S型射流縫對靜子葉柵流場結(jié)構(gòu)的影響

劉鵬程，張國臣，徐志暉，孫 丹，張成烽，曹志遠(yuǎn)

（1.沈陽航空航天大學(xué) 航空發(fā)動機(jī)學(xué)院 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點實驗室，沈陽 110136；2.西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院，西安 710072）

0 引言

高性能航空發(fā)動機(jī)要求壓氣機(jī)具有更高的單級增壓比來縮小軸向尺寸，提高穩(wěn)定裕度。目前，多采用提高葉尖速度和增大葉片彎角的手段來提高壓氣機(jī)的增壓能力，然而葉尖速度不能無限提高而且較大的葉尖速度會增大流動損失；增大葉片彎角會導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片表面發(fā)生大尺度的附面層分離現(xiàn)象，特別是大攻角下，軸流壓氣機(jī)葉背氣流極易發(fā)生大面積的附面層分離。為了抑制附面層分離并提高壓氣機(jī)效率、性能和穩(wěn)定裕度，需要對壓氣機(jī)內(nèi)氣體流動情況進(jìn)行流動控制［1］。目前的壓氣機(jī)流動控制技術(shù)，主要有2種：首先是從外部輸入能量的來控制氣體的分離的主動控制，如等離子體氣動激勵［2-3］、噴氣 /射流［4-5］、附面層抽吸［6-7］等；其次就是通過幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計或優(yōu)化來抑制分離和堵塞的被動控制，如機(jī)匣處理［8-9］、端壁造型［10-11］、渦流發(fā)生器［12-13］、開槽射流［14］等。

葉柵射流作為一種被動控制方法［15］，不需要額外注入能量，結(jié)構(gòu)簡單，通過一條貫穿吸力面和壓力面的縫隙，氣流能在壓差的作用下從壓力面射向吸力面，向吸力面的低能流體輸入能量，從而減緩附面層的分離，降低損失。

曹朝暉等［16］用CFD方法對開縫前后流場進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)葉柵射流能有效延緩附面層的分離，從而增大氣流的轉(zhuǎn)折能力，降低總壓損失，擴(kuò)大葉柵的穩(wěn)定工作范圍。周敏等［1，17］對槽道出口位置、結(jié)構(gòu)和寬度進(jìn)行研究，表明不同的槽道位置、結(jié)構(gòu)和寬度對葉柵流場的總壓損失等參數(shù)都有不同的影響。吳培根等［18］設(shè)計了一種收斂轉(zhuǎn)折型的槽道結(jié)構(gòu)，通過試驗和數(shù)值研究表明可以加速吸力面附面層流動，擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍。王如根等［14］設(shè)計了一種弧線形射流縫，顯著地減小了葉柵尾跡分離的范圍，提高了分離區(qū)內(nèi)的氣流速度，減小了葉柵流動損失，降低了角區(qū)的堵塞程度，使出口流場更加均勻。孫槿靜等［19］在葉片根部開縫，發(fā)現(xiàn)葉根開縫可有效控制角區(qū)分離，減小葉柵損失，增大其擴(kuò)壓能力。唐雨萌等［20］在葉根位置設(shè)計了一種雙槽道方案，研究表明，單雙槽道均能降低損失，但單槽道方案射流的作用范圍有限，引入第2個槽道可以擴(kuò)大射流影響范圍更有效降低損失。RAMZI等［21］分析了不同類型的射流縫對葉柵流場的影響，總結(jié)了射流縫的工作原理。王何建等［22］研究了雙C型槽道和SC型槽道，發(fā)現(xiàn)其均能消除葉柵吸力面附面層分離，減小角區(qū)分離，提高擴(kuò)壓能力。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種S型的射流縫，對葉柵流道進(jìn)行模擬仿真計算，并與等截面積的直線型射流縫進(jìn)行對比，研究其對葉柵流場特性影響，及其對靜子葉柵流動損失的控制效果。S型射流縫進(jìn)出口更加貼近主流，能夠更好地改善大攻角流動分離，具有更好的應(yīng)用前景。

1 物理模型與數(shù)值方法

研究對象為某型壓氣機(jī)靜子葉片。如圖1所示，靜子葉柵原型用“原型”表示；直線型射流縫葉柵改型通過一條直線通道聯(lián)通吸力面與壓力面，用“直線型”表示；S型射流縫葉柵改型通過一條S型通道聯(lián)通吸力面與壓力面，該S型通道由兩道凹凸方向不同的弧線構(gòu)成如圖1（c）所示，形似一個“S”，用“S型”表示，整體S型射流縫為收斂擴(kuò)張型通道，能進(jìn)一步加速氣流，提升射流效果，而且使進(jìn)出口方向更加貼近主流方向，減小摻混損失。在大來流攻角下，利用葉柵射流向吸力面附面層內(nèi)低能流體中注入能量，吹除附面層，抑制分離，減小損失。直線型射流縫進(jìn)、出口寬度均為0.8 mm，2種縫隙進(jìn)、出口位置相同，出口均位于吸力面中部，2種射流縫高度均等于葉柵高度150 mm，S型射流縫由兩段圓弧組成，圓弧半徑為25 mm。

圖1 葉柵網(wǎng)格Fig.1 Mesh of cascade

模型建立與網(wǎng)格劃分采用NUMECA的AutoGrid5和IGG模塊，第一層壁面網(wǎng)格厚度為10-5m，Y+<10，選定網(wǎng)格總數(shù)約為100萬，數(shù)值模擬與試驗對比如圖2所示；在射流縫進(jìn)、出口位置進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，射流縫進(jìn)出口與葉片吸力面，壓力面采用匹配連接，射流縫內(nèi)網(wǎng)格點分布為13×21×57。數(shù)值模擬采用NUMECA的Fine/Turbo流場求解器進(jìn)行三維葉柵數(shù)值計算，數(shù)值計算采用雷諾平均三維Navier-Stokes方程組，空間離散采用中心差分格式的有限體積法，時間項采用四階Runge-Kutta 法迭代求解，計算中采用了局部時間步長、隱式殘差光順法和完全多重網(wǎng)格加速收斂。計算邊界條件給定進(jìn)口總壓、總溫以及進(jìn)口氣流角，平均出口靜壓，固體壁面為絕熱無滑移邊界條件［23-24］。

圖2 葉片表面等熵馬赫數(shù)數(shù)值模擬與試驗對比Fig.2 Comparison between numerical simulation and experiment of isentropic Mach number on blade surface

本文與文獻(xiàn)［25-26］采用相同數(shù)值計算方法，對同一葉柵進(jìn)行研究，圖3示出了葉片表面等熵馬赫數(shù)試驗數(shù)據(jù)與3種不同湍流數(shù)值模型（S-A、B-L和k-e模型）計算結(jié)果對比，由于S-A模型具有渦黏模式簡單和雷諾應(yīng)力松弛的優(yōu)點，S-A模型更貼近試驗測量，因此本文采用S-A湍流模型。

圖3 3種湍流數(shù)模型葉片表面等熵馬赫數(shù)數(shù)值模擬與試驗對比［26］Fig.3 Comparison of isentropic Mach number numerical simulation and experiment on blade surface of three turbulence numerical models［26］

2 結(jié)果與討論

本文以總壓損失系數(shù)對葉柵流場進(jìn)行分析［27］，定義為：

P1——葉柵進(jìn)口靜壓。

來流馬赫數(shù) 0.5，攻角為 -5°，0°，15°時，葉柵通道出口平均總壓損失系數(shù)隨馬赫數(shù)變化如圖4所示。從圖4（a）（b）可見，在來流攻角-5°和0°時，兩種開縫方式總壓損失均略微增大，但S型射流縫總壓損失低于直線型射流縫。從圖4（c）可見，在來流攻角15°時，直線型葉柵和S型葉柵總壓損失系數(shù)較原型葉柵分別降低了0.078～0.237和0.144～0.239，在大攻角時，分離區(qū)增大，葉片表面附面層分離增大，使得葉柵通道堵塞，帶來較大的流動損失，這時候的開縫能使壓力面的氣流通過縫隙射入吸力面，為吸力面附面層內(nèi)的低速低能流體注入能量，從而抑制附面層分離，改善葉柵流動，使損失大幅度降低，說明在大攻角時葉柵開縫能較大程度改善葉柵流場結(jié)構(gòu)；大攻角時S型射流縫比普通的直線型射流縫能更好的控制流動分離，這是由于S型射流縫的進(jìn)出口相對直線型射流縫更加地貼近主流方向，降低了摻混損失。綜上所述，S型射流縫相比直線型射流縫能更好地降低總壓損失。

圖4 總壓損失系數(shù)Fig.4 Total pressure loss coefficient

圖5～7分別示出進(jìn)口馬赫數(shù)為0.5時3種葉柵50%葉高截面的馬赫數(shù)分布云圖，攻角分別為 -5°，0°，15°。從圖 5，6 可以看出，原型葉柵流場情況較好，速度分布均勻，開縫后附面層厚度略微增大。如圖7所示，15°攻角下，原型葉柵開通射流縫后，低速區(qū)面積明顯減小，附面層厚度大大降低，氣流流通能力有了明顯增大，葉柵出口速度也明顯增高。這是由于大攻角下，葉片擴(kuò)壓能力較強(qiáng)，使得逆壓梯度較大，流速降低，甚至形成了局部回流區(qū)，葉柵開縫使得氣流通過射流縫射入吸力面，從而使吸力面低能流體流速增加，使葉柵通道主流速度增加，降低附面層厚度，減小尾跡區(qū)，使流場流動情況得到改善，降低損失。相比圖7（b）中傳統(tǒng)直線型射流縫，圖7（c）中新設(shè)計的S型射流縫的低速區(qū)面積進(jìn)一步減小，附面層厚度變得更薄，氣流流通面積更大，葉柵出口速度也有所增加。這是因為與傳統(tǒng)的直線型射流縫相比，S型射流縫改變了射流縫進(jìn)、出口氣流方向，使射流縫的進(jìn)出口氣流方向更加貼近主流的方向，降低了氣流摻混損失，提高了氣流速度。

圖5 馬赫數(shù)分布云圖（i=-5°）Fig.5 Mach number distribution nephogram（i=-5°）

圖6 馬赫數(shù)分布云圖（i=0°）Fig.6 Mach number distribution nephogram（i=0°）

圖7 馬赫數(shù)分布云圖（i=15°）Fig.7 Mach number distribution nephogram（i=15°）

圖8示出了直線型射流縫和S型射流縫局部馬赫數(shù)分布云圖，兩種射流縫進(jìn)口氣流速度接近，但S型射流縫出口速度相較直線型射流縫提高了約45%，原因是S型射流縫進(jìn)口A處壓強(qiáng)低于葉盆形成抽吸提高了氣流速度，而射流縫內(nèi)部存在損失，并且S型流道在B處略微變寬，故射流縫中部B處速度下降，而出口處由于葉背發(fā)生附面層分離，附面層分離區(qū)域壓強(qiáng)較低，并且通道收縮，使得射流縫內(nèi)C處流體加速射出，局部馬赫數(shù)高達(dá)0.531。由于 S型射流縫進(jìn)出口氣流速度方向更加接近主流流動方向，大大降低了摻混損失，故S型射流縫出口氣流流速遠(yuǎn)高于直線型射流縫出口流體流速，說明S型射流縫對流體有更好的加速作用。

圖8 射流縫局部馬赫數(shù)分布云圖（i=15°）Fig.8 Local Mach number distribution in jet slot（i=15°）

圖9示出了15°攻角時靜子葉柵原型Prototype、直線型射流縫葉柵改型Parallel Slot和S型射流縫葉柵改型S-type Slot 3種葉片吸力面極限流線與靜壓分布云圖，其中流線速度方向均為從右向左，即方向與主流方向相反，出現(xiàn)倒流，附面層分離。

圖9 吸力面極限流線與靜壓分布云圖（i=15°）Fig.9 Limiting streamlines and static pressure distribution nephogram of suction surface（i=15°）

如圖所示，15°攻角時，葉柵原型在角區(qū)出現(xiàn)大尺度的附面層分離，且低壓區(qū)面積很大。而在直線型射流縫柵改型中，角區(qū)分離明顯削弱，流動情況明顯改善，原因是壓力面氣流通過直線型射流縫射入吸力面，使氣流流動更加穩(wěn)定。在S型射流縫葉柵改型中，流動情況較直線型射流縫有了更大的改善，這是由于S型射流縫出口方向較直線型射流縫更加接近主流方向，使整個葉高范圍內(nèi)的流場趨于均勻變化，顯著改善了角區(qū)流動分離的現(xiàn)象，有效抑制了氣流沿葉高方向的潛移，說明新設(shè)計的S型射流縫相對于傳統(tǒng)的射流縫能更好的改善流動情況。

圖10示出了15°攻角下50%葉高截面進(jìn)口馬赫數(shù)為0.3，0.4，0.5時3種不同葉型的葉柵尾緣出口馬赫數(shù)沿額線方向分布曲線，2種開縫葉柵出口馬赫數(shù)總體高于原型葉柵，且曲線較原型葉柵平穩(wěn)，這時說明2種開縫方式均能有效提高該工況下氣流出口速度，改善流動情況，在葉柵尾緣中部原型葉柵馬赫數(shù)略高于開縫葉柵，是因為尾緣中部流體主要來自于葉柵壓力面，而在開縫葉柵中壓力面部分流體經(jīng)過射流縫流向葉柵吸力面導(dǎo)致該處流體減少，流體速度降低。而相較于直線型射流縫葉柵，S型射流縫葉柵整體馬赫數(shù)更高，流動情況更好，曲線更平穩(wěn)，說明S型射流縫具有更好的效果。

圖10 葉柵尾緣馬赫數(shù)分布（i=15°）Fig.10 Mach number distribution at trailing edge of cascade（i=15°）

圖11示出了流馬赫數(shù)為0.5時 50%葉高截面葉柵尾緣熵分布，從圖11（a）（b）可以看出，攻角為-5°和0°時，原型葉柵的熵值小于2種開縫葉柵，這是因為原型葉柵設(shè)計良好，在小攻角時流體流動較為平穩(wěn)，而葉柵開縫增大了流體的摻混，而兩種射流縫相比較，本文設(shè)計的S型射流縫的摻混損失要低于傳統(tǒng)的直線型射流縫。從圖11（c）可以看出，攻角為15°時，2種開縫葉柵的熵值都低于原型葉柵，這是由于在大攻角時，原型葉柵吸力面出現(xiàn)了大面積的低速回流區(qū)，流動紊亂，而葉柵開縫能夠通過從壓力面射流的形式向吸力面低速回流區(qū)注入能量來改善流動情況，使流動變得更加平穩(wěn)。而2種開縫葉柵的對比也表明，S型射流縫在改善流體流動情況方面要大大的優(yōu)于直線型射流縫。

圖11 葉柵尾緣熵分布Fig.11 Entropy distribution of cascade trailing edge

3 結(jié)論

（1）在小攻角時，葉片表面分離較小，原型葉柵流動情況較好，對葉柵進(jìn)行開縫反而會使總壓損失略微增大，但不同的射流縫流動損失增大的程度不同，S型射流縫相對直線型射流縫增大的總壓損失較小。原因是小攻角時原型葉柵接近設(shè)計狀態(tài)，性能較好，且流體流動方向與射流縫方向偏差較大，射流速度較低，反而會引起摻混損失。

（2）在大攻角時，葉柵開縫均能明顯改善流場流動情況，直線型較原型總壓損失降低了0.078～0.237，而S型總壓損失降低更多，為0.144～0.239，S型射流縫葉柵對流動情況的改善明顯優(yōu)于直線型射流縫葉柵，原因是在大攻角下葉柵出現(xiàn)大尺度附面層分離時，2種射流縫結(jié)構(gòu)均能發(fā)揮良好的吹除作用，射流向吸力面附面層內(nèi)注入大量能量，顯著改善了附面層分離，改善了流動狀況，而S型射流縫對氣流加速效果更好且進(jìn)出口更加貼近主流流動方向，大大降低了摻混損失，S型射流縫效果更好。

綜上所述，開縫葉柵能大大改善大攻角下流動分離嚴(yán)重時的流場結(jié)構(gòu)，且本文設(shè)計的S型射流縫葉柵改型性能較優(yōu)于傳統(tǒng)的直線型射流縫葉柵性能。接下來將在整級壓氣機(jī)流動分離嚴(yán)重的位置進(jìn)行開縫測試，近一步研究S型射流縫的優(yōu)化效果。