葉尖凹槽對(duì)某燃?xì)鉁u輪葉尖間隙流動(dòng)影響的研究

甘明瑜，宋友富，譚 峰

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲412002）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對(duì)渦輪部件提出了更高的載荷和效率要求，小展弦比渦輪葉片在渦輪設(shè)計(jì)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。端區(qū)損失是小展弦比葉片氣動(dòng)損失的主要來(lái)源[1]。對(duì)不帶冠的渦輪轉(zhuǎn)子，由于葉盆面與葉背面的壓力梯度存在，葉尖形成泄漏流并與主流摻混形成泄漏渦產(chǎn)生損失。Booth等[2]研究發(fā)現(xiàn)不帶冠渦輪轉(zhuǎn)子葉尖泄漏損失約占轉(zhuǎn)子氣動(dòng)損失的45%、整級(jí)氣動(dòng)損失的30%以上。因此，如何控制并減小葉尖泄漏損失是當(dāng)前渦輪氣動(dòng)研究的前沿重點(diǎn)方向。Denton等[3]發(fā)現(xiàn)葉尖泄漏損失與葉尖間隙、葉尖速度及葉尖載荷呈正比例關(guān)系。據(jù)此關(guān)系，科研人員發(fā)現(xiàn)葉尖造型可以有效減小泄漏流，提高渦輪效率。其中Morphins和Bindon研究發(fā)現(xiàn)吸力面肋條對(duì)降低射流系數(shù)，控制葉尖泄漏效果最好；Harvey和Ramsden研究發(fā)現(xiàn)葉尖加小翼可以使葉尖泄漏損失降低 31%，效率提高 1.2% ～ 1.8%[1，4，5]；Hourmouziadis和Albrecht的研究表明葉尖凹槽并不會(huì)帶來(lái)收益；楊佃亮、豐鎮(zhèn)平研究發(fā)現(xiàn)凹槽葉尖不僅可以通過(guò)增強(qiáng)間隙內(nèi)部摻混顯著降低泄漏流量和動(dòng)量[6]，并減小泄漏流與主流的夾角，在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪中得到廣泛應(yīng)用，某發(fā)動(dòng)機(jī)葉片實(shí)物見(jiàn)圖1。

圖1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片毛坯實(shí)物圖

為研究葉尖凹槽對(duì)某燃?xì)鉁u輪的影響，文章對(duì)不同形式葉尖凹槽的的葉片進(jìn)行了模擬，并對(duì)其影響進(jìn)行了分析，為后續(xù)程設(shè)計(jì)中提供決策依據(jù)。

1 數(shù)值方法和邊界條件

本文采用數(shù)值模擬的方法研究了葉尖凹槽對(duì)某燃?xì)鉁u輪性能及流場(chǎng)的影響。計(jì)算采用商用軟件Numeca/Autogrid5生成分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)約為295萬(wàn)，其中導(dǎo)向器網(wǎng)格數(shù)約126萬(wàn)，轉(zhuǎn)子約169萬(wàn)（第一層網(wǎng)格尺度均為1×10-6m），O-4H拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子葉尖間隙為0.22 mm，交界面均采用完全非匹配的混合界面?zhèn)鬟f參數(shù)。三維計(jì)算采用了商用軟件Ansys/CFX15.0，計(jì)算選擇SST湍流模型，求解三維定常粘性雷諾平均N-S方程，數(shù)值方法采用時(shí)間追趕的有限體積法，空間離散采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間離散采用二階迎風(fēng)格式。

渦輪進(jìn)口邊界條件給定總溫、總壓和氣流角，渦輪出口給定靜壓；計(jì)算時(shí)考慮了葉尖泄漏及壁面粗糙度的影響；工質(zhì)為燃?xì)?，物性參?shù)設(shè)置為變比熱。

為消除網(wǎng)格的影響，采用總數(shù)分別為295萬(wàn)、351萬(wàn)和427萬(wàn)的3套網(wǎng)格（簡(jiǎn)稱網(wǎng)格一、網(wǎng)格二、網(wǎng)格三）進(jìn)行了模擬，模擬網(wǎng)格見(jiàn)圖2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，分析顯示網(wǎng)格一與網(wǎng)格二、網(wǎng)格三在渦輪性能和流場(chǎng)方面均具有較高的一致性，已滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的要求。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格圖

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性模擬結(jié)果

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 葉尖凹槽方案

研究了葉尖凹槽高度及葉尖凹槽長(zhǎng)度兩個(gè)因素對(duì)性能及流場(chǎng)的影響，葉尖凹槽尺寸定義見(jiàn)圖3。文章共分析了8種狀態(tài)，見(jiàn)表2，為方便分析，文中不帶葉尖凹槽的平頂葉片方案簡(jiǎn)稱Case 0，凹槽高度占葉高比例值5%、10%、20%、30%模擬方案依次簡(jiǎn)稱Case A1～Case A4，凹槽長(zhǎng)度占弧長(zhǎng)比例值60%、75%、90%模擬方案依次簡(jiǎn)稱Case B1～Case B3。

圖3 葉尖凹槽尺寸定義示意圖

表2 工作葉片葉尖凹槽參數(shù)

2.2 渦輪性能影響分析

凹槽高度對(duì)渦輪性能的影響見(jiàn)表3。分析可知，葉尖凹槽高度對(duì)渦輪性能的影響較小。葉尖凹槽不會(huì)影響燃?xì)鉁u輪進(jìn)口流量，對(duì)渦輪反力度、級(jí)出口馬赫數(shù)參數(shù)也無(wú)影響；葉尖凹槽可減小葉尖泄漏流流量，其中Case A4相對(duì)Case 0葉尖泄漏流流量減小8.43%，且凹槽深度越深，泄漏流流量越小，但是凹槽高度達(dá)到一定比例后，泄漏流流量基本不變；葉尖凹槽可提高燃?xì)鉁u輪效率，但幅度很小，最大只有0.06%，且效率提高幅度與凹槽高度成正相關(guān)。

表3 不同葉尖凹槽高度的燃?xì)鉁u輪性能表

凹槽長(zhǎng)度對(duì)渦輪性能的影響見(jiàn)表4。分析可知，葉尖凹槽長(zhǎng)度對(duì)渦輪性能的影響較小。葉尖凹槽長(zhǎng)度不會(huì)影響燃?xì)鉁u輪進(jìn)口流量，對(duì)渦輪反力度、級(jí)出口馬赫數(shù)參數(shù)也無(wú)影響；葉尖凹槽可減小葉尖泄漏流流量，其中Case B3相對(duì)Case 0葉尖泄漏流流量減小44.38%，且凹槽長(zhǎng)度越長(zhǎng)，泄漏流流量越?。辉?0%～90%凹槽長(zhǎng)度范圍內(nèi)，葉尖凹槽可提高渦輪效率，幅度很小，最大只有0.06%，效率提升幅度與葉尖凹槽長(zhǎng)度相反，凹槽越長(zhǎng)，效率提高越小。

表4 不同葉尖凹槽長(zhǎng)度的燃?xì)鉁u輪性能表

2.3 凹槽高度流場(chǎng)影響分析

圖4、圖5是燃?xì)鉁u輪工作葉片出口相對(duì)氣流角/馬赫數(shù)徑向分布圖。從總體趨勢(shì)看，葉尖凹槽設(shè)計(jì)可使渦輪出口氣流更為均勻，但影響幅度很小，葉片出口氣流角/馬赫數(shù)徑向平均值的變化很小，即使在葉尖區(qū)域，氣流角最大變動(dòng)不超過(guò)0.5°，馬赫數(shù)變化不超過(guò)0.1。

圖4 工作葉片出口相對(duì)氣流角徑向分布圖

圖5 工作葉片出口相對(duì)馬赫數(shù)徑向分布圖

圖6 是燃?xì)鉁u輪工作葉片表面極限流線分布圖。與大部分文章分析結(jié)果不同，葉尖凹槽設(shè)計(jì)并未明顯改變?nèi)~尖泄露流的影響區(qū)域，泄漏渦的尺寸基本未發(fā)生變化。

圖6 工作葉片葉背面表面極限流線分布圖

圖7 是燃?xì)鉁u輪工作葉片表面等熵馬赫數(shù)分布圖。凹槽設(shè)計(jì)對(duì)燃?xì)鉁u輪工作葉片載荷的影響很小，只影響了70%葉高以上區(qū)域，其余區(qū)域基本無(wú)變化。葉尖凹槽設(shè)計(jì)可以減小葉片喉部后通道擴(kuò)散引起的壓力變化，增大葉片尾緣區(qū)域的載荷，降低通道摻混損失，從而提高渦輪效率?？傮w來(lái)看，凹槽高度越大，效果越明顯，分析認(rèn)為，凹槽越深，泄漏流越小，對(duì)主流的影響就越小，因而葉尖尾緣區(qū)域的做功能力越強(qiáng)，這與渦輪性能參數(shù)的變化趨勢(shì)是一致的。

圖7 工作葉片表面等熵馬赫數(shù)分布圖

圖8 是燃?xì)鉁u輪工作葉片S1流面80%葉高馬赫數(shù)分布云圖。分析可知，葉尖凹槽會(huì)擴(kuò)展喉部高馬赫數(shù)區(qū)域，但可減小葉片排出口高馬赫數(shù)區(qū)域，這與葉片表面等熵馬赫數(shù)分布圖分析結(jié)果是一致的。

圖8 工作葉片S1流面80%葉高馬赫數(shù)分布圖

圖9 是燃?xì)鉁u輪工作葉片通道內(nèi)的渦量發(fā)展圖。分析可知，葉尖凹槽能夠減小葉尖泄露渦的強(qiáng)度，且凹槽深度越大，泄露渦減小越明顯。

圖9 工作葉片通道渦量分布云圖

2.4 凹槽長(zhǎng)度影響分析

圖10 是燃?xì)鉁u輪工作葉片表面等熵馬赫數(shù)分布圖。分析可知，凹槽長(zhǎng)度對(duì)燃?xì)鉁u輪工作葉片載荷的影響很小。隨著葉尖凹槽長(zhǎng)度的增加，葉片葉尖尾緣區(qū)域的載荷先增大，再減小，因而做功能力也是先增大后減小，這與渦輪性能參數(shù)變化趨勢(shì)一致。

圖10 80%葉高工作葉片表面等熵馬赫數(shù)分布圖

圖11 是燃?xì)鉁u輪工作葉片通道內(nèi)80%葉高S1流面馬赫數(shù)分布云圖。分析可知，葉盆附近區(qū)域馬赫數(shù)基本未發(fā)生變化，葉尖凹槽擴(kuò)展了喉部高馬赫數(shù)區(qū)域，這與凹槽寬度的趨勢(shì)一致，但隨著葉尖凹槽長(zhǎng)度的增加，葉片排出口高馬赫數(shù)區(qū)域先減小后增大。分析認(rèn)為，當(dāng)凹槽長(zhǎng)度增加到一定程度后，泄漏流雖然有所減小，但對(duì)葉片排出口區(qū)域主流的影響更為明顯，因而導(dǎo)致了葉片排出口區(qū)域的損失增加。

圖11 工作葉片S1流面80%葉高馬赫數(shù)分布圖

圖12 是燃?xì)鉁u輪工作葉片通道內(nèi)的渦量發(fā)展圖。分析可知，隨著葉尖凹槽長(zhǎng)度的增加，泄漏渦強(qiáng)度先減小，后增大。

圖12 工作葉片表面等熵馬赫數(shù)分布圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)帶葉尖凹槽的燃?xì)鉁u輪進(jìn)行三維計(jì)算、分析，對(duì)比了平頂葉片與凹槽葉片在性能和流場(chǎng)的差異，并得到以下結(jié)論：

（1）葉尖凹槽葉片可提高渦輪效率，但幅度較小，最大只有0.06%；

（2）在5%～30%葉尖凹槽高度范圍內(nèi)，凹槽高度越大，泄漏流流量越小，葉尖泄漏渦強(qiáng)度越小，渦輪效率提升越大；

（3）在60% ～90%葉尖凹槽長(zhǎng)度范圍內(nèi)，葉尖凹槽長(zhǎng)度越長(zhǎng)，泄漏流流量越小，但葉尖泄漏渦強(qiáng)度先減小后增大，效率提升幅度也是先增加后減小。