白 濤，楊曉彤，李文濤

(1.西安航空學院 飛行器學院， 西安 710077;2.中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司， 西安 710021;3.北京航空航天大學， 北京 100191)

不斷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來改進級增壓能力，是目前提高壓氣機級負荷的重要手段。壓氣機級負荷的提高意味著壓氣機端壁和葉片表面出現(xiàn)大范圍的流動分離。有效控制逆壓力梯度下葉片表面的分離是提高壓氣機效率、擴大壓氣機穩(wěn)定工作范圍的重要途徑[1-4]。

目前壓氣機上最常采用的流動控制有主動控制和被動控制兩種。主動控制通過引入能量對流場進行控制，并且一般情況下可以根據(jù)工作狀態(tài)的改變調(diào)整控制參數(shù)。國外對此方面的研究開展較早，1993年美國國家航空航天局和麻省理工學院合作,通過采用邊界層抽吸技術降低壓氣機損失，實現(xiàn)提高流量和單級壓比、效率的目的，并通過設計的一級壓氣機進行了驗證[5]。射流襟翼原理類似于抽吸附面層，是常見的主動控制方法，其原理是通過引入一定量的高能量流體來實現(xiàn)對邊界層的控制，國外針對此開展了大量的研究[6]。國內(nèi)喬渭陽、朱俊強、鄒正平等的科研團隊[7-9]為實現(xiàn)葉輪機械高負荷、高效率，對射流襟翼(吸附式邊界層)在葉輪機械上的應用進行了研究，取得了不錯的效果。主動控制技術成本高，機構較為復雜，不易操作，而被動控制往往可以利用葉片自身的特征、形變或者添加微小的機構來改變流場特征從而實現(xiàn)對流場的有效控制。絆線屬于被動控制的一種，常見的絆線技術主要有在葉片表面添加凹型槽、球窩、矩形條或者利用葉片表面的粗糙度等，以此來促發(fā)轉(zhuǎn)捩提前，從而實現(xiàn)對流動分離的控制。Volino等[10-12]的研究表明，在高負荷低壓渦輪葉片表面設置矩形拌線雖不能徹底防止流動分離，但對分離泡的強度具有一定的抑制效果，同時得到矩形絆線的最佳深度隨著湍流度和雷諾數(shù)的變化而變化。Jame P L[13]認為在分離點附近加橢圓形凹槽和V型槽可以有效地降低葉型損失。劍橋大學的ZHANG Xuefeng等[14]對高負荷低壓渦輪葉片吸力面表面設置拌線、矩形條、凹槽等對葉型損失的影響做了一系列的研究，表明在速度峰值點附近添加絆線控制對流動控制效果最佳。

國內(nèi)中國科學院工程熱物理研究所盧新根、張波等[15-16]的研究表明：在雷諾數(shù)和湍流度變化的情況下使用表面凹槽的被動控制方法較好，在攻角變化的情況下使用“凸起”拌線和矩形條的被動控制方法更好。高負荷低壓渦輪表面嵌壁式U型槽可以通過提高葉片的攻角范圍，從而間接地降低葉型損失。南京航空航天大學楊榮菲等[17]通過在PAKB葉型上布置振動“凸包”，從而實現(xiàn)對高負荷低壓渦輪邊界層分離的控制。類似于“凸包”控制，黃進等[18]研究了粗糙度對流動的控制機理,為“凸起”絆線控制技術提供了思路。

通過在葉片表面采用絆線技術，不僅可以明顯改善壓氣機的流動分離情況，還可以進一步突破壓氣機設計的載荷限制，擴展高負荷壓氣機的設計空間。絆線技術操作簡單、成本低，但目前對絆線技術的研究多集中在凹槽這一技術，而壓氣機葉片表面的凹槽會降低葉片的強度，關于“凸起”絆線國內(nèi)外研究較少。因此，本文在前人研究[19]的基礎上，以某型壓氣機葉片為研究對象，在寬廣攻角范圍內(nèi)，分析“凸起”絆線形狀對壓氣機性能的影響，為探討絆線技術在實踐中的應用提供理論指導。

1 研究方法及研究對象

本文研究對象為某型低壓壓氣機葉片中截面。葉型參數(shù)如表1所示。數(shù)值模擬采用商用軟件CFX15.0求解三維N-S方程，為了更好地模擬逆壓力梯度下的流動，計算選用SST湍流模型和γ-θ轉(zhuǎn)捩模型，采用結(jié)構化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)23萬，近壁處的y+均小于1，近壁處擴張比小于1.2，滿足數(shù)值湍流模型和轉(zhuǎn)捩模型的計算要求。計算網(wǎng)格如圖1所示。計算邊界條件給定進口速度、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)不變，具體參數(shù)如表1所示。

表1 葉型參數(shù)

圖1 網(wǎng)格示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 壓氣機特性

本文首先在寬廣的攻角范圍內(nèi)計算壓氣機的流動特性。通過流動圖分析葉片表面邊界層分離泡大小及分離泡起始位置，為絆線位置和絆線形狀的設計提供理論數(shù)據(jù)。本文計算的攻角范圍為-35°～15°。

圖2為壓氣機攻角特性，縱坐標為量綱為1的壓氣機葉柵總壓損失系數(shù)。該葉型損失分布規(guī)律符合一般壓氣機葉片攻角特性。在負攻角情況下壓氣機總壓損失系數(shù)較小，因此不屬于本文絆線控制的研究范圍。在正攻角0°～15°時，隨著攻角的增大，葉柵的總壓損失系數(shù)急劇增大。為進一步分析損失增大的機理，圖 3、4分別給出攻角為5°、10°時的流場細節(jié)。由于壓氣機壓力面流動速度低，逆壓力梯度區(qū)域較小，因此壓力面并沒有發(fā)生分離。而在5°和10°情況下，壓氣機葉片吸力面表面發(fā)生明顯的分離直到尾緣，分離泡沒有再附，故為典型的開式分離。由速度矢量圖可以看出，10°攻角下的分離泡高度要明顯高于5°，而且分離泡的起始位置更靠前。壁面剪切應力圖可以定量地反映出分離點的起始位置和分離泡的長度。(圖4中橫坐標為葉片沿軸向方向的相對位置，縱坐標為壁面剪切應力軸向方向分量，單位為N/m2)由壁面剪切應力圖可以看出，分離點起始位置由距離前緣70%弦長位置處提前到54%弦長位置處，相比較損失也增大57%，分離泡是造成壓氣機損失增大、效率降低的主要原因。有效地控制流動減弱邊界層分離對于提高壓氣機效率和穩(wěn)定性至關重要。

基于上述分析，在設計絆線時主要參考正攻角下的流動參數(shù)。

圖2 壓氣機特性線

圖3 i=5°時速度矢量圖和壁面切應力分布圖

圖4 i=10°時速度矢量圖和壁面切應力分布圖

2.2 絆線形狀對壓氣機流場性能影響分析

1) 絆線設計

基于本文研究及壓氣機的常規(guī)工作情況，選取5°攻角下流場作為絆線設計的基準，根據(jù)前期研究基礎，絆線位置設置在分離點前(距離前緣位置36%～55%軸向弦長位置處)。由于已對矩形絆線進行研究，因此本文設置絆線形狀分別為三角形、圓形和橢圓形。為不干擾流場，絆線尺寸較小，絆線當量高度為1%軸向弦長。壓氣機葉片幾何修型在CAD軟件中完成，絆線設置示意圖如圖5所示。在本文計算范圍內(nèi)，不同正攻角情況下得到的流動規(guī)律是類似的。以下重點分析攻角為5°時壓氣機流動分離的控制情況，并在全工況范圍內(nèi)進行計算，全面評估不同形狀絆線對流場的影響規(guī)律。

圖5 絆線示意圖

2) 不同絆線形狀流場分析

首先在攻角為5°情況下計算不同絆線形狀對壓氣機流動細節(jié)的影響。流動情況如圖 6～9所示。當添加圓形絆線時，由于圓弧絆線尺寸小，因此圓弧曲率變化較大，使得氣體在繞過圓弧時氣流速度發(fā)生較大的變化，因此形成局部強逆壓力梯度區(qū)，此現(xiàn)象類似前緣吸力峰處的流動。在壓氣機逆壓力梯度工作環(huán)境和圓弧絆線附件強的局部逆壓力梯度作用下，壓氣機葉片表面發(fā)生大規(guī)模的分離，分離程度遠大于未添加絆線的原始葉型。

當在葉片表面添加三角形絆線時，效果也不盡理想，但由于在同等高度情況下，三角形絆線對流場造成的擾動范圍較圓弧形的更小，因此分離泡的區(qū)域相對于圓弧形有所減小，但比原始葉型有所增加。由壁面剪切應力圖可以發(fā)現(xiàn)，添加三角形絆線后使得分離位置從距離前緣70%軸線位置處提前到27%位置。與前兩者不同的是在同等高度情況下，橢圓形絆線的曲率變化更為連續(xù)，因此局部逆壓力梯度較小，可以觸發(fā)分離點區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)捩，從而使得邊界層可以更好地抵抗分離。為了更清楚地看出分離點的位置及分離泡的大小，由壁面剪切應力圖(圖10)可以看出：添加橢圓形絆線時，葉片表面的分離區(qū)域得到完全控制。

圖6 i=5° 時流場速度矢量圖

圖7 i=5° 時流場速度矢量圖

圖8 壁面剪切應力圖(三角形絆線)

圖9 i=5°時流場速度矢量圖

圖10 壁面剪切應力圖(橢圓形絆線)

為了在更寬廣的工況范圍內(nèi)驗證不同絆線形狀對流場性能的影響，本文在-35°～15°攻角范圍內(nèi)計算了不同絆線形狀的壓氣機葉片攻角特性。

為了定量地表示壓氣機損失的大小，定義λ為葉柵總壓損失系數(shù)，它表示氣流流經(jīng)葉柵通道的總損失：

圖11給出了不同攻角下，絆線形狀對葉柵流動性能的影響。由計算結(jié)果可知：在全攻角范圍內(nèi)設置不同形狀絆線均對流場造成了一定的影響。在本文的研究范圍內(nèi)，橢圓形絆線在全工況范圍內(nèi)都使得壓氣機保持了較低的損失，當攻角大于5°時，橢圓形絆線對流動控制效果較好，使得壓氣機總壓損失至少減小18%，雖然在負攻角范圍內(nèi)橢圓形絆線的存在對流場造成干擾，使得損失有所增加，但增加幅度很小，在整個負攻角范圍內(nèi)不超過3.7%。而采用的圓弧形絆線和三角形絆線在全工況范圍內(nèi)都使得總壓損失保持較高的值。

圖11 不同攻角下葉柵通道損失系數(shù)對比

3 結(jié)論

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，通過分析某型壓氣機流動特性，在分離點附近設置了不同形狀的絆線，計算并對比分析了設置不同形狀絆線對壓氣機流場細節(jié)及損失特性的影響。

研究結(jié)果表明：絆線形狀對流動情況的影響不可忽略，選擇合理的絆線形狀可以在很寬的攻角范圍內(nèi)抑制邊界層分離。本文所設置的橢圓形前緣可以在正攻角范圍內(nèi)有效地抑制邊界層分離，同時在其他工況下對流場的干擾較小，因此很大程度地提高了壓氣機效率和穩(wěn)定性，而圓弧形前緣和三角形前緣則控制效果不佳。本文的研究結(jié)果可以為壓氣機被動控制技術在工程實踐中的推廣應用提供理論指導。