吸力面抽吸位置影響大轉(zhuǎn)角擴壓葉柵氣動性能的數(shù)值研究

關(guān)敬元，陸華偉，張永超，朱智鵬，董 策，楊健鑫

(1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽110015;2.大連海事大學(xué) 輪機工程學(xué)院，遼寧 大連116026)

現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機正朝著低耗油率、高效率和高推重比的方向發(fā)展，而壓氣機作為航空發(fā)動機的三大核心部件之一，壓氣機的性能已經(jīng)成為制約發(fā)動機性能提升的瓶頸，如何同時提高壓氣機的壓比、效率與穩(wěn)定性一直是困擾著無數(shù)科研工作者的難題。已有的研究資料表明，采用大折轉(zhuǎn)角葉柵提高葉片負(fù)荷并結(jié)合附面層吸除技術(shù)削弱流動分離是提高壓氣機效率和壓比的一條極具潛力的途徑［1］。

目前國外在這方面已經(jīng)進行了大量的理論研究和試驗驗證，證明高負(fù)荷吸除附面層壓氣機的單級技術(shù)指標(biāo)遠遠超過常規(guī)壓氣機水平。1997年MIT的Kerrebrock等人最早提出吸附式壓氣機這種新的壓氣機設(shè)計概念以來，附面層抽吸逐漸成為高負(fù)荷壓氣機研究中的一個極具前途的研究方向，其研究結(jié)果證明附面層抽吸對低能流體的有效控制增強了氣流的折轉(zhuǎn)能力，使得葉柵通流能力以及擴壓能力顯著提升，同時還提高壓氣機的效率［2］。緊接著他們利用準(zhǔn)三維和全三維無粘程序設(shè)計了三個風(fēng)扇級，并通過采用附面層抽吸技術(shù)，將相同葉尖速度下的風(fēng)扇級加功能力提高到了常規(guī)級的175%以上［3］。2002年MIT與Glenn研究中心進行的一次吸附式風(fēng)扇級實驗將風(fēng)扇級的壓比提高到傳統(tǒng)風(fēng)扇級的1.5倍左右［4］。有研究資料表明，該項技術(shù)目前已經(jīng)在F414發(fā)動機中得到了應(yīng)用［5］。

國內(nèi)對于該項技術(shù)的研究起步較晚，北航的李秋實等人以跨聲速壓氣機轉(zhuǎn)子ATS－2為研究對象進行了附面層抽吸技術(shù)的相關(guān)研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明通過附面層抽吸，轉(zhuǎn)子的壓比和效率分別提高了1.7%和0.5%［6］。中科院的牛玉川等對具有22°葉型折轉(zhuǎn)角的平面葉柵采用附面層吸除的實驗結(jié)果表明，當(dāng)吸氣量逐漸增大時，葉柵尾跡寬度最大縮小11.3，總損失下降10%，并提出附面層分離越嚴(yán)重時采用附面層吸氣的效果越好［7］，哈工大的郭爽自行設(shè)計了一種高負(fù)荷大轉(zhuǎn)角葉型，并采用數(shù)值與矩形葉柵實驗的方法驗證了附面層抽吸對于壓氣機性能提升的可能性［8］。

本文主要針對低速氣動性能良好的NACA65－010葉型，采用60°轉(zhuǎn)角，研究在不同吸力面位置進行抽吸的矩形葉柵氣動性能隨來流沖角變化的規(guī)律，同時完成對應(yīng)的葉柵實驗前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作［9］。

1 葉型參數(shù)與數(shù)值方法

1.1 葉型參數(shù)定義數(shù)值方法

如圖1所示，葉片采用彎角為60°的NACA65－010葉型，抽吸內(nèi)腔與葉片表面厚度為2 mm，通過開展開槽實現(xiàn)附面層的抽吸，縫寬2 mm，參考已有研究文獻，設(shè)定開槽位置分別為距前緣35%、48%和60%弦向位置，葉柵的具體幾何與氣動參數(shù)參見表1。

表1 葉柵幾何與氣動參數(shù)

圖1 葉型幾何參數(shù)定義

1.2 數(shù)值方法

本文選用ANSYS CFX11.0軟件進行數(shù)值計算，采用k－ε模型，用ICEM CFD生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對葉片前緣、尾緣及抽吸槽位置進行加密，網(wǎng)格總數(shù)65萬(見圖2)。

圖2 葉型幾何參數(shù)定義

2 不同抽吸位置對葉柵性能的影響規(guī)律

2.1 原型葉柵不同沖角下的性能變化規(guī)律

原型葉柵的性能計算方案分別選取了－10°、－5°、0°、+5°和+10°五個沖角，分別定義為ORI_N10、ORI_N05、ORI_00、ORI_P05及ORI_P10。圖3所示給出了葉柵出口截面下半葉高總壓損失系數(shù)云圖。由0°沖角總壓損失系數(shù)云圖(圖3(c))可知，高損失區(qū)域較大。隨著沖角的減小，損失區(qū)域逐漸減小(圖3(a)和(b)所示);而隨著沖角的增大，損失區(qū)域幾乎遍及全葉高，且沖角越大，損失程度越嚴(yán)重(圖3(d)和(e)所示)。從圖中還可以看出，雖然采用了60°轉(zhuǎn)角的葉片，但在設(shè)計沖角(0°)下，其分離形態(tài)還是呈現(xiàn)出較為正常的角區(qū)分離，表明低速來流條件下該葉型的良好性能。因此對于該葉柵的附面層抽吸也顯得更具有實際應(yīng)用意義［10］。

圖3 葉柵出口截面總壓損失系數(shù)云圖

圖4給出了這五種工況下吸力面極限流線分布。在0°沖角時，起始于葉片前緣的流線在沿流向發(fā)展的過程中逐漸以一條起始于葉根35%弦長的流線為漸近線，與之靠攏的同時向中徑的方向抬升，這簇線即為吸力面分離線，這條分離線在尾緣處達到葉高的高度約為43%，說明角區(qū)分離的程度相當(dāng)大。隨著沖角的減小，角區(qū)分離的程度逐漸減小，在－10°沖角工況下，吸力面分離線在尾緣處僅達到葉高的20%左右;而隨著沖角的不斷增大，角區(qū)分離越來越嚴(yán)重，如圖4(d)和(e)所示，損失區(qū)域幾乎遍及全葉高。由此可知，原型葉柵零沖角時吸力面分離點的起始位置大約在吸力面35%弦長處，而分離的發(fā)展主要位于50%至80%相對弦長區(qū)域內(nèi)。吸力面附面層的分離狀況受到?jīng)_角變化的影響，沖角愈大，附面層分離位置愈靠近前緣，分離程度愈嚴(yán)重，損失也就愈大，+10°沖角時附面層分離最嚴(yán)重。由數(shù)值仿真結(jié)果還可得知，0°、±5°和 －10°沖角下中徑處沒有出現(xiàn)附面層分離，僅在+10°沖角工況下尾緣附近出現(xiàn)了附面層分離?？紤]到附面層抽吸的主要作用在于控制分離，因此選取分離最為嚴(yán)重的+10°沖角作為計算沖角之一，另外為了驗證設(shè)計沖角(0°)下的性能變化規(guī)律，對于0°沖角的方案同樣進行了數(shù)值模擬。

圖4 吸力面極限流線分布

2.2 0°沖角下附面層抽吸對葉柵性能的影響

0°沖角下，吸氣槽位于35%、48%和60%相對弦長處時分別以N00_35、N00_48和N00_60表示。根據(jù)原型葉柵數(shù)值仿真結(jié)果可知原型葉柵吸力面分離起始點大致在35%弦長位置附近，即第一個吸氣槽在吸力面分離點附近，而其他兩個吸氣槽位于分離的發(fā)展區(qū)域，每個開槽位置的吸氣量設(shè)計為原型葉柵單流道入口流量的1%。

圖5所示為原型和各吸氣葉柵出口截面全葉高的總壓損失系數(shù)云圖，其中右側(cè)是吸力面，左側(cè)為壓力面。由原型方案幾乎遍及全葉高的高損失區(qū)域可以看出，原型葉柵損失較大，在對附面層進行抽吸后，葉片尾跡變窄，葉根角區(qū)分離減弱，且分離中心的損失下降。隨著抽吸槽位置的后移，抽吸效果逐漸增強。

圖5 出口截面總壓損失系數(shù)

圖6給出了原型及吸力面開槽的葉柵葉片吸力面極限流線，由原型方案結(jié)果分析可以得知，起始于吸力面前緣的流線在沿流向發(fā)展的過程中逐漸以一條起始于葉根35%弦長附近的流線為漸近線，與之靠攏的同時向葉片中徑的方向抬升，這簇流線的漸近線即為吸力面分離線，這條分離線在尾緣處達到約43%葉高，這說明角區(qū)分離的尺度相當(dāng)大。在吸力面分離點附近進行抽吸(圖6(b))，即方案N00_35，附面層分離線抬起的速度以及在葉片尾緣所達到的高度均有所降低，角區(qū)分離范圍顯著減小。在吸力面分離點以后(圖6(c)、(d))進行抽吸的兩種方案獲得的效果較為相似，經(jīng)過抽吸后的吸力面附面層抵抗下游逆壓梯度的能力更強了，更寬展向區(qū)域內(nèi)的墨跡線都順暢地流向了尾緣，角區(qū)分離范圍相應(yīng)地縮小，說明葉柵通流能力增強。只是這兩組在吸力面分離線起點下游進行抽吸的方案沒能推遲角區(qū)分離，分離起始點仍然在35%弦長附近，但吸氣槽前的角區(qū)分離發(fā)展到吸氣槽處就被抑制甚至終止了。新的角區(qū)分離在吸氣槽后立即重新發(fā)展起來，角區(qū)分離的范圍進一步減小，且經(jīng)過抽吸的吸力面附面層速度型更為飽滿，這說明抽吸后葉柵的流場獲得了改善，流動分離得到了控制［11］。同時，基于本文研究的吸力面抽吸方案，最佳吸氣位置，該位置位于角區(qū)分離點下游，回流區(qū)上游，這與文獻［8］所得結(jié)論一致。

圖6 吸力面極限流線分布

2.3 +10°沖角下附面層抽吸對葉柵性能的影響

已有的研究成果表明，附面層分離越嚴(yán)重，抽吸可獲得的效果就越好。由原型方案分析結(jié)果可知，在+10°沖角工況下葉片吸力面附面層分離最嚴(yán)重，因此，為了獲得更好的抽吸效果，本文還研究了+10°沖角下附面層抽吸對于葉柵性能的影響。同樣的研究了三種吸氣方案，下文分別以P10_35、P10_48和P10_60表示。圖7所示給出了原型和各吸氣葉柵在+10°沖角下出口截面全葉高的總壓損失系數(shù)云圖，其中右側(cè)是吸力面，左側(cè)為壓力面。原型葉柵(圖7(a))的高損失區(qū)域遍及全葉高，這說明原型葉柵在+10°沖角下已經(jīng)發(fā)生了全葉高分離。而從三種吸氣方案來看，在35%弦長位置抽吸的效果比較好，明顯改善了葉展中部的流場，降低了葉柵損失;而其他兩種抽吸方案，損失區(qū)域相比原型方案雖有變化，但是效果改善不大。圖8所示給出了+10°沖角下原型葉柵和吸氣葉柵吸力面極限流線分布情況。由圖8(a)可知，原型葉柵在+10°沖角工況下，吸力面附面層在20%相對弦長位置即已發(fā)生分離，并出現(xiàn)嚴(yán)重的回流現(xiàn)象，葉型損失嚴(yán)重。在吸力面分離點之后和回流區(qū)之前進行抽吸(圖(b))，吸力面分離起始位置未發(fā)生變化，但縱貫整個流道的全葉高分離很快就被抑制，取而代之的是常規(guī)的角區(qū)分離形式，吸力面分離線在尾緣達到的葉高的高度約為46%，損失區(qū)域顯著減小，流場結(jié)構(gòu)也得到了改善。而P10_48抽吸方案的抽吸槽位于回流區(qū)再附的位置，此處抽吸對于分離回流的再附起到了較大的干擾作用，使得壁面極限流線發(fā)生了很大的扭曲，抽吸槽后的流動狀態(tài)較為復(fù)雜，由于是單側(cè)抽吸方案，因此位于抽吸出口附近的流道底部的分離還是得到了明顯的抑制，但由于分離狀態(tài)被抽吸所破壞，在流道的頂部分離反而有所加劇，總損失未見下降。P10_60方案的抽吸槽位于分離再附位置的下游，在該位置抽吸對于附面層的分離起到了一定的抑制作用，但未從本質(zhì)上改變?nèi)~片吸力面?zhèn)鹊姆蛛x形態(tài)，因此整個流道的分離損失略有下降，但并無較大改善。+10°沖角的計算結(jié)果再次驗證了最優(yōu)抽吸位置位于角區(qū)分離點下游，回流區(qū)上游的結(jié)論。

圖7 出口截面總壓損失系數(shù)

圖8 吸力面極限流線

3 結(jié)論

本文借助于數(shù)值仿真手段，通過在吸力面不同弦向位置處開設(shè)吸氣槽，研究分析了附面層抽吸對大折轉(zhuǎn)角矩形擴壓葉柵性能的影響，得到了以下結(jié)論:

(1)原型葉柵中，吸力面附面層的分離狀況受到?jīng)_角變化的影響，沖角愈大，附面層分離的位置愈靠近前緣，分離程度愈嚴(yán)重，損失也愈大;中徑處的附面層較薄，不易出現(xiàn)分離，僅在較大沖角下才會在尾緣附近出現(xiàn)了附面層分離;

(2)吸氣位置的變化對于葉柵內(nèi)三維流動有較明顯的影響。在零沖角下，所有方案都不同程度地改善了流場結(jié)構(gòu)，降低了損失，并且在分離點后和回流區(qū)前區(qū)域內(nèi)抽吸可以獲得更好的抑制分離的效果。

(3)在+10°沖角下，位于分離再附之前的抽吸槽方案完全改變了葉片吸力面附近的分離形態(tài)，獲得了最佳的抽吸效果。當(dāng)抽吸槽位于分離再附之后，雖然對附面層分離起到了一定的作用，但未起到本質(zhì)性的作用。分離再附位置的抽吸槽，破壞了流場的流動形態(tài)，使得流動向更為復(fù)雜的方向發(fā)展，未能降低分離損失。

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