稠度和彎角在高亞音擴(kuò)壓葉柵中的耦合作用

陶船斯嘉，杜 鑫，王松濤，王春雪，王仲奇

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京動(dòng)力機(jī)械研究所，北京 100074)

在高亞音葉柵中通過增加折轉(zhuǎn)角、降低稠度和展弦比來提高葉片負(fù)荷。隨著葉片負(fù)荷的不斷提升，葉柵流道內(nèi)的橫向壓力梯度同時(shí)增大，導(dǎo)致吸力面角區(qū)分離流動(dòng)更為復(fù)雜。因此，需要應(yīng)用流動(dòng)控制手段來控制端區(qū)分離流動(dòng)，提升角區(qū)通流能力，降低二次流損失，提高葉柵性能。

之前的研究已經(jīng)表明：彎葉片可通過改善流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，提高壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能。張華良[1]通過研究發(fā)現(xiàn)合適的正彎和前掠可以升高吸力面上由端部指向葉展中部的“C”型徑向壓力梯度，減小端壁附近的逆壓梯度，促進(jìn)角區(qū)分離形態(tài)由閉式分離向開式分離轉(zhuǎn)化，縮小角區(qū)分離的覆蓋范圍，降低端區(qū)損失。凌敬[2]在彎葉片葉柵中建立葉柵損失模型和落后角模型，探究NACA65葉型葉柵中最優(yōu)彎角隨模型參數(shù)的變化規(guī)律。闞曉旭[3]等人應(yīng)用拓?fù)浞治鎏骄繌澣~片葉柵中流動(dòng)結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，并將損失分成不同分類，探討不同類型損失權(quán)重。雖然前人已在亞聲速擴(kuò)壓葉柵中應(yīng)用彎葉片做了大量的研究工作，但針對(duì)高亞聲速來流環(huán)境下彎葉片的作用機(jī)理還缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。

NASA早期的研究指出，在壓氣機(jī)初始設(shè)計(jì)中，稠度是一個(gè)重要參數(shù)，它的選取影響著氣流折轉(zhuǎn)能力、葉片負(fù)荷能力和工作范圍[4-6]。合理選取稠度在初始設(shè)計(jì)和通流設(shè)計(jì)中至關(guān)重要[7-8]。

本文的研究對(duì)象為某三級(jí)壓氣機(jī)的中間級(jí)靜葉柵，研究高亞音擴(kuò)壓葉柵中稠度和彎葉片的作用規(guī)律，探索彎葉片的普適性條件。分析了不同稠度和彎角下的變沖角特性，包括總壓損失、擴(kuò)壓因子等。研究最小損失沖角工況下彎角對(duì)擴(kuò)壓能力、流動(dòng)損失的影響。然后通過討論總壓損失系數(shù)的展向分布、葉片吸力面和端壁上的極限流線及壓力梯度云圖，分析了彎葉片對(duì)擴(kuò)壓葉柵損失影響的原因，以及大稠度時(shí)彎葉片對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和損失機(jī)理的影響。

1 研究方案與數(shù)值方法

1.1 研究方案

用于本文研究對(duì)象的平面葉柵原型來自于某三級(jí)高負(fù)荷低反力度壓氣機(jī)的中間級(jí)靜葉，應(yīng)用本課題組前期開發(fā)的自有造型程序進(jìn)行葉型生成工作，葉型具體參數(shù)見參考文獻(xiàn)[9]。原型的折轉(zhuǎn)角為44°，為創(chuàng)造高負(fù)荷擴(kuò)壓環(huán)境，本文選取折轉(zhuǎn)角為50°。為了控制端區(qū)流動(dòng)分離，減少低能流體在角區(qū)的堆積，需選用較高的子午收縮程度，本文采用的子午收縮比為0.8。原型中徑處稠度為1.86，根據(jù)稠度常規(guī)取值和選取范圍全面的需要，本文稠度取值為1.4-2.2。參考之前的研究結(jié)果，彎高采取50%葉高，彎曲形式為正彎，彎角取值范圍5°～30°。本文的研究方案和來流條件如表1。采用枚舉法對(duì)上述方案中所有的稠度與彎角取值組合進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并在每個(gè)葉柵方案中均開展變工況數(shù)值模擬，在葉柵穩(wěn)定工作范圍內(nèi)尋得最小損失沖角。

表1 葉柵參數(shù)

1.2 數(shù)值方法與驗(yàn)證

本文的網(wǎng)格劃分工作采用商業(yè)化軟件NUMECA軟件包的IGG/Auto Grid5模塊，網(wǎng)格拓?fù)洳捎肏-O-H 型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)197萬，網(wǎng)格示意圖如圖1。數(shù)值計(jì)算采用商業(yè)軟件ANSYS軟件包中的CFX流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析程序。計(jì)算模型上，根據(jù)葉柵適用條件和計(jì)算需求選用SST湍流模型耦合γ-θ轉(zhuǎn)捩模型，同時(shí)應(yīng)用高精度差分格式在對(duì)流項(xiàng)。為滿足湍流模型的求解要求，壁面附近第一層網(wǎng)格的寬度設(shè)定為10-3mm，得到計(jì)算結(jié)果壁面上的Y+值不超過4。邊界條件中，葉柵入口的總溫為440 K，總壓為430 kPa，并同時(shí)給定入口氣流方向；葉柵出口通過根據(jù)入口氣流方向調(diào)整質(zhì)量流量，以保證入口馬赫數(shù)0.8不變，同時(shí)來流湍流度為5%。采用Bo Song論文中[10]來流條件和葉型折轉(zhuǎn)角與本文研究對(duì)象相似的高負(fù)荷MOGA葉型進(jìn)行數(shù)值方法的驗(yàn)證，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。葉型和葉柵的幾何定義見圖2，參數(shù)取值見表2。

圖1 計(jì)算使用網(wǎng)格示意圖

圖2 葉型和葉柵的幾何定義

表2 MOGA葉型葉柵參數(shù)

圖3所示為來流馬赫數(shù)為0.77時(shí)，葉型表面等熵馬赫數(shù)的軸向分布的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。選擇此工況的原因是本文的來流馬赫數(shù)為0.8，與此工況相近。由圖可知，數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在整體趨勢(shì)上吻合，本文所用數(shù)值方法可以基本上實(shí)現(xiàn)對(duì)高亞音大折轉(zhuǎn)角葉型流場(chǎng)的模擬。

圖3 Ma1=0.77時(shí)軸向等熵馬赫數(shù)分布

2 氣動(dòng)性能

2.1 變沖角特性

圖4所示為直葉柵和彎曲葉柵(α=10°,20°和30°)中的沖角特性。從圖中看出，無論是直葉片還是彎葉片，隨著稠度的增加，總壓損失變沖角特性曲線都移向正沖角方向，最小損失沖角也往正沖角方向遷移，且低損失工作范圍逐漸縮小。在最小損失沖角工況下，總壓損失系數(shù)隨著稠度的增大而增大。直葉片時(shí)，最小損失沖角點(diǎn)同時(shí)也是近失速點(diǎn)，沖角大于最小損失沖角時(shí)損失急劇增加；當(dāng)葉柵為正彎10°，稠度不超過1.8時(shí)也存在這樣的現(xiàn)象。在最小損失沖角下，對(duì)于直葉片和彎葉片，改變稠度對(duì)葉柵擴(kuò)壓能力的影響均有限。在彎葉片葉柵中，隨著彎角的增加，在葉柵穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，總壓損失系數(shù)顯著降低，且穩(wěn)定工作范圍有向正沖角方向逐漸擴(kuò)寬的趨勢(shì)。這說明隨著稠度的升高，正彎葉片可以更顯著地改善流動(dòng)損失，有效提高葉柵的氣動(dòng)性能。其可能原因在于葉片彎曲可以改善流場(chǎng)，削弱二次流動(dòng)，氣流折轉(zhuǎn)大，葉柵擴(kuò)壓能力增強(qiáng)?？偟膩碚f，無論是葉柵擴(kuò)壓能力還是穩(wěn)定工作范圍，彎葉片相較于直葉片均有所提升。

圖4 變沖角特性線

2.2 總體性能

最小損失沖角工況下的總壓損失系數(shù)和擴(kuò)壓因子隨彎角的變化情況如圖5所示。由圖可以看出對(duì)于固定稠度的葉柵，彎角增加使最小損失沖角略微增加，降低損失的同時(shí)提高擴(kuò)壓因子。在大稠度(σ≥2.0)條件下，彎角增加對(duì)損失降低的效果更明顯；小稠度下彎葉片雖然降低損失不很明顯，但會(huì)顯著提升葉柵擴(kuò)壓因子。另外，當(dāng)稠度從1.4增加到2.2的過程中，最佳彎角(即使損失最低的彎角)從20°增加到30°，說明稠度增加使最佳彎角增加，這一結(jié)論也可以從之前的沖角特性分析中看出。

圖5 彎角對(duì)最小損失沖角下葉柵氣動(dòng)性能的影響

3 分析與討論

3.1 總壓損失的展向分布

圖6所示為兩個(gè)不同稠度下，直葉柵(α=0°)和正彎(α=20°，30°)葉柵的損失沿葉高分布。圖(a)顯示，小稠度時(shí)，彎角20°和30°均能降低端區(qū)損失，且增加葉展中部損失，兩項(xiàng)抵消，因此對(duì)總壓損失的改善不明顯。大稠度時(shí)，彎角20°和30°均能同時(shí)降低端區(qū)損失和葉展中部損失，此時(shí)彎葉片使總壓損失顯著降低。對(duì)比兩個(gè)不同的彎角20°和30°可以發(fā)現(xiàn)，無論是對(duì)于小稠度還是大稠度，30°彎角都比20°彎角的中部損失高，端區(qū)損失低。但在低稠度(如圖5(a))時(shí)，與20°相比，30°彎角會(huì)更多增加葉展中部損失，比它降低的端區(qū)損失更多，因此小稠度時(shí)彎角20°的總損失比30°更低，最佳彎角在20°。大稠度(如圖5(b))時(shí)，相比于20°彎角，30°彎曲葉柵雖然在葉展中部損失更高，但對(duì)端區(qū)損失降低得更多，因此大稠度時(shí)最佳彎角為30°。

圖6 彎角對(duì)總壓損失系數(shù)沿展向分布的影響

3.2 壁面極限流線與壓力梯度

圖7為直葉柵和彎曲葉柵在三種不同稠度下的吸力面極限流線與徑向壓力梯度，以及端壁面上的極限流線和橫向壓力梯度?？梢钥闯鲈诟鞣N不同稠度下，葉片彎曲均削弱了角區(qū)分離流動(dòng)。由壁面壓力梯度可以看出，葉片彎曲增強(qiáng)了端區(qū)的徑向壓力梯度，使角區(qū)低能流體向葉展中部遷移，削弱角區(qū)分離流動(dòng)。但葉片彎曲使端壁上的橫向壓力梯度增強(qiáng)，端壁附面層遷移能力增強(qiáng)，通道渦增強(qiáng)。在增強(qiáng)的徑向壓力梯度和流向逆壓梯度的共同作用下，端壁附面層和通道渦沿著吸力面向上遷移，造成了葉展中部回流增強(qiáng)，回流范圍擴(kuò)大。

圖7 壁面極限流線和吸力面以及端壁壓力梯度

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法計(jì)算了直葉柵和彎曲葉柵在9個(gè)稠度下的變沖角特性，分析稠度和彎角對(duì)葉柵在最小損失工況下的氣動(dòng)參數(shù)的影響，得到以下結(jié)論：

(1)在直葉柵和彎曲葉柵中，稠度增加使最小損失沖角線性增加，最小損失增大，且直葉柵中稠度增加帶來的損失增加要比彎曲葉柵中更顯著。

(2)彎角增加時(shí)，最小損失沖角略微增大，最小損失整體呈降低趨勢(shì)，此沖角下的擴(kuò)壓因子增大。彎角的加入會(huì)在各個(gè)稠度下改善葉柵氣動(dòng)性能，尤其是大稠度高損失葉柵中，彎曲葉片作用更顯著。

(3)隨著稠度的增加，需要疊加更大的彎角來實(shí)現(xiàn)最低損失：小稠度(σ=1.4)時(shí)，損失最低彎角為20°；大稠度(σ=2.2)時(shí)，損失最低彎角為30°。彎角的選擇需要與稠度取值相匹配。