白　濤,高　山

(1.西安航空學院 飛行器學院, 西安　710077； 2.西北工業(yè)大學 航海學院, 西安　710072)

自20世紀40年代起，就一直追求軸流式壓氣機更高的載荷和工作穩(wěn)定性，通過提高轉(zhuǎn)速增加壓氣機級載荷的方式受到制約，而且高來流條件下壓氣機內(nèi)部流動復雜，氣動損失所占的比重也更大[1-3]。因此提高壓氣機的預旋速度并配合以先進的三維葉片造型技術(shù)來改進級增壓能力，是目前高負荷壓氣機設(shè)計中應用廣泛的一種方法。然而，壓氣機級負荷的提高不可避免會誘發(fā)端壁和葉片表面大范圍的流動分離，加劇葉片通道內(nèi)部的二次流損失，對內(nèi)部流場中激波、邊界層和泄露流等復雜流動現(xiàn)象及相互作用產(chǎn)生重要影響。

因此，發(fā)展流動控制至關(guān)重要,流動控制主要有主動控制和被動控制兩種。目前普遍應用的主動控制技術(shù)成本高、復雜、不易操作。絆線技術(shù)屬于被動控制的一種，常見的絆線技術(shù)主要為在葉片表面添加V型槽、球窩、矩形條等，以此來促發(fā)轉(zhuǎn)捩提前，推遲發(fā)生，減小吸力面分離泡的大小，進而降低葉型損失。Robarge等[14]對NACA0015葉型表面施加了二維形式的展向凹槽處理，并通過實驗驗證了二維形式的展向凹槽對流動控制的顯著性；美國賓夕法尼亞州立大學的Blanco[15]和美國空軍研究院的Dyken和Byerley等人在某低速渦輪葉柵上應用了絆線等離子氣動激勵技術(shù)，實驗表明：定常和脈沖等離子激勵都能有效控制渦輪葉片的附面層分離，減小總壓損失；Volino[16]通過在高負荷低壓渦輪葉片上加矩形絆線來減小分離泡，并給出矩形絆線的最優(yōu)位置在速度峰值點附近，指出絆線不能阻止流動分離而是促進轉(zhuǎn)捩在分離剪切層中提前發(fā)生；Zhang xuefeng等[17]對高負荷低壓渦輪葉片吸力表面加絆線如：矩形條，凹槽等對葉型損失的影響做了一系列研究，并指出在低雷諾數(shù)下相對于絆線技術(shù)尾跡掃掠的抑制作用將不再那么有效，并給出了矩形絆線的最佳設(shè)置參數(shù)；國內(nèi)空軍工程大學王如根等[5]提出了葉片壓力面向吸力面開通槽的處理技術(shù)，研究結(jié)果表明：在槽道進出口兩端的靜壓力差的作用下，槽道進口對葉片壓力面的高壓氣流有一定的抽吸作用將其吸出小槽后進行加速，從而起到抑制邊界層分離的效果；西北工業(yè)大學喬渭陽等[6]采用數(shù)值模擬方法在PACK-B渦輪葉片上進行了三維球窩分布設(shè)計。研究結(jié)果表明：三維球窩不但扮演著擾動發(fā)生器的角色，還扮演者漩渦發(fā)生器的角色，球窩尾流區(qū)內(nèi)高頻率的漩渦形成與脫落，不但產(chǎn)生了加強流動摻混所需的漩渦，也產(chǎn)生了促進分離泡轉(zhuǎn)所需要的擾動。中科院工程熱物理研究所的張波等[9-10]研究U型槽對高負荷低壓渦輪葉型損失的影響，結(jié)果表明：表面鑲嵌式U型槽[11]可以推遲分離，加速分離泡再附來減小分離泡，從而降低損失。

通過邊界層的絆線技術(shù)，不僅可以明顯改善壓氣機內(nèi)部的復雜流動特性，還可以進一步突破壓氣機設(shè)計的載荷限制，擴展高負荷壓氣機的設(shè)計空間。而絆線技術(shù)操作簡單，成本低，但目前對絆線技術(shù)的研究集中在某些特別的工況下，因此本文以某型壓氣機葉片為研究對象，在寬廣攻角范圍內(nèi)，分析絆線對壓氣機性能的影響，探討絆線技術(shù)實踐應用的可能性。

1　研究方法及研究對象

研究對象為某型壓氣機葉中截面。葉型數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)值模擬采用商用軟件CFX14.0求解三維定常黏性雷諾平均N-S方程，數(shù)值方法采用時間追趕的有限體積法，空間離散采用二階迎風格式，時間離散應用二階后差歐拉格式。選用SST湍流模型和γ-θ轉(zhuǎn)捩模型。數(shù)值模擬單層網(wǎng)格數(shù)取為11萬，近壁處的Y+均小于1，近壁處的延展比在1.2左右，如圖 1所示。

計算邊界條件給定進口速度、進口壓力；出口給定背壓。在不同的攻角下保證壓氣機葉片進口馬赫數(shù)Ma=0.676不變，具體參數(shù)如表1所示。

表1　葉型參數(shù)

2　結(jié)果分析

2.1　壓氣機特性

首先在-35°～15°攻角下計算壓氣機的性能，包括邊界層的分離位置，分離泡的大小及壓氣機的損失特性曲線，為絆線的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

圖2～圖4是壓氣機葉柵通道速度矢量圖及壁面剪切應力圖，由速度矢量圖可以看出在0°攻角下，葉片吸力面沒有發(fā)生分離。在負攻角工作范圍內(nèi)壓氣機葉片僅在葉盆靠近前緣處有較小的閉式分離泡，且分離長度很短。在正攻角范圍內(nèi)壓氣機葉片表面存在明顯的分離泡，并且為開式分離，即直到尾緣處分離沒有發(fā)生再附。隨著攻角的增大，分離泡的高度增大，分離區(qū)域增大。從壁面剪切應力圖可以直觀地看出葉片表面分離的起始位置。攻角為5°、10°時，葉片吸力面的分離發(fā)生在距離前緣大約70%、54%弦長位置處。

圖5為壓氣機特性曲線，該葉型由于在正攻角范圍內(nèi)，隨著攻角增大，葉片吸力面分離泡長度和高度均增大，因此損失增大；而在負攻角范圍內(nèi)，由于壓力面氣流速度低，因此分離對損失的影響并不顯著。由于在正攻角下分離較為嚴重，因此在后文的絆線參數(shù)設(shè)計中，主要考慮正攻角的流動控制。

2.2　絆線技術(shù)對壓氣機性能影響分析

根據(jù)上文分析，為了控制邊界層的流動分離，可以通過設(shè)置絆線，誘發(fā)邊界層提前轉(zhuǎn)捩，湍流邊界層可以更好地抵抗分離。分析壓氣機攻角特性，設(shè)計矩形條狀絆線尺寸，絆線參數(shù)主要考慮絆線位置，絆線高度和絆線長度。為了在寬廣的攻角范圍內(nèi)減小絆線引入對流場的干擾，在可以控制流動的情況下，盡量使用尺寸較小的絆線。其中絆線形狀為矩形。位置在分離點附近，即絆線開始位置為50%弦長位置處，絆線長度為3%弦長，絆線高度0.4%弦長。

在此絆線參數(shù)下計算、分析不同攻角下，絆線對流動性能的影響，根據(jù)上文分析在負攻角和0°攻角下，葉片吸力面沒有出現(xiàn)分離泡，并且由于絆線尺寸較小。為此著重分析在正攻角下，絆線對流場的影響。圖 6～圖8分別為攻角為5°，10°，15°情況下，施加絆線前后壓氣機葉柵通道流場速度矢量圖，圖9～圖11分別為攻角為5°，10°，15°情況下，施加絆線前后，葉片表面剪切應力(X方向)分布圖。計算結(jié)果表明在正攻角下，絆線的引入均減小了吸力面邊界層的分離區(qū)域。在5°攻角下，分離泡的起始位置由距離前緣54%弦長位置處，向后移至80%弦長位置處，分離泡長度明顯縮短；而在10°和15°攻角下，葉片表面設(shè)置絆線誘發(fā)邊界層提前轉(zhuǎn)捩，因此轉(zhuǎn)捩后的湍流邊界層能更好地抵抗分離，因此抑制了邊界層的分離，從而很大程度上提高葉柵效率。

定義λ為氣流的總壓損失系數(shù)，它表示氣流流經(jīng)葉柵通道的總損失

圖12給出的是不同攻角下，絆線對葉柵流動性能的影響。由計算結(jié)果可知，在負攻角范圍內(nèi)絆線對葉柵通道的影響很小，但引入絆線對流動局部形成干擾，因此絆線后的損失有所增大，但增大的幅度不超過5%。而在正攻角范圍內(nèi)，絆線后的損失較絆線前有著明顯的下降，尤其是在15°攻角下，損失低19%。

3　結(jié)論

通過分析某型壓氣機流動特性，設(shè)計了合理的絆線參數(shù)，計算并對比施加絆線前后壓氣機流場細節(jié)及損失特性。本文的計算結(jié)果表明，絆線技術(shù)可以在很大的攻角范圍內(nèi)抑制邊界層分離，有效降低壓氣機的分離損失，改善壓氣機的性能。在15°攻角下，壓氣機損失較原始葉型低19%。

絆線技術(shù)屬于被控制技術(shù)，不需要引入能量，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，質(zhì)量輕，選擇合理的絆線參數(shù)(包括絆線的尺寸，絆線的位置，絆線的高度。)可以在較寬的工作范圍內(nèi)提高壓氣機的效率和穩(wěn)定性，并且對流場干擾較小，因此可以在工程實踐中加以推廣應用。

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