變彎度葉柵性能及流場研究

郭安琪 張國臣 于瀚科 李志鵬 周藝桐 孫依諾

【摘要】變彎度葉片是由兩段或者三段構(gòu)成，前緣部分固定不動，后半部分可以調(diào)節(jié)。本文對變彎度葉柵不同彎度時的流場及氣動性能參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。結(jié)果表明，隨著彎度位置從前緣向后緣移動，氣流轉(zhuǎn)折角逐漸變小，對出口氣流的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。變彎度葉片的應(yīng)用既防止了喘振又保證了壓氣機(jī)的效率。

【關(guān)鍵詞】變彎度葉片；數(shù)值計(jì)算；氣流角；壓氣機(jī)

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.03.054

Numerical Investigation on the Influence of Variable-Camber Cascades on Compressor Performance and Flow Field

GUO Anqi， ZHANG Guochen， YU Hanke， LI Zhipeng， ZHOU Yitong， SUN Yinuo

（ShenyangAerospace University〔School ofAero-engine〕， Shenyang 110136， China）

Abstract： The variable-camber blade is composed of two or three sections， with the leading edge fixed and the rear half adjustable. This article conducts numerical calculation and analysis on the flow field and aerodynamic performance parameters of variable-camber cascades with different curvature. The results show that as the curvature position moves from the leading edge to the trailing edge， the airflow turning angle gradually decreases， and the ability to regulate the outlet airflow becomes stronger. The application of variablecamber blades not only prevents surging but also ensures the efficiency of the compressor.

Keywords： variable-camber blade； numerical calculation； flow angle； compressor

0引言

發(fā)動機(jī)喘振是危害發(fā)動機(jī)性能的重要因素。為有效防止發(fā)動機(jī)喘振，國外在20世紀(jì)提出了新型的可調(diào)靜子葉片結(jié)構(gòu)——變彎度靜子葉片。變彎度葉片由兩段或者三段構(gòu)成，前緣部分固定不動，后半部分可以調(diào)節(jié)。

自20世紀(jì)60年代起，國內(nèi)外的軍用航空發(fā)動機(jī)相繼采用變彎度進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)預(yù)旋，控制流量，調(diào)節(jié)第一級轉(zhuǎn)子的來流攻角。通過對變彎度葉柵進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為可變尾緣進(jìn)口導(dǎo)葉能夠在較小的損失下實(shí)現(xiàn)較大的氣流轉(zhuǎn)折，氣動性能上比可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉更為優(yōu)越，并且合理設(shè)計(jì)變尾緣葉柵的縫隙可以使該葉柵的性能比無縫時的性能更好。研究表明，當(dāng)葉片彎度小于一定數(shù)值時，變彎度葉柵開縫和堵縫的總壓損失和葉柵落后角均保持在合理的范圍之內(nèi)，能夠滿足調(diào)節(jié)葉柵氣流出口方向的目的。

雖然國內(nèi)外的資料對變彎度葉柵進(jìn)行了介紹，但是很少對變彎度葉柵不同彎度時的流場及氣動性能參數(shù)進(jìn)行研究分析。因此，本文采用NUMECA軟件對某型壓氣機(jī)變彎度葉柵不同彎度、不同彎度位置以及不同來流馬赫數(shù)時進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬，探討該變彎度葉柵的最佳彎度位置，并將不同彎度位置時的流場性能與傳統(tǒng)的固定彎度葉柵進(jìn)行對比分析。

1研究對象及數(shù)值模擬方案介紹

首先介紹數(shù)值模擬方案，然后針對網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證，得到數(shù)值模擬的最佳網(wǎng)格數(shù)目。

1.1研究對象和數(shù)值模擬方案

研究對象為某壓氣機(jī)靜子葉柵，前半部分固定不動，后半部分可調(diào)，并假設(shè)轉(zhuǎn)動部分與固定部分連接點(diǎn)連續(xù)。本節(jié)規(guī)定：尾部逆時針轉(zhuǎn)動角度為正，順時針轉(zhuǎn)動角度為負(fù)；并規(guī)定固定彎度葉柵安裝角順時針調(diào)節(jié)為負(fù)，此時攻角為正，反之攻角為負(fù)，即上表面為吸力面，下表面為壓力面。

本文針對進(jìn)口導(dǎo)葉彎度調(diào)節(jié)0°，±5°，±10°和±20°以及彎度調(diào)節(jié)-5°時，彎度位置位于相對弦長距前緣25%、50%和75%處進(jìn)行研究分析。計(jì)算域出口距離葉柵尾緣約3倍弦長。本文數(shù)值模擬采用商業(yè)軟件NUMECA的Fine/Turbo模塊進(jìn)行三維平面葉柵數(shù)值模擬；利用AutoGrid5進(jìn)行網(wǎng)格劃分，葉柵近壁面第一層網(wǎng)格尺度為5×10-6m。數(shù)值模擬采用SpalartAllmaras模型。

1.2網(wǎng)格數(shù)目對計(jì)算精度的影響

通過對彎度為5°、彎度位置為25%弦長時不同網(wǎng)格數(shù)目進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同網(wǎng)格數(shù)目對計(jì)算精度的影響，共進(jìn)行三套網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格數(shù)目分別為15萬個、40萬個和55萬個。

2不同彎度葉柵和位置對流場性能的影響研究

變彎度葉柵的彎度位置和彎度對葉柵的性能和流場結(jié)構(gòu)都有著較大的影響。本文以變彎度葉柵的彎度為-5°為例說明彎度位置對流場的影響，然后對不同彎度對葉柵性能的影響進(jìn)行分析。

對彎度位置在距前緣25%、50%和75%弦長及固定葉柵彎度時性能和流場進(jìn)行數(shù)值模擬。圖1為-5°彎度時不同彎度位置損失系數(shù)對比圖。為了便于對比，對固定彎度葉片（為了便于說明，下文中均認(rèn)為彎度不可調(diào)葉片彎度調(diào)節(jié)位置為0）的安裝角調(diào)節(jié)-5°。可以看出，當(dāng)彎度位置在50%弦長和75%弦長處時，隨著來流馬赫數(shù)的增大，損失系數(shù)逐漸增大，與不進(jìn)行彎度調(diào)節(jié)時基本重合；彎度位置在距前緣約25%位置時損失系數(shù)最小，隨著來流馬赫數(shù)的增大損失系數(shù)先減小后變大，來流馬赫數(shù)大于0.6時，變彎度位置在25%弦長時損失系數(shù)增大較快。

如圖2所示，隨著來流馬赫數(shù)Ma1的增大氣流轉(zhuǎn)折角呈增大趨勢；隨著彎度位置逐漸接近前緣氣流轉(zhuǎn)折角也隨之增大，彎度調(diào)節(jié)位置為0時氣流轉(zhuǎn)折角最大，彎度調(diào)節(jié)位置為75%弦長時氣流轉(zhuǎn)折角最小，即彎度調(diào)節(jié)位置越接近前緣點(diǎn)，對氣流的調(diào)節(jié)能力越大。如果彎度不可調(diào)時可以看作是彎度調(diào)節(jié)位置在前緣點(diǎn)的極限情況，則彎度調(diào)節(jié)位置越接近前緣，氣流轉(zhuǎn)折角越大，對出口氣流的調(diào)節(jié)能力越大。

由圖1可以看出不同彎度位置時各葉柵損失系數(shù)很小，可以推斷不同來流馬赫數(shù)時流場較好，沒有出現(xiàn)大面積的附面層分離等二次流現(xiàn)象，因而以來流馬赫數(shù)0.4時為例進(jìn)行流場和性能分析。圖3為來流馬赫數(shù)0.4時不同彎度位置葉柵表面等熵馬赫數(shù)沿弦向的分布圖，彎度調(diào)節(jié)位置為0時，葉柵表面等熵馬赫數(shù)分布比較光滑，除了葉柵前緣和尾緣外，表面等熵馬赫數(shù)曲線沒有出現(xiàn)大的突躍；當(dāng)葉柵彎度調(diào)節(jié)-5°時，各葉柵表面等熵馬赫數(shù)均明顯出現(xiàn)突躍，而且突躍點(diǎn)隨著彎度調(diào)節(jié)位置的向后移動而向后移動，這是由于彎度調(diào)節(jié)時連接處不光滑造成的；并且彎度位置向后移動時，由于氣流較為充分，表面等熵馬赫數(shù)的變化量略微變小。

圖4為來流馬赫數(shù)0.4時不同彎度調(diào)節(jié)位置時馬赫數(shù)分布云圖，由于調(diào)節(jié)角度較小，總體上流場差別不大，均未出現(xiàn)明顯的附面層分離和二次流現(xiàn)象；隨著彎度調(diào)節(jié)位置向后移動，葉柵吸力面高速區(qū)也隨之向后移動，特別是彎度調(diào)節(jié)位置位于25%和50%弦長時，吸力面出現(xiàn)明顯的高速區(qū)，這是由于彎度調(diào)節(jié)后在吸力面通道局部突然擴(kuò)張，增大了葉柵通道氣流流通能力，導(dǎo)致出現(xiàn)高速區(qū)。但是在彎度調(diào)節(jié)葉片后半部附近氣流速度明顯比主流區(qū)小，這是由于該通道局部擴(kuò)張，并且在擴(kuò)張型通道，亞聲速氣流壓強(qiáng)增大，速度變小。

綜上分析，彎度位置在大約25%弦長時能夠?qū)崿F(xiàn)較大的氣流轉(zhuǎn)折，損失系數(shù)較低，并且該位置非常接近葉型最大厚度處，彎度調(diào)節(jié)位置選擇該點(diǎn)還可以獲得較大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，主要分析25%弦長位置時變彎度葉柵的流場氣動性能，并與彎度不可調(diào)時進(jìn)行對比分析。

3結(jié)論

本文采用NUMECA里的Fine/Turbo模塊對變彎度葉柵進(jìn)行數(shù)值模擬，研究變彎度葉柵不同彎度及不同來流馬赫數(shù)時的氣動流場性能。首先，針對彎度調(diào)節(jié)-5°不同彎度位置時進(jìn)行數(shù)值模擬，并且以進(jìn)口馬赫數(shù)0.4為例進(jìn)行馬赫數(shù)云圖分析，總結(jié)了不同彎度位置時葉柵損失系數(shù)和氣流轉(zhuǎn)折角隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化關(guān)系，得到最佳彎度位置；然后固定該彎度位置針對不同葉柵彎度和固定彎度葉柵進(jìn)行數(shù)值模擬，對損失系數(shù)和氣流轉(zhuǎn)折角進(jìn)行對比分析，再對馬赫數(shù)分布云圖進(jìn)行對比研究；最后總結(jié)不同彎度位置時流場性能的差別及原因，并得出以下結(jié)論：

1）表面等熵馬赫數(shù)在彎度調(diào)節(jié)位置處出現(xiàn)突躍，隨著來流馬赫數(shù)的增大，突躍量呈增大趨勢，但是流場參數(shù)的突躍對葉柵損失系數(shù)影響較小。

2）隨著彎度位置從前緣向后緣移動，氣流轉(zhuǎn)折角逐漸變小，即彎度調(diào)節(jié)位置越接近前緣，對出口氣流的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)；綜合考慮葉柵強(qiáng)度，把葉柵彎度調(diào)節(jié)位置選擇在距前緣約25%弦長位置，并且該點(diǎn)接近葉柵最大厚度位置，強(qiáng)度較高。

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【作者簡介】

郭安琪，女，2002年出生，學(xué)士，研究方向?yàn)轱w行器動力工程。

（編輯：于淼）