抽吸氣對高負(fù)荷跨聲雙級風(fēng)扇裕度影響的數(shù)值研究

白 尨，金海良，金東海，桂幸民

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191)

1 引言

目前，風(fēng)扇/壓氣機(jī)正朝著高通流、高負(fù)荷和高效率方向發(fā)展。而高負(fù)荷葉片設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，吸力面邊界層內(nèi)低動(dòng)能流體，在葉片流道中較強(qiáng)逆壓梯度作用下，易于從壁面分離，進(jìn)而導(dǎo)致流道堵塞、損失增加、穩(wěn)定裕度下降。因此，在深入研究風(fēng)扇/壓氣機(jī)流道內(nèi)復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采取適當(dāng)措施控制流動(dòng)分離，使壓氣機(jī)在較高負(fù)荷水平下保持較高的效率和較寬廣的穩(wěn)定工作范圍，已成為葉輪機(jī)械氣體動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重要方向。文獻(xiàn)[1]、[2]的研究表明，采用邊界層抽吸氣可將邊界層分離處的分離流引出，進(jìn)而降低損失，保證靜子出口流場更加均勻，從而提高壓氣機(jī)性能。

1997年，Kerrebrock首先提出了吸附式壓氣機(jī)概念，并通過在跨聲速壓氣機(jī)葉片吸力面上激波發(fā)生處進(jìn)行的吸氣實(shí)驗(yàn)，提出了利用邊界層吸氣來控制分離的基本思想[3]。此后的眾多數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究表明，吸附式風(fēng)扇/壓氣機(jī)可提高級壓比，改善壓氣機(jī)工作穩(wěn)定性或適用性[4]，避免高、低周疲勞[5]，以及降低噪聲[6]等。國內(nèi)王仲奇院士帶領(lǐng)的課題小組也對吸氣式擴(kuò)壓葉柵進(jìn)行了系統(tǒng)研究[7]。另外，人們還在轉(zhuǎn)子抽氣、級間抽氣[8]和對轉(zhuǎn)吸附式壓氣機(jī)方面開展了相關(guān)研究[9]。本課題組陳迪研究了抽吸氣對擴(kuò)壓葉柵攻角范圍和跨聲單級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子穩(wěn)定裕度的影響[10]。

本文以本課題組研究人員自主研發(fā)的某高負(fù)荷跨聲雙級風(fēng)扇[11]的設(shè)計(jì)初型為研究對象。該風(fēng)扇初型的第一級靜子葉片為直葉片，但由于該風(fēng)扇負(fù)荷較高，第一級靜子流動(dòng)分離較大，導(dǎo)致該風(fēng)扇初型穩(wěn)定裕度過低(僅為3.66%)。采用在第一級靜子葉片吸力面徑向開縫抽氣的方案對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，研究抽吸氣技術(shù)對多級風(fēng)扇三維流動(dòng)及其穩(wěn)定裕度的影響，探明抽吸機(jī)理；觀察縫隙位置及寬度對抽吸氣效果的影響，分析抽吸氣對風(fēng)扇各級的影響，為更高性能的風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)提供思路和途徑。

2 數(shù)值模擬條件

該高負(fù)荷跨聲雙級風(fēng)扇(如圖1)由第一級轉(zhuǎn)子R1(19片)、第一級靜子S1(34片)、第二級轉(zhuǎn)子R2(41片)、第二級靜子S2(44片)及支板ST(4片)組成。在第一級靜子葉片吸力面徑向開縫進(jìn)行抽吸氣，縫隙的幾何操作在UG軟件中完成。計(jì)算過程中，為精確模擬抽吸氣對整級性能的影響，采取整級計(jì)算。

計(jì)算網(wǎng)格由NUMECA軟件包的AUTOGRID模塊生成，單通道網(wǎng)格總數(shù)1 208 889。為正確捕捉邊界層流動(dòng)，固壁面第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處嚴(yán)格保證y+在1～10范圍內(nèi)；利用分塊網(wǎng)格操作，在主流區(qū)與抽吸縫的交接區(qū)三個(gè)方向上進(jìn)行局部加密。同時(shí)，將UG軟件中生成的葉片吸力面所開縫隙導(dǎo)入IGG，再對縫隙部分網(wǎng)格進(jìn)行手動(dòng)生成，網(wǎng)格數(shù)為33×81×33(周向×展向×流向)。縫隙入口與主流區(qū)吸力面固壁采用完全非匹配方式連接。圖2為第一級靜子與縫隙的網(wǎng)格示意圖。

采用Spalart-Allmaras湍流模型計(jì)算特性曲線。邊界條件設(shè)置為：進(jìn)口給定總壓、總溫和采取軸向進(jìn)氣；出口給定輪轂半徑處的靜壓，其它徑向壓力由徑向平衡方程插值得到；固壁采用絕熱無滑移條件；抽氣模塊出口給定平均靜壓。因此，主流區(qū)靜壓和縫隙出口靜壓決定抽吸流量。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 縫隙位置對抽吸效果的影響

首先對該高負(fù)荷跨聲雙級風(fēng)扇進(jìn)行數(shù)值研究，其特性線如圖3和圖4(本文所有特性線均以設(shè)計(jì)流量、效率、壓比作參考得到的相對值表示)。從圖中可以看出，原型風(fēng)扇的穩(wěn)定裕度很低，經(jīng)計(jì)算僅為3.66%。為改善該風(fēng)扇性能，拓寬其穩(wěn)定工作范圍，應(yīng)用抽吸氣技術(shù)對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，同時(shí)研究縫隙位置對抽吸氣效果的影響。

分別在該風(fēng)扇第一級靜子的吸力面相對弦長24%、44%、75%、85%處開縫抽吸氣(四種吸氣方案分別以A、B、C、D表示)，縫隙長40.0 mm，縫隙出口寬3.0 mm，縫隙出口背壓在各個(gè)工況下保持101 325 Pa不變，幾何示意圖見圖5。

圖6、圖7分別為不同弦向位置開縫抽氣方案的壓比-流量特性圖與效率-流量特性圖(圖中ORI代表原型，S代表抽吸氣，下同)。從圖中可以看出，該風(fēng)扇采用抽吸氣技術(shù)后，壓比在各個(gè)流量下都有提高，不過風(fēng)扇效率略有下降。

圖8比較了不同吸氣位置的吸氣量和風(fēng)扇的穩(wěn)定裕度。從圖中看，吸氣量隨著吸氣位置的后移而逐漸增加；風(fēng)扇的穩(wěn)定裕度隨著吸氣位置的后移先增大后減小，在葉片相對弦長75%抽吸氣時(shí)得到最大值15.34%。

圖9為原型和四種弦向位置開縫抽吸氣方案，在工作點(diǎn)下風(fēng)扇第一級靜子和第二級轉(zhuǎn)子參數(shù)的展向分布圖(橫坐標(biāo)為展向參數(shù)以原型工作點(diǎn)展向參數(shù)作參考得到的相對值表示，下同)。從圖9(a)中看，四種吸氣方案都能很好地改善S1根部流動(dòng)，提高其總壓恢復(fù)系數(shù)；其中C方案和D方案的總壓恢復(fù)系數(shù)分布幾乎重合，吸氣效果最好；A方案的抽吸氣效果在四種抽氣方案中最差。從圖9(b)、圖9(c)可以看出，四種吸氣方案的第二級轉(zhuǎn)子的壓比和效率的展向分布相對原型變差。這主要是由于第一級靜子進(jìn)行抽吸氣，其出口流量、攻角等會(huì)發(fā)生變化，從而造成風(fēng)扇各級不匹配。邊界層抽吸氣技術(shù)能很好地改善當(dāng)前級(S1)的性能，但考慮到風(fēng)扇整體性能，其它級需重新設(shè)計(jì)。

圖10示出了原型和不同弦向位置開縫吸氣方案在工作點(diǎn)下S1吸力面的極限流線。與原型的流動(dòng)相比，四種吸氣方案都能吸走葉片表面的分離流，使附面層分離得到延緩甚至消除，縫隙之后的根部流動(dòng)得到明顯改善。四種方案中，C、D方案的效果最好，幾乎消除了邊界層分離；而A、B兩種方案，因其位置相對靠前，已得到改善的流動(dòng)再次分離，但相

圖12、圖13分別為不同縫隙寬度吸氣模型的壓比-流量特性圖和效率-流量特性圖。從圖中看，相比原型風(fēng)扇，采用抽吸氣技術(shù)后，風(fēng)扇的壓比在各個(gè)流量下都有所提高，但效率略有下降。對于原型，流動(dòng)還是得到一定改善。

3.2 縫隙寬度對抽吸效果的影響

為考察不同縫隙寬度吸氣對流場結(jié)構(gòu)的影響，本文在該風(fēng)扇第一級靜子吸力面相對弦長75%處吸氣，縫隙長40.0 mm，縫隙出口背壓在各個(gè)工況下保持101 325 Pa不變，縫隙出口寬度分別為1.5 mm、1.8 mm和3.0 mm(分別用E、F、G表示)，其幾何示意圖見圖11。

圖14比較了不同縫隙寬度吸氣量和風(fēng)扇的穩(wěn)定裕度。從圖中看，在相同開縫位置，隨著縫隙寬度的增加，吸氣量增加，但穩(wěn)定裕度先增大后減小。當(dāng)縫隙寬1.8 mm時(shí)，穩(wěn)定裕度達(dá)到最高點(diǎn)17.53%。因此，采用邊界層抽吸氣技術(shù)時(shí)，縫隙寬度存在最佳值。

圖15為原型和三種縫隙出口寬度抽吸氣方案，在工作點(diǎn)下風(fēng)扇第一級靜子和第二級轉(zhuǎn)子參數(shù)的展向分布圖。從圖15(a)中可看出，應(yīng)用抽吸氣技術(shù)能很好地改善S1根部流動(dòng)，提高其總壓恢復(fù)系數(shù)。三種縫隙寬度抽氣方案中，G方案抽吸氣效果最好，E方案的效果最差。從圖15(b)、圖15(c)中看，相對于原型，三種抽氣方案的第二級轉(zhuǎn)子的壓比和效率的展向分布變差。這主要是由于多級風(fēng)扇存在級間匹配問題，雖然S1的性能得到了改善，但影響了其它級的性能，風(fēng)扇各級需進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

圖16示出了原型和三種寬度縫隙吸氣方案在工作點(diǎn)下S1吸力面的極限流線。與原型的流動(dòng)相比，G方案幾乎消除了葉片吸力面的分離，縫隙之后的根部流動(dòng)得到明顯改善；E方案和F方案抽吸氣延緩了邊界層的分離，有助于提高S1的總壓恢復(fù)系數(shù)。

4 結(jié)論

(1)在葉片吸力面開縫進(jìn)行邊界層抽氣，可延緩邊界層分離，有效拓展其穩(wěn)定工作范圍。由數(shù)值計(jì)算可知，在葉片吸力面開縫抽氣，該高負(fù)荷跨聲雙級風(fēng)扇穩(wěn)定裕度可提高13.87%。

(2)相同縫隙寬度，縫隙弦向位置越靠后，吸氣量越大，穩(wěn)定裕度先增大后減小。本文算例中，風(fēng)扇穩(wěn)定裕度在相對弦長75%處得到最大值15.34%。

(3)相同開縫位置，縫隙寬度越大，對當(dāng)前級的改善效果越明顯，但相應(yīng)地增大了吸氣量，從而增大了對其它級的影響。綜合考慮，在相對弦長75%處抽吸氣、縫隙寬1.8 mm時(shí)，該風(fēng)扇的穩(wěn)定裕度最大，為17.53%。

(4)邊界層抽吸氣技術(shù)對多級風(fēng)扇/壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度的影響，既要考慮對當(dāng)前級性能的影響，也要兼顧風(fēng)扇各級之間的合理匹配。

(5)風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用抽吸氣技術(shù)，須針對其內(nèi)部不同的流動(dòng)情況，綜合考慮以上各種因素的影響。

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