端壁型線對轉(zhuǎn)子性能影響的研究

余雅琪 李恩華 李斌

（1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002；3.中國航發(fā)西航，陜西西安 710021）

葉柵通道中二次流的損失在葉柵總損失中占相當大的比例，約為葉柵總損失的30%～50%，甚至更高[1-2]。附面層在逆壓梯度的作用下產(chǎn)生分離，以及葉片吸力面和端壁附近流動的互相作用是二次流損失產(chǎn)生的主要因素，超音速入流還存在激波-附面層干擾誘發(fā)分離。要提高壓氣機的整體性能，對二次流實現(xiàn)有效控制成為重要途徑。在流動控制方法中，通過改變?nèi)~柵流道幾何形狀如彎、扭、掠葉片[3]、縫隙葉柵[4]、可控擴散葉型[5]和端壁成型等達到控制流動的方法稱為主動控制方法。在葉柵中通過吹氣、吸氣[6]等來影響流動的方法稱為被動控制方法。利用端壁造型來控制二次流動成為近幾年來研究熱點，非軸對稱端壁[7-13]是研究的主要方向，它利用的原理是壁面凸曲率能使流動加速減小靜壓，凹曲率能使流動減速，相應(yīng)地增加靜壓。利用相同的原理，本文嘗試在軸向改變端壁型線來控制二次流動，從而達到減小損失提高壓氣機的整體性能的目標。

1.研究對象

本文的研究對象是NASA Rotor 37，其設(shè)計點參數(shù)如表1所示。

表1 Rotor 37 設(shè)計點參數(shù)

2.數(shù)值模擬及分析

本文使用NUMECA軟件中AUTOGRID5模塊進行網(wǎng)格劃分，拓撲結(jié)構(gòu)為葉片表面附近區(qū)域使用O型貼體網(wǎng)格，其余部分使用H型網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約58萬。網(wǎng)格有良好的正交性，壁面第一層網(wǎng)格Y+＜10，因此可以準確描述粘性流動細節(jié)，數(shù)值模擬結(jié)果可信。

數(shù)值計算使用FINE/TURBO模塊，求解選用三維雷諾平均Navier-Stokes方程，湍流模型為Spalart-Allmaras，使用Jameson的中心差分格式和四階Runge-Kutta方法進行時間推進，并采用多重網(wǎng)格和隱式殘差光順計算加速技術(shù)。

2.1 端壁造型

本文采用FORTRAN軟件編寫造型函數(shù)來對端壁型線曲率進行更改，分別生成了Concave型端壁、Convex型端壁以及S型端壁，如圖1所示。

圖1 軸向端壁造型示意圖

2.2 計算結(jié)果及分析

表2給出了4種端壁下的葉柵在設(shè)計點的性能參數(shù)。與原型相比，Concave的流量、壓比和效率均有增加；Convex的流量、壓比和效率均減?。籗型和Concave一樣三者均增加，壓比增加幅度小于前者，效率大于前者。

表2 4種端壁下的葉柵在設(shè)計點的性能參數(shù)

圖2給出的是5%葉高相對馬赫數(shù)分布云圖，圖中顯示，氣流進入原型端壁葉柵通道內(nèi)，收到通道收縮的影響，氣流加速，在行進到葉柵通道中間位置處形成一道斜激波，使氣流減速增壓，在激波、附面層以及徑向流動的共同作用下，在尾緣處產(chǎn)生較大的分離區(qū)域引起比較大的流動損失。與原型端壁相比，Concave端壁與S端壁的激波位置向前緣方向均有一定程度的遷移，超聲速區(qū)域變??；S端壁要比Concave端壁變化更加明顯，超聲速區(qū)域明顯變小，流動更加均勻，且尾緣處分離區(qū)域變??；Convex端壁的超聲速區(qū)域為四者中最大的，其尾緣處的分離面積增大。這說明Concave端壁和S端壁對葉柵通道內(nèi)的壓力場分布產(chǎn)生正影響，使壓力增加更加均勻，減小了由逆壓梯度引起的損失，Convex端壁則相反，通道內(nèi)的壓力損失增大。

圖2 5%葉高相對馬赫數(shù)分布云圖

圖3中顯示原型端壁的葉柵中存在明顯的分離現(xiàn)象，靠近尾緣部分不僅存在徑向流動還存在回流現(xiàn)象。Concave端壁和S端壁中這一問題有一定的緩解，分離區(qū)域減小，進而二次流損失減小，其中Concave效果更明顯一點；Convex端壁不僅使分離區(qū)域面積明顯增大，而且其極限流線圖顯示回流情況加重。

圖3 轉(zhuǎn)子吸力面上的極限流線圖

圖4給出了4種端壁下葉柵出口軸向速度分布云圖。原型葉柵出口靠近吸力面附近存在較大的低速區(qū)，局部出現(xiàn)負值，這是由逆壓梯度引起附面層分離導致的。Concave端壁下的葉柵和S端壁下的葉柵均使分離區(qū)域變小，改善了局部堵塞現(xiàn)象，分析其原因是由于端壁的變化改變了葉柵通道內(nèi)的壓力分布，改善了通道流通能力，避免了附面層提前發(fā)生分離。圖4中可以發(fā)現(xiàn)，S端壁的效果要明顯由于Concave端壁，負值情況近乎消除。Convex端壁產(chǎn)生的影響則與前兩者相反，吸力面上分離區(qū)域明顯增大，而且端壁附面層變厚。

圖4 轉(zhuǎn)子葉柵出口處的軸向速度分布云圖

從圖5中可以看出，Concave端壁使轉(zhuǎn)子增壓能力提高，影響主要集中在0%～50%葉高；Convex端壁影響正好相反，影響范圍與Concave端壁一致；S端壁總壓分布與原型基本一致。這與前文中提到的整個葉柵通道的總壓比變化相一致。

圖5 出口周向平均總壓沿展向分布

圖6中可以看出，0%～30%葉高，Concave端壁的效率有一定的提高，Convex型端壁減小，S型端壁基本不變；30%～70%葉高，Concave端壁則減小，Convex端壁略有增加，S端壁增加較多；70%葉高以上沒有影響。這種分布在圖3中也可看出。

圖6 出口周向平均效率沿展向分布

3.結(jié)論

通過研究，得到以下結(jié)論：

（1）端壁型線對轉(zhuǎn)子的影響是通過改變通道內(nèi)的壓力分布來改變通道內(nèi)的流動，進而對轉(zhuǎn)子性能以及葉根分離現(xiàn)象產(chǎn)生影響。

（2）與原型端壁相比，Concave端壁能夠改善轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的壓力分布，有效控制附面層分離，減小二次流動引起的損失，使得流量、壓比、效率均有增加。

（3）Convex端壁使得附面層發(fā)生分離，堵塞狀況加重，從而轉(zhuǎn)子流量、效率、壓比均下降。

（4）S端壁流量、壓比、效率均增加，但壓比略低于Concave端壁，效率較之要高，并且S端壁轉(zhuǎn)子葉柵內(nèi)的流動更加均勻。