侯憲科， 王祥鋒

（1.通用電氣-哈動(dòng)力-南汽輪能源服務(wù)（秦皇島）有限公司，河北 秦皇島066001；

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001）

1 引 言

彎掠設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高性能的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中［1］，極大地提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，具有極大的工程應(yīng)用價(jià)值。

壓氣機(jī)葉片動(dòng)靜非定常干擾影響著其氣動(dòng)性能的優(yōu)劣，引起了較大的關(guān)注［2，3］。Curtis［4］的研究指出，若在對(duì)葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就將非定常流動(dòng)的影響考慮進(jìn)來(lái)，能夠在不影響壓氣機(jī)性能的前提下增加葉片的氣動(dòng)負(fù)荷。Schulte［5］認(rèn)為設(shè)計(jì)葉片時(shí)考慮尾跡通過(guò)的影響，通過(guò)正確的選擇尾跡通過(guò)的頻率或尾跡的強(qiáng)度，能夠設(shè)計(jì)出高負(fù)荷葉柵并同時(shí)減少葉柵的損失。

本文采用非定常的數(shù)值模擬方法，對(duì)原型壓氣機(jī)和改型壓氣機(jī)級(jí)進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了原型和改型動(dòng)葉不同尾跡輸運(yùn)的特點(diǎn)，及其對(duì)下游靜葉的非定常擾動(dòng)。

2 數(shù)值方法

圖1 計(jì)算網(wǎng)格示意圖

本文數(shù)值模擬模型為某多級(jí)壓氣機(jī)第七級(jí)原型級(jí)和彎掠動(dòng)葉改型級(jí)。采用三維N-S 求解器FINETM 模塊對(duì)壓氣機(jī)級(jí)進(jìn)行非定常數(shù)值模擬。非定常計(jì)算采用葉片約化方法，計(jì)算葉片數(shù)目約化為2∶3。計(jì)算網(wǎng)格采用Autogrid5 與IGG 生成，計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約250 萬(wàn)，圖1 給出了計(jì)算所用的網(wǎng)格示意圖。

3 動(dòng)靜葉干擾對(duì)靜葉流動(dòng)的影響

本文采用非定常脈動(dòng)速度［6］來(lái)研究非定常效應(yīng)對(duì)靜葉柵流場(chǎng)的影響。

圖2 給出了一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻5%葉高截面處?kù)o葉流道內(nèi)的脈動(dòng)速度矢量圖。從圖中可以看到動(dòng)葉尾跡在下游靜葉流道內(nèi)的輸運(yùn)特性，即在非定常脈動(dòng)速度的作用下，靜葉流道內(nèi)所產(chǎn)生的二次渦的演變過(guò)程?？梢钥吹剑o葉流道內(nèi)因脈動(dòng)速度形成了旋轉(zhuǎn)速度相反的一對(duì)旋渦，強(qiáng)度一強(qiáng)一弱。隨著動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)，這一對(duì)旋渦的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，強(qiáng)弱相當(dāng)。靜葉流道中的旋渦與附面層發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，下游靜葉片表面邊界層內(nèi)的流動(dòng)情況將因此而發(fā)生改變，同時(shí)對(duì)邊界層造成的損失產(chǎn)生影響。由于受到上述旋渦的影響，同時(shí)在動(dòng)葉尾跡對(duì)靜葉流道內(nèi)主流的干擾下，靜葉表面氣動(dòng)負(fù)荷分布的大小與分布規(guī)律都發(fā)生了改變，進(jìn)而影響到壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能。在動(dòng)葉尾跡進(jìn)入靜葉流道前，在靜葉前緣處的壓力面和吸力面附近，脈動(dòng)速度的量值很大，說(shuō)明上游動(dòng)葉的尾跡對(duì)這些位置的干擾非常強(qiáng)。動(dòng)葉尾跡在靜葉流道內(nèi)遷移的過(guò)程中，因?yàn)楹蛣?shì)流的摻混作用，非定常擾動(dòng)速度逐漸減小，到了流道的后段，脈動(dòng)速度已經(jīng)非常小了。

圖2 5%葉高靜葉流道脈動(dòng)速度矢量分布

圖3 50%葉高靜葉流道脈動(dòng)速度矢量分布

圖4 95%葉高靜葉流道脈動(dòng)速度矢量分布

結(jié)合不同時(shí)刻3 個(gè)葉高截面的靜葉流道脈動(dòng)速度矢量分布。可以看到，除了擾動(dòng)速度的強(qiáng)度大小不同之外，脈動(dòng)速度形成的旋渦結(jié)構(gòu)和演變的規(guī)律也有所不同，這除了與動(dòng)葉葉根角渦和葉頂泄漏渦的影響不同有關(guān)外，還與葉片的設(shè)計(jì)有關(guān)。在設(shè)計(jì)壓氣機(jī)級(jí)時(shí)考慮到級(jí)動(dòng)、靜葉間的氣流角匹配的需要，動(dòng)葉并不是完全意義上的直葉片。在非定常條件下，靜葉前緣線在沿著葉高方向與上游動(dòng)葉的尾緣存在著相位差，因此動(dòng)葉尾跡在對(duì)靜葉不同葉高處的流道進(jìn)行掃掠的的位置也有所不同，導(dǎo)致靜葉內(nèi)流動(dòng)沿葉高也是不同的?？紤]到這一點(diǎn)，如果在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中引入非定常方法，考慮由于動(dòng)葉尾緣和靜葉前緣之間的緣線匹配所導(dǎo)致的非定常波動(dòng)，可以提高壓氣機(jī)性能。

4 壓氣機(jī)級(jí)尾跡輸運(yùn)特性

本文采用脈動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)［6］來(lái)研究單級(jí)壓氣機(jī)中動(dòng)葉彎掠設(shè)計(jì)后對(duì)動(dòng)葉尾跡的輸運(yùn)特點(diǎn)。

圖5 動(dòng)葉出口脈動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)分布云圖

5 結(jié) 論

動(dòng)葉尾跡對(duì)下游靜葉流道根部和頂部截面所造成的非定常擾動(dòng)的幅值和影響范圍都要大于中部截面。采用彎掠設(shè)計(jì)的改型動(dòng)葉改變了高脈動(dòng)分布區(qū)域，明顯減弱了葉片頂部泄漏渦與動(dòng)葉尾跡頂部的脈動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)下游靜葉的非定常干擾減弱。

［1］ 徐建中.葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)的回顧與展望［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，33（9）：1-4.

［2］ SANDERS A J，et al. Multi-blade row interactions in atransonic axial compressor: Part ⅡRotor wake forcing function and stator unsteady aerodynamic response［R］. ASME Paper 2001-GT-0269.

［3］ 顏培剛，李紹斌，陳浮，等.靜葉片時(shí)序效應(yīng)對(duì)壓氣機(jī)葉片非定常氣動(dòng)負(fù)荷的影響［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2008，23（1）：117-124.

［4］ CURTIS E M，et al.Development of Blade Profiles for Low Pressure Turbine Applications［J］. ASME Journal of Turbomachinery，1997，119（3）：531-538.

［5］ SCHULTE V，et al. Prediction of the Becalmed Region for LP Turbine Profile Design［R］.ASME Paper 97-GT-398，1997.

［6］ 毛明明.跨聲速軸流壓氣機(jī)動(dòng)葉彎和掠的數(shù)值研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.