杜峰,周正貴,韓露
(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇 南京 210016)
支板在發(fā)動(dòng)機(jī)中起到不可替代作用的同時(shí),由于其自身體積較大,因而會對發(fā)動(dòng)機(jī)外涵處的流場造成一定影響。在氣動(dòng)方面,支板使得通道內(nèi)流場沿周向不均,引起的擾動(dòng)會向上游傳播,影響OGV葉柵流場,有時(shí)甚至穿過OGV葉柵通道到達(dá)風(fēng)扇,使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子流場不均勻。另外有研究表明[1],對于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),OGV的損失每增加1%,發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率約提高0.33%。支板的存在還會對發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲產(chǎn)生不利影響,研究表明發(fā)動(dòng)機(jī)外涵支板引起的壓力脈動(dòng)是造成發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的原因之一[2]。在結(jié)構(gòu)方面,支板的存在也增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和質(zhì)量,不利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。因此外涵道支板的設(shè)計(jì)是決定渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能好壞的重要因素。
如圖1所示,一般外涵道處的OGV與支板呈軸向分布?,F(xiàn)將支板與OGV并排沿周向分布,結(jié)構(gòu)如圖2所示,可以縮短軸向距離,減小發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸,減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量,另外具有改善氣動(dòng)性能以及降低噪聲的良好效果[3]。
圖1 原始支板OGV結(jié)構(gòu)
圖2 支板融合OGV結(jié)構(gòu)
平面葉柵試驗(yàn)研究仍然是取得葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的重要手段,是葉柵理論的重要組成部分[4]。本文針對外涵支板融合OGV結(jié)構(gòu)進(jìn)行了50%葉高的平面葉柵流場數(shù)值計(jì)算及葉柵吹風(fēng)試驗(yàn),主要研究目的是通過平面葉柵試驗(yàn)檢驗(yàn)支板融合OGV結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)性能,驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性。
目前國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)建立了自己的風(fēng)洞試驗(yàn)臺并進(jìn)行了各類平面葉柵試驗(yàn)[5-7]。本文的平面葉柵試驗(yàn)在南航的暫沖式跨音速平面葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)臺上進(jìn)行。試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該試驗(yàn)臺由快速閥、流量調(diào)節(jié)閥、擴(kuò)張段、穩(wěn)定段、收斂段、工作段以及轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤等幾個(gè)主要部分組成。
圖3 平面葉柵風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖
如圖4所示,支板融合OGV平面葉柵試驗(yàn)件由支板、OGV葉片以及輔助葉片構(gòu)成。葉片均為支板融合OGV結(jié)構(gòu)50%葉高處葉型的直葉片,葉高90mm,上下端壁蓋板為800mm×200mm。
圖4 平面葉柵試驗(yàn)件
如圖5所示,葉柵中部為支板(Strut),靠近支板壓力面?zhèn)鹊牡?個(gè)OGV葉片為PS1,第2個(gè)葉片為PS2;靠近支板吸力面的第1個(gè)OGV葉片為SS1,第2個(gè)葉片為SS2,其余以此類推。其中PS1、PS2、PS3、SS1、SS2、SS3也就是最靠近支板兩側(cè)的6個(gè)葉片葉型各不相同,其余OGV葉片均為葉型相同的普通OGV。實(shí)際試驗(yàn)測量過程中只測量PS6-SS5之間的11個(gè)OGV及1個(gè)支板葉片, PS6和SS5外側(cè)的OGV葉片均為輔助葉片,目的是為了保證葉柵流場的周期性。
圖5 平面葉柵葉片分布
支板融合OGV葉柵模型如圖6所示,網(wǎng)格采用AutoGrid5自動(dòng)生成,上下端壁為固壁邊界,生成的網(wǎng)格數(shù)約為565萬。
圖6 支板融合OGV平面葉柵模型
計(jì)算采用商用軟件NUMECA FINE/Turbo,湍流模型為Spalart-Allmaras。設(shè)計(jì)點(diǎn)的進(jìn)出口邊界條件如表1所示。
(2) 量取30 mL花生油倒入炒鍋內(nèi)加熱至八成熱時(shí)加入生姜、蒜米、蔥、香菜爆香,然后加入茶葉、花生等其他原料,加10 mL水防黏鍋,翻炒至香味漸濃、茶葉脆斷即可。
表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)出口邊界條件
受限于風(fēng)洞尺寸,需要對原始支板融合OGV葉柵進(jìn)行一定的縮尺,縮尺比例為1∶4.5。對原始尺寸葉柵以及縮尺后的葉柵進(jìn)行了設(shè)計(jì)點(diǎn)流場計(jì)算,并比較了不同的紊流模型,其中縮尺葉柵選取了S-A,kω-SST無轉(zhuǎn)捩以及kω-SST轉(zhuǎn)捩模型。
各模型的出口總壓及出口氣流角沿切向分布,如圖7、圖8所示。不同縮尺模型的出口總壓分布基本重合,一致性較好,出口氣流角差別最大值出現(xiàn)在支板兩側(cè),約為0.5°,差別較小。
圖7 不同模型出口總壓切向分布
圖8 不同模型出口氣流角切向分布
出口的計(jì)算平均值如表2所示。不同的紊流模型縮尺葉柵以及原始葉柵的出氣角均在0°附近,總壓恢復(fù)系數(shù)也基本接近。
表2 縮尺模型與原始葉柵計(jì)算結(jié)果比較
為了解支板融合OGV全工況氣動(dòng)性能,對支板融合OGV結(jié)構(gòu)葉柵進(jìn)行攻角研究,計(jì)算不同進(jìn)口馬赫數(shù)下的攻角特性線。
圖9為進(jìn)口馬赫數(shù)分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8以及0.85下的葉柵攻角損失特性線。從圖中可以看出,當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)較低,在0.5以下時(shí),葉柵的特性線完整,攻角范圍較大,葉柵的整體損失也不大;進(jìn)口馬赫數(shù)增大至0.6時(shí),葉柵在負(fù)攻角下的損失明顯增大;當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)增大到0.7時(shí),葉柵在大負(fù)攻角下到達(dá)堵點(diǎn),攻角范圍減?。浑S著背壓的不斷降低,葉柵在負(fù)攻角下氣流堵塞愈來愈嚴(yán)重,進(jìn)口馬赫數(shù)無法上升,當(dāng)馬赫數(shù)繼續(xù)增大至0.8時(shí),負(fù)攻角下的葉柵全部達(dá)到堵塞點(diǎn),特性線缺失,攻角范圍變得很小,只剩下部分正攻角,且總體的損失進(jìn)一步增大。
圖9 不同進(jìn)口馬赫數(shù)下的攻角特性線
為了研究進(jìn)口馬赫數(shù)增大、葉柵負(fù)攻角范圍減小的原因,查看-2°攻角下,4個(gè)不同進(jìn)口馬赫數(shù)下的馬赫數(shù)云圖,如圖10所示,從中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)增大,吸力面局部加速區(qū)速度逐漸增大至超音,且超音區(qū)域不斷擴(kuò)大,形成的激波堵塞葉柵通道,使得進(jìn)口馬赫數(shù)無法繼續(xù)增大,因此葉柵的負(fù)攻角范圍減小。同時(shí)激波的存在也使得葉柵的損失急劇增大。
圖 10 i=-2°時(shí)不同進(jìn)口馬赫數(shù)下葉柵馬赫數(shù)云圖
本次試驗(yàn)進(jìn)行了支板融合OGV平面葉柵在進(jìn)口馬赫數(shù)M1=0.4,攻角i=-6°、0°、+10°以及進(jìn)口馬赫數(shù)M1=0.7,攻角i=0°下4個(gè)工況點(diǎn)的吹風(fēng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果及分析如下所述。
圖11為不同攻角i及進(jìn)口馬赫數(shù)M1下,出口50%葉高處總壓損失系數(shù)切向分布的試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果比較??傮w上來看,試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律基本一致。OGV葉片的尾跡損失相對較小,葉柵的支板尾跡損失較大,最大損失約為OGV的兩倍。當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)為0.4時(shí),正、負(fù)攻角下葉柵與零攻角相比損失整體有所上升,且正攻角下尾跡增大尤為明顯;零攻角下,M1=0.7相比于M1=0.4,葉柵的損失也整體上升。
圖 11出口總壓損失系數(shù)沿切向分布
圖11中實(shí)線為計(jì)算結(jié)果,黑散點(diǎn)為試驗(yàn)測量結(jié)果。
從圖12的出口切向氣流角分布試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果來看,支板的存在使得支板兩側(cè)的出氣角變化較大,遠(yuǎn)離支板的出氣角基本在0°附近;在大的正攻角下,由于支板吸力面?zhèn)鹊姆蛛x,氣流出現(xiàn)虧轉(zhuǎn),出氣角減小。
本文采用數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對支板融合OGV結(jié)構(gòu)平面葉柵進(jìn)行了研究,分析了葉柵的攻角特性、尾跡分布規(guī)律。通過研究發(fā)現(xiàn):
圖12 出口氣流角沿切向分布
1) 通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)使用縮尺后的葉柵與原始尺寸葉柵流場一致性較好,確定了試驗(yàn)的可行性。
2) 葉柵在低馬赫數(shù)下,損失較小,攻角范圍較大。當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)不斷增大,大負(fù)攻角下,葉柵通道內(nèi)的局部超音區(qū)不斷擴(kuò)大并進(jìn)入葉柵通道內(nèi)形成堵塞,使得負(fù)攻角范圍減小,損失急劇增大。
3) 進(jìn)行了50%葉高的平面葉柵試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果有較好的一致性,驗(yàn)證了攻角以及進(jìn)口馬赫數(shù)對葉柵損失的影響;同時(shí)發(fā)現(xiàn)大攻角時(shí),支板會對OGV的軸向出氣有較大影響。