趙清周,廖明夫,劉前智

(西北工業(yè)大學 動力與能源學院,西安 710072)

壓氣機部件的氣動性能在很大程度上決定了航空發(fā)動機的整體性能。長期以來,人們在壓氣機性能改進和提升方面開展了大量研究工作,提出了帶彎掠葉片技術、串列葉片技術、大小葉片技術、吸附式壓氣機技術等一系列壓氣機新技術,為壓氣機性能提升發(fā)揮了重要作用。

葉片基元截面重心連線所形成的積迭線沿軸向傾斜稱為掠,沿周向傾斜稱為彎。彎曲設計在壓氣機靜葉中得到了較廣泛的應用[1],而掠設計則在壓氣機動葉特別是風扇中得到了推廣[2],葉片彎和掠都有控制葉柵通道內壓力梯度的作用。隨著相關學科的發(fā)展[3],彎掠葉片成型規(guī)律的研究逐漸形成了“彎掠葉片動力學”分支學科。白杰等[4]對某航空發(fā)動機風扇轉子葉片物理模型進行彎掠優(yōu)化設計,改善在設計工況下的總壓比和等熵效率。優(yōu)化設計后的葉片可減小葉尖泄漏損失和端壁損失,提高風扇在設計點的氣動性能。彎掠葉片能使流動得到優(yōu)化, 有效抑制葉柵內部二次流動。

70年代末,Bammert等[5]在多級軸流壓氣機中間級采用了串列轉子設計,并對串列葉片優(yōu)化設計問題開展了大量研究工作。此后,Wu等[6]在低速條件下對多圓弧串列葉柵進行了研究。魏巍等[7]針對某小型壓氣機高負荷軸流級大彎角靜子,采用串列葉片技術進行改型設計。改型后的靜子可以更為均勻地分配前后葉片的載荷,有利于葉片附面層流動的控制。近年來,張金歐文等[8]采用高自由度的復合彎掠三維葉片造型設計方法,對軸流壓氣機前后排葉片進行協(xié)同雙目標優(yōu)化設計。優(yōu)化結果顯著抑制了正攻角工況下串列靜子葉片流道內的氣流分離,緩解了負攻角工況下串列靜子葉片縫隙通道內的氣流堵塞。

大小葉片技術是在常規(guī)的壓氣機轉子葉片之間加入小葉片的壓氣機氣動布局,通常在離心壓氣機中用以增大葉輪后部的稠度。在二十世紀七十年代,Wennerstrom等[9]在設計一個高負荷軸流壓氣機級時首次加入了小葉片,實驗結果證明,小葉片的加入可以明顯地增加轉子的做功能力。北京航空航天大學陳懋章教授的課題組在大小葉片機理和設計技術方面進行了大量的研究,并成功地進行了工程驗證和應用。嚴明與陳懋章[10]針對一個高速大小葉片壓氣機,分析了小葉片的作用及優(yōu)化方向。張永新[11]針對一個低速大尺寸的大小葉片壓氣機進行了分析,發(fā)現被小葉片分開的兩個槽道的流動差異較大。李海鵬[12]則從非定常流動角度進一步分析了小葉片對壓氣機性能的影響。

單級吸附式跨聲速壓氣機是美國IHPTET計劃在壓氣機設計方面的主要標志性成果之一。

Merchant[13]設計完成的吸附式壓氣機,在設計點附近,實測總壓比為3.2,設計轉速線上最高效率接近88%。Kerrebrock于1980提出了用附面層吸氣控制技術來提高軸流壓氣機葉片負荷的設計思想,其后, Reijinen等[14]實驗證實,吸氣能夠提高氣流的偏轉角和靜壓升,延遲轉子中旋轉失速區(qū)域的形成。在國內,蘭發(fā)祥等[15]對跨/超聲速兩個吸附式壓氣機平面葉柵進行了試驗研究,通過改變抽氣縫位置、抽氣量、激波位置和強度來比較抽吸效果。曹志遠等[16]基于“曲率誘導‘偽激波’”理念的吸附式壓氣機葉片設計方法,設計了3種高負荷吸附式葉片。該吸附式葉片依然可保持無分離的特性,為提高壓氣機負荷和穩(wěn)定裕度提供了科學依據。

采用新技術的壓氣機能夠以更少的級數達到更高的增壓比、更高的效率和工作穩(wěn)定裕度,為航空發(fā)動機性能的提升發(fā)揮了重要作用。但是,上述大部分研究主要以結構上對稱均勻的葉片排為基礎,每一個流道的氣體流動是一致的,主要針對單一流道進行優(yōu)化和控制,壓氣機整體氣動性能的進一步提升受到一定的局限。

航空發(fā)動機不僅僅在設計點運行,大部分時間都工作在偏離設計點的狀態(tài)。因此,良好的壓氣機設計既要保證設計點處壓氣機氣動性能優(yōu)良,同時,還要考慮偏離設計狀態(tài)時,壓氣機仍然要具有較高的性能。而利用傳統(tǒng)對稱均勻分布的葉片排實現壓氣機全工況下高性能設計具有較大的困難。

為此,劉前智和廖明夫[17-20]提出了4種葉片系列構型,在不同軸向位置上,將若干個葉片的前緣和后緣沿圓周方向彼此交錯排列,構成壓氣機的一個葉片排。在同一葉排上,形成若干個不同的流道,打破了葉片排均勻對稱的局限。對每一種葉片系列構型,可通過特征參數的優(yōu)化設計實現不同的設計目標。這4種葉片系列構型結構布局不同,特征參數有別,故對應的優(yōu)勢和設計方法有所不同。這為優(yōu)化和提升壓氣機綜合氣動性能,特別是為實現壓氣機特殊性能設計目標提供了廣闊的優(yōu)化空間,開辟了一條新途徑。為概括地描述這4種葉片系列構型,本文統(tǒng)一定義它們?yōu)镹PU-劉-廖葉片系列構型,簡稱NPU-LL葉片系列構型。

1 NPU-LL葉片系列構型及其特征參數

NPU-劉-廖葉片技術是西北工業(yè)大學提出的一種壓氣機葉片氣動布局構型新技術[17-20],簡稱LL葉片技術。該項技術的核心是在葉片排布局上打破常規(guī)軸流壓氣機圓周方向上完全均勻對稱的結構布局,將若干個葉片的前緣和后緣在不同軸向位置上沿圓周方向彼此交錯排列,構成壓氣機的一個葉片排。在同一葉排上,形成若干個不同的流道,打破了葉片排均勻對稱的局限。葉片排的不均勻布局增加了一些獨有的、可調整的特征參數,如前緣交錯量、后緣交錯量、周向間距、葉片轉角以及葉型等。通過改變這些特征參數及其組合方式,可從多個角度優(yōu)化設計壓氣機的性能,實現對流動的有效控制,提高壓氣機的氣動性能。NPU-LL葉片主要有4種構型系列,根據葉片不同的軸向位置排列方式分別命名為123構型、122構型、132構型和12321構型。其中的數字代表構型中不同葉片的序號。葉片序號以前緣軸向位置的前后順序排列,1號葉片為前緣軸向位置最靠前的葉片。前緣軸向位置相同的葉片具有相同的序號,例如122和12321構型中,具有兩個2號葉片。但須注意,葉片序號相同,但葉片并不一定相同。以下分別介紹這4種構型系列的結構特征和參數。

1.1 123葉片構型

123葉片構型布局中,每相鄰的3個葉片為一組,根據葉片前緣位置,由前到后依次命名為1號葉片、2號葉片和3號葉片。以1號葉片的前緣軸向位置為基準,與其相鄰的2號葉片位于1號葉片的葉背表面一側,其前緣位置沿軸向后移。3號葉片位于2號葉片的葉背表面一側,其前緣相對于2號葉片的前緣沿軸向后移。1號葉片和2號葉片前緣軸向間距定義為前緣交錯量a1;2號葉片和3號葉片前緣軸向間距定義為前緣交錯量a2。1號葉片和2號葉片后緣軸向間距定義為后緣交錯量e1;2號葉片和3號葉片后緣軸向間距定義為后緣交錯量e2。下文另外3種葉片構型交錯量定義與此相同。

123葉片構型布局如圖1所示。其中,1號葉片葉背和2號葉片葉盆構成流道A,2號葉片葉背和3號葉片葉盆構成流道B,3號葉片葉背和1號葉片葉盆構成流道C。由于不同流道的流動情況不同,對3種葉片,可以選擇不同的安裝角和葉型進行流動優(yōu)化。123葉片構型特征參數及其建議的取值范圍如表1所列。

圖1 123葉片構型葉柵布局

表1 123葉片構型特征參數

由表1可見,123葉片構型共有14個特征參數。其中,軸向寬度L由壓氣機整機氣動和結構要求確定。其余13個參數皆為壓氣機性能設計的可變參數,可根據性能設計的目標和要求進行優(yōu)化匹配。

前緣交錯量和后緣交錯量皆以葉排軸向寬度L為參考基準,構成相對交錯量,其它3種葉片構型也沿用這一定義。根據前期的初步研究,并考慮到葉片的強度要求,特別是動強度要求,表中建議了前、后緣交錯量的取值范圍為4%～15%。4個前、后緣交錯量是獨立可變量,可根據設計目標優(yōu)化選擇。

葉片安裝角βy1,βy2和βy3的設計方法是,先根據氣流進口條件確定βy1,并選擇βy2=βy3=βy1作為優(yōu)化設計的初始條件。在設計時,可保持βy1不變,以前緣為基準,改變安裝角βy2和βy3。根據前期研究結果,表中給出變化的范圍為1°～6°。安裝角βy1,βy2和βy3也是獨立變量,由優(yōu)化設計確定。

在實際設計時,根據設計目標和具體要求,應對上述特征參數進行綜合優(yōu)化和匹配,可最大限度地實現設計目標。

目前,核心的研究任務是,揭示特征參數的影響機理和規(guī)律,為優(yōu)化設計提供理論基礎和設計準則。

1.2 122葉片構型

在122葉片構型布局中,每相鄰的3個葉片為一組,如圖2所示,前緣軸向位置最靠前的葉片為1號葉片,另外兩個葉片為2號葉片,它們的前緣和后緣均軸向對齊,相對于1號葉片前緣軸向后移,錯開排列。

圖2 122葉片構型葉柵布局

1號葉片葉背和2號葉片葉盆構成流道A;2號葉片葉背和另一個2號葉片葉盆構成流道B;2號葉片葉背和1號葉片葉盆構成流道C。

設計時,根據流動控制要求,可獨立優(yōu)選,或綜合匹配3個葉片的安裝角。此外,對3個葉片,同樣可以選取不同葉型進行流動優(yōu)化。此葉片構型的特征參數如表2所示。

表2 122葉片構型特征參數

表2列出了122葉片構型的特征參數。122構型特征參數的定義和取值范圍與123構型相似。兩個2號葉片只是前緣軸向位置一樣,實際設計時,可采用不同葉型和安裝角,安裝角變化也是獨立的。其余特征參數在可調范圍內均可優(yōu)化組合,以獲得設計要求的氣動性能。

1.3 132葉片構型

132葉片構型布局也以相鄰的3個葉片為一組,如圖3所示,根據前緣軸向位置,從前到后三個葉片依次命名為1號葉片、2號葉片和3號葉片。以1號葉片前緣位置為基準,3號葉片位于1號葉片葉背一側,前緣軸向位置后移;2號葉片位于3號葉片葉背一側,前緣軸向位置相對3號葉片前移。與123葉片構型中特征參數定義相似,1號葉片和2號葉片前緣軸向間距為前緣交錯量a1,2號葉片和3號葉片前緣軸向間距為前緣交錯量a2。

圖3 132葉片構型葉柵布局

在132葉片構型布局中,1號葉片葉背和3號葉片葉盆構成流道A;3號葉片葉背和2號葉片葉盆構成流道B;2號葉片葉背和1號葉片葉盆構成流道C。3個葉片的安裝角均可優(yōu)化,以實現流動控制。同樣,3個葉片可以采用不同葉型進行流動優(yōu)化。表3所示為132葉片構型的特征參數。

表3 132葉片構型特征參數

132葉片構型特征參數與123葉片定義和可優(yōu)選的范圍相同,但構成流道的葉片相對位置不同,故特征參數對流動特性的影響不同。

1.4 12321葉片構型

圖4表示12321葉片構型布局。該布局中,以4個葉片為一組,其中有兩個葉片前緣軸向位置相同,每組葉片前緣連線呈波形排布,后緣連線也可按波形排布。根據葉片前緣位置,從前向后依次命名為1號葉片、2號葉片、3號葉片。以1號葉片前緣位置為基準,第一個2號葉片位于1號葉片葉背一側,前緣軸向位置后移;3號葉片位于第一個2號葉片葉背一側,前緣軸向位置繼續(xù)后移;第二個2號葉片位于3號葉片葉背一側,前緣位置前移。交錯量定義與前面3種構型類似。

圖4 12321葉片構型葉柵布局

12321葉片構型共有4個不同流道。1號葉片葉背與第一個2號葉片葉盆構成流道A;第一個2號葉片葉背和3號葉片葉盆構成流道B;3號葉片葉背和第二個2號葉片葉盆構成流道C;第二個2號葉片和1號葉片葉盆構成流道D。由于不同流道的流動情況不同,故針對4種葉片,可優(yōu)化安裝角,設計不同葉型,例如,1號葉片設計成后加載,而第一個2號葉片和3號葉片可設計成前加載,第二個2號葉片為均勻加載,以進行流動控制和優(yōu)化,有可能取得既提高穩(wěn)定性、又提高壓比的效果。12321葉片構型特征參數如表4所示。

表4中同樣給出了12321葉片構型總體結構和葉片的特征參數,此構型通道數最多,流動最為復雜,每組4個葉片的葉型和安裝角都是獨立參數。同樣,兩個2號葉片只是前緣位置相同,相關特征參數并不關聯。因此,通過調節(jié)特征參數對流動進行控制的組合方式更靈活。

表4 12321葉片構型特征參數

12321葉片構型以每組葉片為單元周期排列。同組葉片按照前面葉片軸向后移,后面葉片相對軸向前移進行排布,葉片前緣位置和后緣位置連線均近似呈正弦波分布,如圖5所示。但后緣位置連線可選任意分布形式。同組內相鄰兩葉片構成流道都有差異。因此,每個葉片的葉型和安裝角都可以根據氣動設計要求獨立改變。這種構型不局限于4個葉片為一組,可以擴展到6個,甚至8個一組。

圖5 葉片前、后緣波形排布

1.5 NPU-LL葉片氣流控制的機理

NPU-LL葉片系列構型布局突破了傳統(tǒng)壓氣機均勻布局形式。以圖6所示的12321葉片構型為例來說明NPU-LL葉片影響氣流流動特性的機理。在12321葉片構型中,構成氣流通道的相鄰葉片葉背和葉盆處于不同的軸向位置。當位置在前的葉片工作在大的進氣正攻角狀態(tài)時,由前葉片葉盆表面對流入氣流的限制與導向作用,導致后面葉片的進口氣流攻角減小,從而使后葉片構成的流道流動得到改善,提高了壓氣機的氣動穩(wěn)定性,進而達到提升氣動穩(wěn)定性的效果。

圖6 NPU-LL葉片構型流動控制機理

1號葉片和第二個2號葉片葉盆表面相對軸向位置在前面,對流道C和流道D的作用加強,流道中的流動條件將得到改善。

對構成流道A和流道B的第一個2號葉片和3號葉片,可設計較大的安裝角,由此可增大氣流轉折角,有可能增大做功量,提高壓比。

概括而言,NPU-LL葉片具有至少14個可優(yōu)選的設計參數,大幅度增加了壓氣機優(yōu)化設計的空間和維度,為實現壓氣機不同的設計目標、提升壓氣機的綜合氣動性能提供了潛力很大的研究方向。

2 NPU-LL葉片系列構型流動特性

為清晰闡明NPU-LL葉片的特點和優(yōu)勢,在亞音速進氣條件下,仿真分析和比較二維葉柵中氣流的流動特性。為便于比較,首先計算常規(guī)葉柵的流動特性。簡單起見,計算中,NPU-LL葉片的所有葉型與常規(guī)葉片相同,軸向寬度L、葉柵稠度、進口氣流條件均與常規(guī)葉柵相同,如表5所示。

表5 進口氣流參數

2.1 常規(guī)葉片流動特性

圖7表示常規(guī)葉柵中的馬赫數分布。由圖可見,由于對稱均勻分布,常規(guī)葉柵中,每一流道氣流的流動是相同的。若要對流場進行控制,只能針對一個葉片進行參數優(yōu)化?？勺兊目臻g和維度受到局限。

圖7 常規(guī)葉片構型流動馬赫數分布

2.2 123葉片構型流動特性

計算條件為:進口氣流參數相同;葉型相同;前、后緣軸向交錯量均為10%;周向間距均布。在此條件下,計算得到123葉片構型布局下氣流的流動結果,如圖8所示。圖8是123葉片內部馬赫數分布情況,其中1號、2號和3號葉片安裝角相同,皆為59.5°。由圖可見,葉柵中,由于葉片軸向位置不同,共有3個不同流道。其中,流道A中氣流分離區(qū)較明顯,3號葉片的后移和流道A的影響會導致流道B的氣流分離區(qū)同樣較大。

圖8 123葉片構型流動馬赫數分布(葉片安裝角59.5°)

流道C由1號葉片葉盆和3號葉片葉背構成,1號葉片葉盆位置靠前,流道C的流動將會得到改善。因此,流道C的流動情況較顯著地優(yōu)于流道A和流道B,這樣會阻止流道A和流道B的分離區(qū)沿葉柵切向的傳播,可使得氣動穩(wěn)定性得到改善。

圖9是相同進口條件下123葉片內部馬赫數分布情況,其中2號和3號葉片安裝角增大2°,即達到61.5°。由于后葉片安裝角增大2°,使得流道B的擴張程度有所降低,因而會使流動分離減小。另外,后葉片安裝角增大后使得氣流流過葉柵的轉折角增大,流道A和流道B中的氣流流動也得到改善。

圖9 123葉片構型流動馬赫數分布(2和3號葉片安裝角增大2°,安裝角61.5°)

2.3 122葉片構型流動特性

122構型中,后兩個葉片軸向位置相同,但仍然有3個不同形式的流道。計算條件亦為:進口氣流參數相同;葉型相同;前、后緣軸向交錯量均為10%;周向間距均布。在此條件下,計算的結果如圖10所示,其中,3個葉片的安裝角皆為59.5°。

圖10 122葉片構型流動馬赫數分布(葉片安裝角59.5°)

由于第一個2號葉片的后移,流道A與其它兩個流道相比,氣流分離較大。流道A附面層分離較為明顯。但流道B和流道C內氣流流動情況與常規(guī)葉柵相比明顯改善,而流道C內流動情況達到最佳狀態(tài)。流道B和流道C內流動的改善會抑制流道A內分離區(qū)沿切向的傳播,同時,可提升整體的氣動性能。

改變兩個2號葉片的安裝角可加強對流道A內氣流的控制。將兩個2號葉片的安裝角增大2°,即達到61.5°,計算結果如圖11所示,流道A流動改善,流道B和C分離區(qū)有所增大。

圖11 122葉片構型流動馬赫數分布(2號葉片安裝角增大2°,安裝角61.5°)

2.4 132葉片構型流動特性

132葉片構型同樣有3個不同形式的流道。利用上述相同的計算條件,計算132葉片內部的馬赫數分布,結果如圖12所示。由圖可見,流道A由軸向位置最靠后的3號葉片和軸向位置最靠前的1號葉片構成。因此,流道A內附面層分離較為明顯。但流道B和流道C與常規(guī)葉柵內部流動相比,流動得以顯著改善,分離區(qū)幾乎消失。

圖12 132葉片構型流動馬赫數分布(10%交錯量)

維持其它條件不變,僅將前、后交錯量減小到5%,計算132構型馬赫數分布情況,結果如圖13所示。通過改變交錯量改善了流道A的流動情況,流道A的分離區(qū)域減小,總體流動情況改善明顯。兩種情況下流道B和C都能較好地抑制流道A分離區(qū)的蔓延,提高總體氣動性能。

圖13 132葉片構型流動馬赫數分布(5%交錯量)

2.5 12321葉片構型流動特性

12321構型作為NPU-LL葉片系列葉柵布局中最為復雜的結構,包括4個不同流道,內部流動也更為復雜。可以認為它是123構型和132構型的組合構型。

在前述計算條件下,計算12321葉片構型不同流道內流動情況,圖14為計算結果。構成流道A和流道B的葉片葉盆軸向后移,流道內分離區(qū)較為明顯。但流道C內流動改善明顯,一是由于氣流到達3號葉片前緣攻角減小;二是由于第四個葉片前移增強了對氣流的約束。流道D的流動情況與132型葉柵流道C流動類似,氣流流動達到最佳狀態(tài),可以有效抑制流道A、B分離區(qū)的擴散,提高整個流動的穩(wěn)定性。

圖14 12321葉片構型流動馬赫數分布

上述的算例中,采用了相同的交錯量、相同的葉型和相同的安裝角,并未充分優(yōu)化和匹配特征參數,僅作為簡單示例,說明NPU-LL葉片構型的基本特點和潛在優(yōu)勢。若再進一步進行多參數優(yōu)化,葉柵性能的改善將會更加突出。

3 NPU-LL葉片構型平面葉柵設計算例

NPU-LL葉片構型系列葉柵布局在提升氣動性能上具有很大潛力。本文計算NPU-LL葉片構型系列葉柵性能,作為仿真驗證的算例。為保證計算結果有對比性,常規(guī)葉柵葉型、軸向寬度以及稠度和四種NPU-LL葉柵相同。進氣條件為馬赫數0.6,常規(guī)葉柵氣動性能如表6所示。

表6 常規(guī)葉柵氣動性能

由表6可知,隨著進氣攻角向負方向偏轉,常規(guī)葉柵流動損失急劇增加,氣流轉折角明顯減小,葉柵氣動性能惡化嚴重。

本算例中,相同的進氣條件下, NPU-LL葉片4種葉柵布局均采用10%的交錯量,相鄰葉片周向間距相等,所有葉片采用相同的葉型。4種NPU-LL葉片葉柵布局與常規(guī)葉柵攻角特性對比如圖15～圖18所示。[-8°,+8°]攻角范圍內NPU-LL葉柵性能如表7所示。

圖15 123構型和常規(guī)葉柵特性對比

圖16 122構型和常規(guī)葉柵特性對比

圖17 132構型和常規(guī)葉柵特性對比

圖18 12321構型和常規(guī)葉柵特性對比

表7 NPU-LL葉片系列構型葉柵氣動性能

如圖15所示,在負攻角范圍內,123葉片構型氣動性能與常規(guī)葉柵相比有明顯提升。流動損失減小,氣流轉折角增大,尤其是在較大的負攻角狀態(tài)下,優(yōu)勢顯著。在-8°進氣攻角條件下,常規(guī)葉柵損失系數為0.292,轉折角只有2.4°,而123構型損失系數為0.139,轉折角提升為8°。相比較而言,損失系數降低52.4%,轉折角提高2.3倍。

對于正攻角范圍,123型葉柵流動損失比常規(guī)型葉柵要大,但氣流轉折角比常規(guī)葉柵略高。根據流動特性(圖9)可以明顯看出,對于3號葉片葉背和1號葉片葉盆構成的通道,葉背的附面層分離區(qū)域比其它通道明顯要小,流通能力較強。

如圖16所示,122型葉柵攻角特性與123型葉柵類似。與常規(guī)葉柵相比,負攻角范圍性能提升更加明顯。進氣攻角為-8°時,常規(guī)葉柵的損失系數為0.292,而122葉片構型減小到0.15,降低了48.6%;常規(guī)葉柵氣流轉折角為2.4°,122葉片構型增加到7.7°,增加2.2倍,做功能力增強。

正攻角范圍122型葉柵氣動損失要高于常規(guī)葉柵。但122型葉柵只有前后兩種葉片,設計難度和加工成本與123型相比將會降低。

圖17和圖18表明,在攻角0～-4°范圍內,132構型和12321構型的性能與常規(guī)葉柵基本相同。從攻角-6°開始,性能明顯改善。

上述算例結果表明:在負攻角狀態(tài)下,NPU-LL葉片系列四種葉柵布局氣動性能與常規(guī)葉柵相比,都有不同程度的提升。特別是123型葉柵和122型葉柵,在較大的負攻角下,流動損失有明顯降低,氣流轉折角顯著增加。根據第2節(jié)流動特性分析,132構型在大攻角范圍內與常規(guī)構型相比也有一定的優(yōu)勢。因此,根據不同的氣動設計要求,都能找到合適的構型獲得最佳流動特性。由此可見,NPU-LL葉片系列提升壓氣機氣動性能的潛力很大。

算例中,采用了同一交錯量和相同的葉型,并未充分優(yōu)化和匹配特征參數。若再進一步進行多參數優(yōu)化,葉柵性能的改善將會更加突出。

算例只是一個初步的嘗試和驗證。來流條件假設都是均勻的,對于來流不均勻以及其它復雜流動,課題組將會在接下來的研究工作中開展研究。

在實際設計中,根據所要求的氣動性能設計目標,優(yōu)化交錯量、葉片安裝角以及葉型等特征參數,可以最大限度地提升壓氣機氣動性能。本文只討論了二維葉柵,對于真實葉片的三維設計,不同葉高可以采取不同的構型,每個構型的特征參數可以優(yōu)化組合。這樣,將可進一步發(fā)揮NPU-LL葉片系列構型的優(yōu)勢。此外,流動的非均勻性會對下游葉片排產生額外的氣動激勵,在設計下一級葉片排時,需要考慮氣流激振問題,這給葉片設計帶來一定難度。

以上驗證計算均為亞音速條件下的計算結果。當進口條件變?yōu)槌羲贂r,流道內部會出現激波。可通過改變NPU-LL葉片構型系列的特征參數進行流動控制,不僅可以改變流道內附面層分離情況,同時可以改變激波的位置、分布和強弱,改善和控制氣流流動特性的優(yōu)化空間很大,具有突出的發(fā)展前景。

文獻[21-24]研究表明,錯頻可以明顯提高葉片的氣動彈性穩(wěn)定性,且錯頻量越大,穩(wěn)定性越強。錯頻是抑制壓氣機顫振的有效手段。NPU-LL葉片構型系列不僅在提升氣動性能方面有獨特的優(yōu)勢,同時,同一級壓氣機葉片大小不同,葉型不同,這樣就形成了“先天”的大“錯頻”量,有利于抑制壓氣機的顫振。這也是NPU-LL葉片系列相對于常規(guī)葉片具備的又一個優(yōu)勢。

NPU-LL葉片系列的設計,包括氣動、結構、強度和工藝設計,與常規(guī)葉片相比復雜得多。但隨著研究的深入,在掌握參數影響規(guī)律和設計方法之后,利用目前的計算技術條件是可以解決設計問題的。另外,NPU-LL葉片系列的加工也較復雜。但目前的整體葉盤加工技術和未來的3D打印技術均可提供加工條件。

4 結論

NPU-LL葉片構型系列在改善壓氣機氣動性能和抑制顫振方面都有獨特的潛在優(yōu)勢。本文概括地介紹了NPU-LL葉片的構型特征和關鍵參數,對平面葉柵結構進行了初步的仿真計算和驗證,揭示了4種NPU-LL葉片系列構型的主要特征和潛在的優(yōu)勢,為進一步開展NPU-LL葉片的研究奠定了基礎。本文得到的結論如下:

1) NPU-LL葉片系列葉柵布局打破了傳統(tǒng)葉片均勻布局的局限,為提升壓氣機氣動性能提供了新的研究方向。

2) NPU-LL葉片構型包含了至少14個特征參數,形成了不同的氣流通道,為壓氣機氣動性能的優(yōu)化設計提供了充足的優(yōu)化空間,優(yōu)化設計特征參數,可以有效地進行流動控制,以滿足壓氣機不同的設計要求,特別是有利于擴大壓氣機的高性能工作范圍。

3) 初步研究結果表明,流動條件改善的流道可有效地抑制其它流道分離區(qū)的擴散,有可能提高壓氣機的氣動穩(wěn)定性。同時,后葉片安裝角的改變可增大氣流轉折角,會提高葉片負荷。調整交錯量可以改變葉片葉盆表面對氣流作用的強弱。此外,不同葉片選取不同葉型可進行流動匹配和優(yōu)化,進一步提高氣動性能。

4) 在本文的算例中,NPU-LL葉片系列葉柵布局與常規(guī)葉柵對比,負攻角狀態(tài)下流動損失有明顯減小,氣流轉折角增大。例如,在攻角為-8°時,123構型與常規(guī)葉柵相比,損失系數降低52.4%,氣流轉折角提高2.3倍。

5) NPU-LL葉片系列具有“先天錯頻”優(yōu)勢,可有效抑制壓氣機顫振。

本文僅對NPU-LL葉片系列進行了初步的探索,概括而言,NPU-LL葉片系列提升壓氣機氣動性能的潛在優(yōu)勢很大,有廣闊的應用前景,值得繼續(xù)深入研究。