)葉片大小，更小的鋸齒參數(shù)效果更好，且相對(duì)葉片大小過大的鋸齒會(huì)過度破壞葉型，使得葉片組織氣流流動(dòng)的能力大幅下降。

取IGV?H4W2、IGV?H4W3 和 原 型 壓 氣 機(jī)90% 轉(zhuǎn) 速 下 流 量 分 別 為5.780 2、5.778 8 和5.784 8 kg/s 的工作狀態(tài)探究鋸齒對(duì)壓氣機(jī)的影響。圖6 給出了IGV 出口截面附近的總壓云圖，鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)尾跡有明顯的削弱作用。在圖6 中，兩種改型壓氣機(jī)尾跡的強(qiáng)度減弱，體現(xiàn)在尾跡與主流區(qū)的邊界有與鋸齒結(jié)構(gòu)一致的波浪條紋，在波谷主流區(qū)域的流體與尾跡區(qū)域的流體摻混，且改型壓氣機(jī)總壓云圖中尾跡的中心區(qū)域總壓比原型更高。

圖6 IGV 出口截面總壓云圖Fig.6 Total pressure cloud diagram of IGV exit section

在S1、S2 進(jìn)行鋸齒切割對(duì)流動(dòng)會(huì)帶來(lái)不利影響，尤其對(duì)其葉根區(qū)域，觀察圖7 中改型葉片和原型葉片的葉片表面極限流線，在S1 葉片尾緣開齒對(duì)其吸力面的流動(dòng)影響十分巨大，而在S2 進(jìn)行鋸齒改型時(shí)，鋸齒對(duì)吸力面的影響則要小得多，且總體而言，大的鋸齒結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響更大。

圖7 葉片表面極限流線Fig.7 Limit streamlines of blade surface

2.2 葉尖鋸齒改型對(duì)壓氣機(jī)的影響

如圖8 所示，在IGV 進(jìn)行的兩種葉尖鋸齒改型在90%轉(zhuǎn)速下仍然有一定的擴(kuò)穩(wěn)效果，在100%轉(zhuǎn)速下則無(wú)明顯變化；而在S1 和S2 進(jìn)行的葉尖鋸齒改型仍然造成了性能的惡化。對(duì)于S1、S2 葉片而言，對(duì)比圖4、圖5 和圖8，可以看出取消葉根處的鋸齒對(duì)壓氣機(jī)造成性能惡化的程度有所減小，驗(yàn)證了上文中鋸齒參數(shù)對(duì)葉片破壞過多是造成性能惡化的原因這一結(jié)論。

圖8 葉尖鋸齒改型壓氣機(jī)及原型壓氣機(jī)特性曲線Fig.8 Characteristic curves of blade tip sawtooth modified compressor and prototype compressor

與100%、90%轉(zhuǎn)速不同，在80%轉(zhuǎn)速下觀察IGV 出口截面附近的總壓云圖，如圖9 所示，可以看出在低轉(zhuǎn)速下鋸齒對(duì)尾跡的改善已經(jīng)不明顯，表現(xiàn)為總壓云圖中葉尖部分的尾跡邊界的鋸齒結(jié)構(gòu)已經(jīng)不明顯，與原型壓氣機(jī)無(wú)明顯差別。

圖9 80%轉(zhuǎn)速IGV 出口總壓云圖Fig.9 IGV outlet total pressure cloud diagram at 80%speed

3 結(jié) 論

本文通過CFD 數(shù)值模擬研究了某3.5 級(jí)壓氣機(jī)及其12 種改型在不同轉(zhuǎn)速下的流場(chǎng)及性能，得出以下結(jié)論：

（1）在不同靜葉進(jìn)行相同參數(shù)的鋸齒改型時(shí)，在IGV 上的效果最好，S1、S2 則會(huì)造成性能惡化；

（2）在IGV 上進(jìn)行的鋸齒尾緣改型在90%轉(zhuǎn)速下具有明顯的擴(kuò)穩(wěn)效果，在100%轉(zhuǎn)速和80%下則沒有明顯的擴(kuò)穩(wěn)效果；

（3）對(duì)靜葉而言，尺寸過大的鋸齒會(huì)對(duì)壓氣機(jī)性能造成負(fù)面影響，壓比、效率和流量都會(huì)大幅下降；

（4）在同一葉片上，相對(duì)葉尖尺寸合適的鋸齒參數(shù)可能相對(duì)葉根而言過大，從而對(duì)壓氣機(jī)性能造成負(fù)面影響。