壓氣機(jī)葉柵前緣邊條技術(shù)的參數(shù)化數(shù)值研究

唐方明，伊衛(wèi)林，陳志民，季路成

（1.中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002；2.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京100081）

0 引言

多級(jí)葉輪機(jī)中普遍存在端區(qū)來(lái)流扭曲現(xiàn)象。依形成原因不同，分為上游端區(qū)二次流、相對(duì)運(yùn)動(dòng)固壁造成相對(duì)坐標(biāo)系下切向速度差異、轉(zhuǎn)靜件間泄漏流[1]。尤其對(duì)于壓氣機(jī)，上述端區(qū)來(lái)流扭曲使基元葉柵工作在高攻角工況下，引起角區(qū)分離，將嚴(yán)重惡化壓氣機(jī)性能[2]。

多年來(lái)，研究者一直致力于描述該現(xiàn)象，了解其影響并尋求應(yīng)對(duì)方法。Roberts[2]基于12套中間級(jí)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，動(dòng)/靜葉端區(qū)氣流均存在明顯的過或欠偏轉(zhuǎn)；Wadia[4]研究表明，應(yīng)考慮進(jìn)口氣流急劇扭曲所產(chǎn)生損失等的影響；對(duì)此，Sauer等[5]發(fā)現(xiàn)在前緣處端壁采用凸包可減小因氣流畸變而加強(qiáng)的二次流損失；Hoeger[6]提出了添加角區(qū)倒圓結(jié)構(gòu)的修型方案，并認(rèn)為此舉可消除分離團(tuán)、提升葉柵負(fù)荷能力；季路成[7]基于二面角原理提出了抑制角區(qū)分離的3種方式和葉片端壁融合技術(shù)[8]，并研究指出葉片端壁融合可改善氣流扭曲的不利影響[9-10]。

端區(qū)來(lái)流扭曲實(shí)質(zhì)體現(xiàn)為大攻角影響。既然如此，飛機(jī)應(yīng)用邊條翼來(lái)改善大迎角飛行性能當(dāng)可借鑒[11]。事實(shí)上，流動(dòng)方向扭曲使端區(qū)葉片天然地處于大攻角運(yùn)行，如能類比利用飛機(jī)邊條翼依靠前緣集中渦誘導(dǎo)高升力的機(jī)制，將可能變害為利改善葉輪機(jī)性能?；诖耍韭烦傻忍岢銮熬夁厳l葉片技術(shù)（LESB）[12]，并展示了其有效性。

在前述工作基礎(chǔ)上，本文將進(jìn)一步進(jìn)行前緣邊條幾何影響和變工況適應(yīng)性的參數(shù)化數(shù)值研究，以便積累邊條葉片幾何參數(shù)選取經(jīng)驗(yàn)，掌握其變工況性能。

1 前緣邊條葉片概念

為解決大迎角機(jī)動(dòng)飛行升力不足問題，在外流中很早提出并應(yīng)用了邊條翼，使得整個(gè)機(jī)翼升力得到大幅提升[13]。

與飛機(jī)需大迎角飛行才能獲得邊條翼增升的條件相比，壓氣機(jī)（葉輪機(jī)）中天然地存在著大攻角運(yùn)行環(huán)境：在端區(qū)，上游葉片通道內(nèi)橫向二次流、相對(duì)運(yùn)動(dòng)固壁造成相對(duì)坐標(biāo)系下切向速度差異，以及轉(zhuǎn)靜間隙泄漏流等，都會(huì)使葉片端區(qū)來(lái)流呈現(xiàn)大攻角。通常，這種來(lái)流大攻角結(jié)合葉表與端壁附面層的角區(qū)交匯、槽道橫向二次流堆積，使得常規(guī)葉片通道出現(xiàn)角區(qū)分離（如圖1（a）所示），進(jìn)而導(dǎo)致壓氣機(jī)性能下降。仿效邊條翼，對(duì)端區(qū)葉片前緣進(jìn)行前伸并銳化處理，即得前緣邊條葉片（如圖1（b）所示），理想情況是，端區(qū)扭曲來(lái)流會(huì)在前緣邊條緣線附近卷吸成集中渦，并可能通過下述3種機(jī)制組合改善流動(dòng)：

（1）來(lái)流附面層中低能流體被抽吸入主流區(qū)；

（2）通過集中渦，在葉片前緣附近將扭曲來(lái)流轉(zhuǎn)正，形成等效零或在小攻角工況下運(yùn)行；

圖1 葉柵邊條施加效果

（3）角區(qū)葉表、端壁附面層變薄，交匯減弱，并角區(qū)低能流體呈現(xiàn)被裹入主流的趨勢(shì)。

為此，前緣邊條修型主要應(yīng)用于葉片端區(qū)前緣，并通過對(duì)展向某一高度內(nèi)各葉型的前緣形狀修改獲得。壓氣機(jī)前緣邊條構(gòu)型方法如圖2所示。從圖中可見前緣邊條造型相關(guān)主要參數(shù)。

圖2 壓氣機(jī)前緣邊條構(gòu)型方法

2 研究方案

采用數(shù)值方法研究壓氣機(jī)前緣邊條參數(shù)化設(shè)計(jì)。選用CFX商用軟件，差分格式為其獨(dú)有的高分辨率方法，湍流模型選用SST模型，以便更好地模擬近壁區(qū)流動(dòng)。計(jì)算邊界條件按常規(guī)設(shè)置，即進(jìn)口給定總溫、總壓、氣流角，出口給定靜壓，下端壁及葉表固壁為絕熱無(wú)滑移邊界。軟件的使用經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)過校核[13]，限于篇幅不再贅述。

以下選用具有折轉(zhuǎn)角為60°的高負(fù)荷葉柵NACA65-（24）10作為原型（ORI-BLADE）開展修型與否的對(duì)比數(shù)值研究，該葉柵主要參數(shù)如下（詳見文獻(xiàn)[10]）：弦長(zhǎng)b=100mm，高度h=100mm，柵距t=80 mm，幾何進(jìn)氣角β1P=48.2°，幾何出氣角β2P=-11.8°，柵前總壓P*=105325Pa，柵前總溫T*=300K，柵后背壓P2=101325Pa。

考慮到流動(dòng)周向周期性和展向?qū)ΨQ性，選取單個(gè)葉片半葉高，分別給定兩側(cè)的平移周期邊界和頂部的對(duì)稱邊界條件。計(jì)算網(wǎng)格采用六面體和四面體混合形式。經(jīng)過網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)及近壁網(wǎng)格間距調(diào)整，最終確定網(wǎng)格單元數(shù)約為120萬(wàn)，固壁表面Y+<4。

對(duì)原型葉柵施加前緣邊條修型的參數(shù)化研究包括6套算例，對(duì)應(yīng)不同前緣邊條高度和前伸長(zhǎng)度取值，具體見表1。對(duì)應(yīng)圖2定義，選擇α1=10°，α2=50°保持不變。α2固定后可根據(jù)高度h 確定出h1。前緣邊條改型如圖3所示，以LESB2為例展示了修型后葉柵幾何外形。

表1 不同前緣邊條方案參數(shù)

在下文對(duì)比分析中，為研究考察LESB技術(shù)的工況適用性，分別設(shè)置A0-30、A5-25、A-5-35共3種來(lái)流條件，如圖4（a）所示，分別對(duì)應(yīng)：0°攻角下附面層氣流最大扭曲30°進(jìn)氣、5°攻角下附面層氣流最大扭曲25°進(jìn)氣、-5°攻角下附面層氣流最大扭曲35°進(jìn)氣，在3種氣流角度分布條件下，按圖4（b）、（c）給定進(jìn)口總壓和總溫分布，對(duì)應(yīng)進(jìn)口附面層厚度均為12mm，背壓則展向均勻且相同。在保證進(jìn)出口條件一致情況下對(duì)不同LESB方案進(jìn)行對(duì)比，著重考察攻角為0°、±5°時(shí)前緣邊條修型前后性能及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化。

圖3 前緣邊條改型（LESB2）

圖4 進(jìn)口氣流參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)攻角下性能對(duì)比分析

針對(duì)上述的原型方案及6種前緣邊條造型方案，首先在設(shè)計(jì)攻角帶端區(qū)扭曲來(lái)流條件下進(jìn)行性能對(duì)比分析。相關(guān)性能參數(shù)定義如下：

氣動(dòng)堵塞系數(shù)：按文獻(xiàn)[14]方法。

由于方案較多，為了便于清晰顯示將其分為2組，2種長(zhǎng)度在不同高度時(shí)，葉柵下游距尾緣15%弦長(zhǎng)處的節(jié)距平均能量損失系數(shù)展向分布對(duì)比分別如圖5（a）、（b）所示?？傮w來(lái)看，前緣邊條設(shè)計(jì)方案都有使節(jié)距平均能量損失系數(shù)減小的趨勢(shì)，尤其是在30%葉高以下減小得更為明顯，但是不同方案的減小幅度有明顯差別。當(dāng)前緣邊條長(zhǎng)度為較長(zhǎng)的28%弦長(zhǎng)時(shí)，前緣邊條高度為15%展高時(shí)性能優(yōu)于10%和20%，并且幅值較明顯；當(dāng)前緣邊條長(zhǎng)度為較短的20%弦長(zhǎng)時(shí)，前緣葉片高度為展高10%和15%時(shí)性能接近并明顯好于20%，這在30%葉高以下較為突出。由此可見，在設(shè)計(jì)攻角下前緣邊條葉片高度在10%～15%附近性能較佳，而此高度與來(lái)流附面層厚度較為接近，其影響幅度可以達(dá)到葉高的30%。

圖5 設(shè)計(jì)攻角下相同長(zhǎng)度、不同高度邊條造型性能對(duì)比

由于在2種前緣邊條長(zhǎng)度下高度為10%和/或15%時(shí)要性能明顯優(yōu)于20%，因此，前緣邊條高度分別為15%和10%展高時(shí)不同邊條長(zhǎng)度的性能對(duì)比如圖6所示。從圖中可見，當(dāng)前緣邊條長(zhǎng)度為15%展高時(shí)，邊條長(zhǎng)度為20%和28%弦長(zhǎng)時(shí)性能基本相似，都可有效改善，說明在此展高下，長(zhǎng)度改變所帶來(lái)的性能變化并不明顯。當(dāng)前緣邊條高度為10%展高時(shí)，邊條長(zhǎng)度為20%弦長(zhǎng)性能較佳，而邊條長(zhǎng)度進(jìn)一步增加卻會(huì)減小性能改善幅度。

圖6 設(shè)計(jì)攻角下相同高度、不同長(zhǎng)度邊條造型性能對(duì)比

綜合上述分析可知，在設(shè)計(jì)攻角下，不同邊條造型方案都有減弱損失的趨勢(shì)，但程度差異明顯。與邊條長(zhǎng)度相比，邊條高度是對(duì)性能影響更為顯著的參數(shù)。邊條高度選擇適當(dāng)，則邊條長(zhǎng)度影響并不明顯；而邊條高度選擇不當(dāng)，雖然邊條長(zhǎng)度變化性能會(huì)有明顯變化，但都無(wú)法達(dá)到邊條高度選擇適當(dāng)時(shí)的性能水平。在設(shè)計(jì)工況下，采用稍高于附面層厚度的15%展高實(shí)施邊條較佳，且影響區(qū)域可達(dá)30%葉高。

為探討邊條造型改善流動(dòng)的機(jī)理，進(jìn)一步對(duì)比分析其流動(dòng)結(jié)構(gòu)。但限于篇幅，僅選取典型的LESB2和原型進(jìn)行。下端壁極限流線對(duì)比如圖7所示。從圖中端壁極限流線來(lái)看，LESB2效果非常明顯，基本消除了端區(qū)分離。尾緣下游15%弦長(zhǎng)截面總壓損失系數(shù)如圖8所示，從圖中可見，在原型中，分離集中于角區(qū)，且損失較大；在LESB2中，端壁雖仍存在較為明顯的橫向二次流動(dòng)，但近吸力邊分離區(qū)顯著移向中展，且總損失水平顯著降低。

圖7 下端壁極限流線對(duì)比

圖8 下游距尾緣15%弦長(zhǎng)位置處總壓損失系數(shù)（A0-30）

吸力面極限流線如圖9所示，通道流線如圖10所示。從圖中可見，LESB導(dǎo)致流譜產(chǎn)生明顯變化：細(xì)尖前緣誘導(dǎo)產(chǎn)生的強(qiáng)前緣渦將端區(qū)低能流體卷向葉中，展向流動(dòng)交換、遷移加強(qiáng)，推遲了原型在端部角區(qū)的分離，這是上述LESB大大減小損失的主要原因。按文獻(xiàn)[15]中的方法整理出的氣動(dòng)堵塞沿軸向分布對(duì)比如圖11所示。LESB雖然由于前緣誘導(dǎo)渦而在前緣附近略微增加了氣動(dòng)堵塞，但隨后卻使堵塞大大緩解，這從另一方面解釋了LESB改善性能的原因。

圖9 吸力面極限流線對(duì)比

圖10 通道內(nèi)流線

3.2 變攻角下性能對(duì)比分析

在設(shè)計(jì)工況下，通過性能及流場(chǎng)分析已經(jīng)揭示了前緣邊條設(shè)計(jì)的有效性，但設(shè)計(jì)參數(shù)的不同所帶來(lái)的效果也有較大差別。考慮到實(shí)際葉柵常常在變工況下工作，就需要考察不同前緣邊條在變攻角下對(duì)其性能影響。

3.2.1 +5°攻角下的影響

+5°攻角下相同長(zhǎng)度、不同高度邊條造型性能對(duì)比如圖12所示。從圖中可見，當(dāng)邊條長(zhǎng)度為28%弦長(zhǎng)、邊條高度為15%展高時(shí)性能仍較佳，這與設(shè)計(jì)工況下邊條設(shè)計(jì)參數(shù)的選取趨勢(shì)類似。但與設(shè)計(jì)工況下不同的是，除LESB2外其他方案雖然在20%葉高以下?lián)p失也會(huì)減小，但在中間展高部分會(huì)有損失明顯增加的區(qū)域出現(xiàn)，表明在此攻角下邊條參數(shù)選取不當(dāng)會(huì)使葉柵性能惡化。當(dāng)邊條長(zhǎng)度為20%弦長(zhǎng)時(shí)，3種邊條長(zhǎng)度性能類似，在改善了端區(qū)近20%葉高內(nèi)的流動(dòng)的同時(shí)明顯增加了20%～50%葉高的損失，這與設(shè)計(jì)工況影響趨勢(shì)也有較大不同。由此可見，對(duì)于流動(dòng)更為嚴(yán)峻的正攻角工況，葉柵流場(chǎng)及性能對(duì)邊條參數(shù)是十分敏感的，必須優(yōu)化選取。同時(shí)相關(guān)結(jié)果也再一次表明，邊條高度選取略高于附面層厚度值為佳，而邊條長(zhǎng)度卻應(yīng)較長(zhǎng)為好。

圖11 氣動(dòng)堵塞系數(shù)軸向分布對(duì)比

圖12 +5°攻角下相同長(zhǎng)度、不同高度邊條造型性能對(duì)比

不同方案中沿葉柵軸向不同位置的氣動(dòng)堵塞系數(shù)分布對(duì)比如圖13所示。從圖中可見其與能量損失系數(shù)的變化趨勢(shì)一致，較低的氣動(dòng)堵塞伴隨著能量損失的減小，而較高的氣動(dòng)堵塞意味著能量損失的增大。除LESB2設(shè)計(jì)外，其他邊條造型方案雖然能改善端區(qū)20%葉高之下的流動(dòng)，但是卻會(huì)將低能流體過多地輸運(yùn)到中展區(qū)域，使得流道中部的堵塞加劇，損失增大。選取了對(duì)性能影響好壞不同的2種典型方案LESB2、LESB3（相同邊條長(zhǎng)度、不同邊條高度）和原型的對(duì)應(yīng)模擬結(jié)果，其影響截然不同的流動(dòng)機(jī)理如圖14所示。LESB3方案由于邊條修型高度不足，其對(duì)角區(qū)低能流體的調(diào)控能力不強(qiáng)，雖然也使得近端區(qū)高損失區(qū)有“瘦身”的趨勢(shì)并減弱了端區(qū)角區(qū)分離，但卻不能很好地控制低能流體向中間葉展區(qū)域的遷移，在流向隨流發(fā)展的過程中，增大了損失，使得出口區(qū)域中展部位的損失也明顯增大。而對(duì)于LESB2，先前設(shè)計(jì)點(diǎn)所顯現(xiàn)的效果得到再現(xiàn)，端區(qū)角區(qū)分離移向主流區(qū)但更為平緩的流出葉柵，端區(qū)損失得以減小，整體改善效果有放大趨勢(shì)。以總壓損失分布看，在近40%葉高以內(nèi)，損失都明顯減小，在40%～50%葉高內(nèi)損失僅略有增大。

圖13 氣動(dòng)堵塞系數(shù)軸向分布對(duì)比

圖14 不同邊條造型方案性能差異的流動(dòng)機(jī)理

3.2.2 -5°攻角下的影響

-5°攻角帶端區(qū)扭曲來(lái)流條件下不同造型方案能量損失系數(shù)對(duì)比如圖15所示。從圖中可見，不同造型方案對(duì)展向性能分布的影響趨勢(shì)與+5°攻角時(shí)有所不同。在此工況下，施加前緣邊條造型后在整個(gè)展高對(duì)性能的影響是同向的，也就是要么都有所改善要么都有所惡化。而在設(shè)計(jì)工況下，影響區(qū)域主要在30%葉高以下；在+5°攻角時(shí)，近端區(qū)損失減小而中展區(qū)域損失增大。從量值上來(lái)看，除LESB2和LESB6外，其他方案會(huì)明顯增大損失。

當(dāng)前緣邊條長(zhǎng)度相同，高度仍舊是15%展高或/和10%展高時(shí)性能較佳，也就是高度值與來(lái)流附面層厚度接近。當(dāng)前緣邊條高度為較高的15%和20%時(shí)，邊條長(zhǎng)度變化影響較小，性能大體相同。而當(dāng)前緣邊條高度為較低的10%時(shí)，邊條長(zhǎng)度變化影響較大，前緣邊條過長(zhǎng)會(huì)明顯增加氣動(dòng)損失。

-5°攻角下的性能結(jié)果再次表明，邊條高度為略厚于附面層厚度的15%展高為佳，此時(shí)邊條長(zhǎng)度的影響不顯著，這對(duì)狹窄的級(jí)間空間應(yīng)用時(shí)極為有利。

圖16 -5°攻角下不同邊條造型性能對(duì)比

4 結(jié)論

在前期工作基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步開展了前緣邊條幾何影響和變工況適應(yīng)性的參數(shù)化數(shù)值研究，得到的主要結(jié)論如下：

（1）前緣邊條的2個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，即高度、長(zhǎng)度存在最佳值：前緣邊條高度選用稍高于附面層厚度為宜；而邊條長(zhǎng)度選取具有不確定性，在多數(shù)工況下可采用較短的邊條造型，更利于在級(jí)間狹窄空間采用；在正攻角下需選擇較長(zhǎng)的前緣邊條，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)對(duì)變工況性能的需要折衷設(shè)計(jì)。

（2）細(xì)尖前緣誘導(dǎo)產(chǎn)生的強(qiáng)前緣渦將端區(qū)低能流體卷向葉中，展向流動(dòng)交換、遷移加強(qiáng)，推遲了原型在端部角區(qū)的分離，這是LESB大大減小損失的主要機(jī)理。但邊條修型高度若不足，就不能很好地控制角區(qū)低能流體向中間葉展區(qū)域遷移，在流向隨流發(fā)展的過程中，反而會(huì)增大損失，使得出口區(qū)域中展部位的損失明顯增大；

（3）本文LESB2方案（邊條高度15%展高、邊條長(zhǎng)度28%弦長(zhǎng)）在-5°、0°、+5°攻角帶端區(qū)扭曲來(lái)流下均能改善壓氣機(jī)葉柵性能，表明了前緣邊條對(duì)端區(qū)流動(dòng)的有效調(diào)控能力及變工況適應(yīng)性。

LESB是1項(xiàng)新技術(shù)，本文初步開展了主要設(shè)計(jì)變量的參數(shù)化研究，但對(duì)其諸如設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)化選取、不同類型葉輪機(jī)的適用性/工程應(yīng)用準(zhǔn)則等仍需后續(xù)深入研究。

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