趙雄飛，殷望添，賀 星，李洪松

（1.海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局，遼寧 沈陽110031；2.海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢430033）

壓氣機(jī)作為航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)核心部件之一的發(fā)展要求為：更高的級負(fù)荷，效率和適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定工作裕度。提高壓氣機(jī)的負(fù)荷通常采用提高動葉的葉尖速度和扭速兩種方法。但是葉尖速度的提高受到材料強(qiáng)度等因素的制約，所以提高壓氣機(jī)的負(fù)荷常常采取提高扭速的方法來實(shí)現(xiàn)。而扭速通過增大轉(zhuǎn)折角來實(shí)現(xiàn)，但是過大的轉(zhuǎn)折角又會導(dǎo)致葉片吸力面附面層的嚴(yán)重分離。因此控制附面層分離對于改善高負(fù)荷壓氣機(jī)的氣動性能，提高壓氣機(jī)做功能力有著極為重要的意義[1]。

1997年麻省理工的Kerrebrock最早提出吸附式壓氣機(jī)這一新概念[2]，其相關(guān)研究項(xiàng)目獲得美國國防部的資助，并進(jìn)行吸附式風(fēng)扇大尺寸模型的驗(yàn)證工作。Kerrebrock等的研究結(jié)果[3-4]表明：附面層抽吸技術(shù)能夠有效地延緩分離，明顯提升了葉柵的通流能力和擴(kuò)壓能力，同時(shí)也提高了壓氣機(jī)效率。陳紹文等[5]采用數(shù)值模擬方法研究分析低速條件下附面層抽吸對某型超高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵氣動性能（葉柵出口總壓損失、吸力面型面靜壓等）的影響，研究結(jié)果表明，附面層抽吸能使吸力面的分離區(qū)減小，從而改善葉柵氣動性能，得到不同吸氣量和不同吸氣位置對吸氣效果的影響。還進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)研究了全葉高吸氣方式和兩種局部吸氣方式對葉柵流場結(jié)構(gòu)和氣動性能的影響[6]。周正貴等[7]采用流場數(shù)值計(jì)算方法對吸氣葉柵流場進(jìn)行研究，結(jié)果表明，高亞聲速壓氣機(jī)葉柵上采用吸力面附面層抽吸，能夠提高擴(kuò)壓度，但不一定能夠減小流動損失；高亞聲速壓氣機(jī)葉柵上采用吸力面附面層抽吸，均可提高擴(kuò)壓度并減小流動損失。蘭云鶴[8]以低轉(zhuǎn)速的亞音速壓氣機(jī)靜葉為研究對象，設(shè)置不同的附面層抽吸方案，研究結(jié)果表明，當(dāng)在上、下端壁雙側(cè)抽吸時(shí)，能有效控制整個工況范圍內(nèi)的氣流分離，并且總壓比和效率均得到提升，壓氣機(jī)的氣動性能得到有效改善。牛玉川等[9]測試了不同來流狀態(tài)下吸附式壓氣機(jī)葉柵的氣動性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，附面層吸除能夠減少氣流分離損失，降低總壓損失，改善氣動性能，選擇合適的氣槽抽吸位置和吸氣量，能進(jìn)一步改善葉柵內(nèi)部流動。

本文首先針對吸氣式葉柵進(jìn)行研究，得到吸氣量對葉柵氣動性能的影響規(guī)律。在先前研究的基礎(chǔ)之上，創(chuàng)新性地提出四種吹吸方案，并利用數(shù)值計(jì)算方法模擬葉柵流場，通過與原型葉柵流場和氣動性能的對比，確定最佳吹吸方案。

1 附面層抽吸機(jī)理

附面層的分離會引起很大的流動損失，使葉柵通道的通流能力降低，進(jìn)而使葉片表面氣流的轉(zhuǎn)折能力降低。如果附面層能很好地附著在葉片表面且厚度很薄，則氣流的流動損失會降低，進(jìn)而會使壓比升高。

附面層的特征可以由Von Karman層流動量方程來表示，如式（1）所示。

式中，θ為附面層動量厚度，Cf為葉片表面摩擦系數(shù)，H為形狀因子，ue為自有流速度。

附面層未發(fā)生分離時(shí)，動量厚度如式（2）所示。

附面層發(fā)生分離時(shí)，動量厚度如式（3）所示。

其中，△θ2的存在是附面層抽吸的結(jié)果。

附面層未發(fā)生分離時(shí)，在附面層的流動中，表面摩擦力起主導(dǎo)作用；當(dāng)附面層發(fā)生分離時(shí)，會產(chǎn)生一個較大的負(fù)壓梯度，表面摩擦力幾乎接近0，此時(shí)1/u·ed ue/d s起主導(dǎo)作用。

2 數(shù)值計(jì)算方法

本文采用NUMECA軟件分別對壓氣機(jī)原型葉柵、吸附式葉柵、吸吹式葉柵和雙吸式葉柵進(jìn)行數(shù)值模擬，控制方程為N-S方程[10]，如式（4）所示：

fi為單位質(zhì)量流體所受的質(zhì)量力分力。

湍流模型采用S-A湍流模型，使用Runge-Kutta格式求定常解，使用殘值光順、多層網(wǎng)格加密、局部時(shí)間步長等技術(shù)加快迭代過程的收斂速度。網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格

邊界條件：進(jìn)口為軸向進(jìn)氣，其總壓和總溫分布如圖2所示。出口靜壓為90 000 Pa，轉(zhuǎn)速17 188 r/min.

圖2 進(jìn)口邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 吸氣量對氣動性能的影響

在距離葉片前緣60%的軸向弦長處位置沿葉高10%～90%方向等距離開10個吸氣孔，孔的直徑為0.005 m.級壓比和效率隨吸氣量變化的曲線如圖3和圖4所示，其中相對吸氣量為吸氣量與進(jìn)口氣流量之比。

圖3 不同吸氣量下壓比分布

圖4 不同吸氣量下效率分布

由圖3和圖4可見，與原型葉片（為開吸氣孔的葉片）相比，開孔吸氣后，使壓比增大，但時(shí)效率有所下降。隨著吸氣量的增加，壓比和效率都呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)吸氣孔處于某一位置不變時(shí)，存在一個最佳的吸氣量，使得壓比最大，或者效率降低的最少。

圖5為無吸氣和相對吸氣量分別為0.1%，0.4%，0.8%時(shí)對應(yīng)的0.5葉高處葉柵馬赫數(shù)等值線圖，圖6為無吸氣和相對吸氣量分別為0.1%，0.4%，0.8%時(shí)對應(yīng)的0.5葉高處葉柵吸力面尾緣附近局部熵云圖和流線圖。從圖5和圖6可見，原型葉片在吸力面尾緣附近存在氣流分離現(xiàn)象，當(dāng)相對吸氣量小于最佳相對吸氣量（0.8%）時(shí)，隨著吸氣量的增加，氣流分離區(qū)域逐漸減小。這說明，吸氣位置距離氣流分離區(qū)的起始位置較遠(yuǎn)時(shí)，吸氣可以使吸力面附面層的厚度減小，進(jìn)而抑制尾緣附近的氣流分離，且吸氣量越多，抑制效果越明顯。當(dāng)相對吸氣量大于最佳相對吸氣量（0.8%）時(shí)，吸氣位置極其后面的邊界層區(qū)域有一部分進(jìn)入葉型內(nèi)部，這說明吸氣量過大，導(dǎo)致葉柵通道內(nèi)主流沖擊到葉片表面，造成吸氣位置后面的流場產(chǎn)生新的干擾，進(jìn)而使得抑制效果減弱。

圖5 葉柵馬赫數(shù)等值線圖

圖6 分離區(qū)附近局部熵云圖和流線圖

圖7 為葉片吸力面極限流線圖。由圖7可見，原型通道渦分離線與端壁圍成的分離區(qū)域面積最大，且低能流體聚集區(qū)域也最大。當(dāng)采用開孔抽吸邊界層后，分離明顯減弱，且隨著吸氣量的增加，效果越明顯。

圖7 吸力面極限流線

以上分析結(jié)果說明，采用附面層吸除可以明顯減弱氣流分離現(xiàn)象，并提高葉柵的擴(kuò)壓能力。當(dāng)吸氣孔的位置位于距離葉片前緣60%的軸向弦長處時(shí)，存在一個最佳吸氣量，對應(yīng)著最大壓比，吸氣量超過該值，即使再增加吸氣量，也不能達(dá)到更理想的效果。

3.2 不同方案對氣動性能的影響

提出四種不同的開孔吹吸氣方案，如表1所示，利用數(shù)值計(jì)算的方法對不同方案葉柵的流場進(jìn)行模擬。

表1 吹吸氣方案

圖8和圖9分別為上述四種方案與原型葉柵的流量—壓比曲線和流量—效率曲線。由圖8和圖9可見，與原型葉片相比，上述四種方案均能提高壓比和效率，方案四所用的雙吸式葉柵對壓比和效率的提升作用均最為明顯。

圖8 流量—壓比曲線

圖9 流量—效率曲線

圖10為不同方案的葉柵與原型葉柵的馬赫數(shù)等值線圖。圖11為不同方案的葉柵與原型葉柵0.5葉高處吸力面尾緣附近局部熵云圖和流線圖。從圖中可以看出，上述四種方案均能有效抑制吸力面尾緣附近的邊界層分離，雙吸式葉柵效果最佳。在遠(yuǎn)離分離區(qū)的上游開孔吸氣可以抑制下游氣流分離，但在靠近分離區(qū)的區(qū)域或者分離區(qū)內(nèi)部開孔吸氣，附面層發(fā)展已接近完成，不能有效抑制氣流分離，如圖11（d）所示。

圖10 葉柵馬赫數(shù)等值線圖

圖11 分離區(qū)附近局部熵云圖和流線圖

4 結(jié)束語

（1）設(shè)置吸氣孔進(jìn)行附面層吸氣，能夠有效地改善壓氣機(jī)葉柵的氣動性能，抑制附面層分離，減小流動損失，提高壓比。

（2）在葉型某一位置吸氣時(shí)，存在最佳吸氣量。當(dāng)吸氣量逐步增加到最佳值時(shí)，吸氣對附面層分離的抑制效果越好，當(dāng)吸氣里大于最佳值時(shí)，導(dǎo)致葉柵通道內(nèi)主流沖擊到葉片表面，造成吸氣位置后面的流場產(chǎn)生新的干擾，進(jìn)而使得抑制效果減弱。

（3）四種葉型開孔吹吸氣方案對比可知，雙吸式葉柵對附面層分離的抑制效果最佳，對壓比和效率的提升作用也最為明顯。