李翔，唐萌，張衍

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031； 2. 南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

航空發(fā)動機(jī)被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”，是一個國家科技水平、工業(yè)能力和國防實(shí)力的重要評判標(biāo)準(zhǔn)。隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的日趨成熟，高壓壓氣機(jī)的壓比不斷提高，這也意味著間隙泄漏量的進(jìn)一步增加，從而影響整個發(fā)動機(jī)的工作性能。封嚴(yán)篦齒是一種非接觸式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，其封嚴(yán)效率主要取決于轉(zhuǎn)子部件與靜子部件之間的徑向間隙和篦齒數(shù)目。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、封嚴(yán)效率高、使用壽命長等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)中。

WELLBORN等[1-3]的研究表明：篦齒封嚴(yán)間隙每增加1%，壓比下降3%，效率下降1%～1.5%。約0.5%的泄漏量即可造成轉(zhuǎn)子總壓比和效率分別約1.5%和1%的損失。DEMARGNE和LONGLEY等[4]認(rèn)為角區(qū)失速對流道內(nèi)的流動損失和擁塞有決定性的影響，當(dāng)流量系數(shù)降低時，角區(qū)失速結(jié)構(gòu)會增大。KIM等[5-6]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究指出泄漏流切向速度增加會減弱脫落渦、通道渦, 并減弱吸力面角區(qū)分離，從而使總損失減少。DONG等[7]的研究表明，在靜子和輪轂之間引入間隙泄漏流可以適當(dāng)緩解角區(qū)分離。GIER等[8]的研究發(fā)現(xiàn)泄漏流影響葉排的進(jìn)口氣流角度，使進(jìn)口附面層厚度增加，從而導(dǎo)致通道內(nèi)漩渦結(jié)構(gòu)惡化。孟德君等[9]的研究表明泄漏流可對40%葉高處的主流造成不良影響，最大會增大近輪轂處靜子葉片出口落后角4°～6°。張一彬[10]的研究表明，泄漏流從上游容腔流出后，引起軸向速度和切向速度變化不均，使進(jìn)口角度增加。

1 計(jì)算方法與計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型簡介

本文參考KIM等在研究過程中使用的簡化壓氣機(jī)靜子級模型，該模型由3個篦齒、平臺襯套、輪轂和擴(kuò)壓葉片構(gòu)成(圖1)，其中葉柵葉型參考中國燃?xì)鉁u輪研究院提供的某壓氣機(jī)靜子葉根截面設(shè)計(jì)，葉型及容腔參數(shù)具體見表1。本文采用的篦齒結(jié)構(gòu)是一個在襯套和轉(zhuǎn)軸之間放置的三齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，篦齒造型參考如圖2所示，齒頂間隙為0.7mm，齒頂厚度0.2mm，齒腔寬度4mm，齒腔深度4.3mm。葉片頂部與固定的機(jī)匣相連，葉片底部與輪轂交界處用襯套連接。葉柵通道尺寸：計(jì)算域沿著流向總共為4倍弦長，其中進(jìn)口1倍弦長，出口2倍弦長，沿額線方向計(jì)算域長度為1個柵距。

圖1 計(jì)算模型

表1 模型參數(shù)表

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值葉片弦長 C /mm60軸向弦長 Cz /mm56.2柵距 S /mm45葉高 H /mm80稠度 τ1.33間隙 ε/mm0.7幾何進(jìn)氣角 k1 /(°)46幾何出氣角 k2 /(°)-10容腔深度 h /mm5容腔寬度 d/mm9

圖2 篦齒結(jié)構(gòu)幾何造型

1.2 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

本文計(jì)算域網(wǎng)格使用ANSYS ICEM CFD 軟件手動分塊，把計(jì)算域分為葉柵通道和容腔通道塊。如圖3所示，網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉片周圍采用O型網(wǎng)格，其余部分采用H型網(wǎng)格。對葉片表面、間隙區(qū)域及近壁面處進(jìn)行加密處理，設(shè)置葉片壁面第一層網(wǎng)格高度為0.004mm，其余壁面第一層網(wǎng)格高度為0.008mm。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格模型

計(jì)算邊界條件：進(jìn)口總溫288.15K，總壓101325Pa，通過調(diào)整進(jìn)氣角和出口背壓改變攻角和進(jìn)口馬赫數(shù)，葉片排沿周向給定周期性邊界，固體壁面設(shè)置為絕熱、無滑移邊界條件。

2 不同攻角對平面擴(kuò)壓葉柵葉根流動的影響

本文從泄漏流結(jié)構(gòu)、葉柵總壓損失、葉片載荷等角度分析不同進(jìn)口攻角下的葉根流動，設(shè)定進(jìn)口馬赫數(shù)Ma=0.1。為分析流體經(jīng)葉柵通道后的總壓損失情況，定義損失系數(shù)如下：

圖4分別為-9°、-4°、0°、4°和9°攻角下經(jīng)過靜子容腔的泄漏流在葉柵通道內(nèi)的流動情況及S3截面總壓損失云圖，S3截面分別設(shè)置在25%、50%、75%、100%和130%軸向弦長位置處。

從圖4中可以看出-9°攻角時，泄漏流流出上游容腔的位置約在50%葉柵距離附近，大部分流體沿端壁表面流出，少部分二次流在角區(qū)與其他二次流作用沿葉高爬升，隨著攻角的不斷增大，泄漏流流出容腔的位置逐漸向葉根吸力面靠近。從圖中還可以看出，泄漏流流出上游容腔后主要與通道渦一起在橫向壓力梯度的作用下向葉根角區(qū)運(yùn)動，流至角區(qū)后發(fā)生分離，一部分隨通道渦流出葉柵，另一部分沿葉高爬升與其他二次流摻混，動能很快下降。隨攻角增大，這部分流體在角區(qū)的回流現(xiàn)象也越來越明顯。

圖4 不同攻角泄漏流三維流線對比

另外，在攻角從-9°～9°的變化過程中，泄漏流的流動差異性越來越大，4°攻角時泄漏流在30%軸向弦長處就開始分離，分離后的泄漏流大部匯入通道渦，僅有小部分迅速爬升至50%葉高附近后流出，在130%截面這兩部分流體分別很明顯。當(dāng)攻角增加到9°時，泄漏流同樣在30%軸向弦長處分離，但沿葉高爬升的部分流體在20%葉高處即與通道渦再度匯合。由于大攻角下尾緣渦流的三維性大大增強(qiáng)，因此泄漏流在尾緣處的分離最為嚴(yán)重，泄漏流的影響范圍擴(kuò)展到全葉高。

表2對各S3截面的總壓損失系數(shù)進(jìn)行了質(zhì)量流量的加權(quán)平均?？梢钥闯霎?dāng)攻角為負(fù)時，25%截面處的總壓損失都比較高，這是因?yàn)樨?fù)攻角時雖然氣流在吸力面的分離有所減緩，但在壓力面的分離卻顯著增加，使得通道前半?yún)^(qū)的損失整體增加。當(dāng)攻角為正時，沿流動方向各截面的損失逐次增大，相較其他各攻角，4攻角時各截面的總壓損失最小。

表2 S3截面總壓損失系數(shù)

圖5為泄漏流量相對主流流量的百分比隨攻角的變化關(guān)系，可以看出隨攻角增大，泄漏流的占比呈線性增長。對比表2各S3截面的總壓損失并沒有明顯的線性關(guān)系。當(dāng)攻角從-9°～4°變化時，130%截面的總壓損失反而減小，這說明評估泄漏流對葉柵性能的影響應(yīng)該從多方面因素共同分析，不能僅以泄漏流的增減評價(jià)葉柵流動狀況的好壞。

圖5 泄漏流量相對主流流量占比隨攻角的變化

3 不同攻角下葉片載荷分析

為進(jìn)一步分析攻角對葉柵流動的影響，分別計(jì)算各選定攻角下10%、50%和90%葉高截面處的葉表靜壓系數(shù)，如圖6所示。

從圖6中可以看出攻角越小，葉片前緣壓力面與吸力面的壓差越小，隨著攻角增大，前緣處壓力面的靜壓系數(shù)峰值逐漸增大，吸力面峰值逐漸減小，葉片力也逐漸增大。當(dāng)攻角為負(fù)時，各截面前緣壓力面壓力均小于吸力面壓力，這是因?yàn)樨?fù)攻角下葉片前緣附近端壁附面層區(qū)吸力面的局部加速減壓能力的下降，造成了前緣附近端壁附面層區(qū)的葉片力虧損。除9°攻角外，其余攻角下吸力面靜壓系數(shù)約在30%軸向弦長位置之后呈較明顯的上升趨勢，且除-9°攻角外，其余攻角下吸力面靜壓系數(shù)在葉片尾部均有一個壓力平臺。

圖6 各攻角S1截面靜壓系數(shù)對比

各攻角下10%、50%和90%葉高截面葉片載荷系數(shù)如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著攻角增大，各截面葉片載荷也逐漸增大，在4°攻角時載荷最大，隨后開始降低。另外，各攻角10%和90%葉高截面載荷系數(shù)均比50%截面小，但10%截面載荷系數(shù)相對葉中截面的下降程度更大，說明葉根和葉端相對葉中的流動差異程度不同，葉根的流通性能更差。其中-9°時葉根和葉端截面載荷系數(shù)最接近，流動差異性不大，隨攻角增大，這種差異性越來越明顯，在0°攻角達(dá)到最大。

表3 S1截面葉片載荷系數(shù)比較

4 結(jié)語

本文對帶有篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的簡化壓氣機(jī)靜子級模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析不同攻角下泄漏流結(jié)構(gòu)、葉柵總壓損失、葉片載荷等參數(shù)對葉根流動的影響，得到的結(jié)論如下：

1) 負(fù)攻角時葉根角區(qū)的流動狀況較好，攻角從負(fù)轉(zhuǎn)正后泄漏流的流動差異性越來越大。9攻角時，泄漏流在尾緣處的分離最為嚴(yán)重，影響擴(kuò)展到全葉高。

2) 隨攻角的增大，泄漏流流量相對主流流量的百分比呈線性增長，但S3截面的總壓損失并沒有明顯的線性關(guān)系，且4攻角時葉柵的擴(kuò)壓能力相對最好，總壓損失相對最小，流動性能也相對最好。

3) 攻角越小，葉片前緣壓力面和吸力面的差值越小，負(fù)攻角下甚至出現(xiàn)葉片力的虧損，隨著攻角的增大，葉片載荷逐漸增大，在4攻角時載荷最大，隨后開始降低。