單級跨聲風扇處理機匣徑向傾角變化對性能的影響

黃 磊，余華蔚，吳艷輝

(1.中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500；2.西北工業大學動力與能源學院，陜西西安710072)

1 引言

軸向傾斜縫機匣處理因具有顯著擴大壓氣機穩定工作范圍的能力而受到國內外學者的關注。早期采用的測量技術及流場顯示技術分析這些復雜的流動現象仍有很大的不足，使得以前的實驗研究往往局限于獲得總體性能或者基元級性能參數，或者比較不同處理機匣結構的擴穩效果優劣。至今為止，人們對該形式機匣處理影響壓氣機性能及流場的機制尚未完全清楚。

隨著計算流體力學及計算機技術的發展，國內外一些學者開始嘗試對軸向傾斜縫機匣處理進行數值模擬。從目前縫式機匣處理數值模擬的相關文獻可知，對其流動機理相關研究工作做得比較多[1～5]，而對傾角變化對性能的影響做的研究較少。

傾角是處理機匣設計過程中一個很重要的參數，會影響效率、壓比和裕度等重要指標。本文采用定常數值方法模擬某單級跨聲速風扇流動，探索機匣處理徑向傾角變化對壓氣機轉子內部流場及性能影響的流動機理。

2 單級風扇及處理機匣結構

本文的研究載體為某單級跨聲速風扇，由一排轉子和一排靜子組成。

本文的兩種處理機匣除徑向傾角有所不同外，其余結構完全一致。其設計參數見表1，結構示意見圖1，計算網格見圖2。

表1 處理機匣設計參數Table 1 Design parameters of casing treatment

3 數值計算方法

使用CFD軟件NUMECA進行數值計算。具體計算方法為：結合Spalart-Allmaras湍流模型，并采用有限體積中心差分格式對三維雷諾時均Navi?er-Stokes方程進行求解；采用顯式四階龍格庫塔法時間推進以獲得數值解，同時加入二階和四階人工粘性項來消除數值計算過程中的偽數值振蕩。使用多重網格法、局部時間步長等措施加速計算。

對于縫式處理機匣結構，由于其非軸對稱性，因此計算中采用分區網格技術。處理機匣與轉子通道間的交接面處理為滑移面，滑移面兩側采用超線性插值的方法進行參數傳遞。

兩種帶處理機匣的計算總網格數都約為138萬。計算邊界條件為：固體壁面為絕熱無滑移邊界條件；進口延伸段設為總壓、總溫分布方式，沿軸向進氣；靜子延伸段出口設為平均靜壓方式。

4 數值模擬結果分析

4.1 總性能分析

數值計算在設計轉速30 000 r/min下進行。圖3給出了100%設計轉速下實壁機匣、機匣1、機匣2的特性曲線對比。從圖中看，帶處理機匣的近堵點流量要略小于原型風扇的近堵點流量。帶處理機匣后，擴大了其穩定工作范圍。

運用裕度改進量公式進行計算，100%設計轉速下機匣1、2對原型風扇級性能的改變如表2所示：機匣1的裕度改進量為3.55%，效率下降了3.9%；機匣2裕度改進量為3.67%，效率下降了3.5%。

表2 100%設計轉速下機匣1、2對原型風扇級性能的改變Table 2 Impact of treated casings on fan performance at 100%design speed

4.2 機匣1、2對流場影響的分析

圖4對比了機匣1、2相對于實壁機匣近失速時刻葉頂的相對馬赫數云圖。由于實壁機匣的近失速工況流量是堵塞工況流量的99.8%，故選取各個機匣相應工況時，同樣按照堵塞工況流量99.8%對應工況選取，下同。從圖中看，兩種機匣的激波位置都向葉片尾緣移動，這也是兩種機匣都能擴穩的原因之一。另外，兩者的變化不大，從葉頂吸力面分離角度來說，機匣1作用更明顯，分離更小，而機匣2作用的范圍略小，分離要大些。但機匣1處理后，葉頂流道相對馬赫數為1的等值線相對較直，接近于正激波；而機匣2的葉頂流道相對馬赫數為1的等值線偏斜，造成的損失相對較小。另外，機匣2的靜子葉頂損失也要小些。

圖5給出了約99%葉高處S1流面上的相對速度矢量對比。從圖中看，兩種機匣的流動分離現象與圖4中的一致。實壁機匣時，在葉片通道內有兩處速度很低的區域(圖5(a)中A、B兩個圓形標注區)，這兩處區域有逆流和二次流出現，其高低速度交接面近似垂直軸向，使得氣流只能從靠近葉片壓力面流進或流出葉片通道。反觀圖5(b)、圖5(c)，機匣處理后，在傾斜縫中形成的噴射流的作用下，葉頂通道內的低速氣團得到了有利的激勵，不僅消除了其旋渦狀的流動形態，而且增大了葉頂通道的有效流通面積及流通能力，從而都延緩了壓氣機轉子失速的發生。從機匣1與機匣2的對比來說，機匣2的尾跡損失略小，且逆流以及二次流也相對較小，因此其擴穩能力及效率略高。

圖6為處理機匣選取的截面示意圖，17～21分別為各個機匣選取的截面代號。圖7為兩種處理機匣在實壁機匣近失速工況的縫內流動對比。

從圖中看，機匣1縫內利用轉子通道內部存在的壓差，在面18和面19有從后面往前面的抽吸射流運動且比較明顯，其中面18的上游有少量反流；面20和面21也出現了少量反流；而在面17出現了比較明顯的反流和旋渦，這非常不利于改善流動，從而導致縫內流動紊亂，效率損失較大。

機匣2縫內利用轉子通道內部存在的壓差在面19有從后面往前面的抽吸射流運動且較明顯；而面18出現明顯的旋渦和少量的反流；面20和面21比較類似，出現少量反流和一些從下游向上游的抽吸噴射運動；面17出現較明顯的反流，這也非常不利于改善流動，導致縫內流動紊亂，效率損失較大。

由于本文主要考量的是傾角變化對風扇性能的影響，對擴穩同時帶來的效率損失并沒有做過多的結構優化。機匣2與機匣1相比，其逆流強度略弱，且自后向前的抽吸射流運動略強，因此機匣2(45°)的損失要小些，且擴穩能力略強于機匣1(60°)。

5 結論

(1)利用本文設計處理機匣結構能有效提高跨聲速風扇的失速裕度，但同時也給風扇帶來一定的損失。

(2)處理機匣結構的引入能有效抑制間隙泄漏流動及間隙泄漏渦破裂現象的發生。

(3)利用轉子通道內部存在的壓差，一方面，處理機匣能將激波與間隙泄漏渦作用后產生的低能阻塞團抽吸進入處理槽，有效地消除通道阻塞；另一方面，處理機匣能將這部分流體向風扇轉子上游區域輸運并射入主流，增加了轉子的軸向動量，有效地抑制了間隙泄漏渦破裂現象的發生。

(4)徑向傾角選為45°比選為60°的損失略小，且擴穩能力略強。本研究對類似單級跨聲速風扇處理機匣設計具有一定的參考價值。

[1]Wilke I，Kau H P.A Numerical Investigation of the Flow Mechanisms in a HPC Front Stage with Axial Slots[R].ASME GT2003-38481，2003.

[2]盧新根，楚武利，張燕峰.跨音速壓氣機間隙流與處理機匣相互作用分析[J].西安交通大學學報，2006，40(11)：1357—1360.

[3]王永明，胡 駿，屠寶鋒，等.帶處理機匣的跨聲速風扇非定常數值模擬[J].南京航空航天大學學報，2006，38(5)：540—544.

[4]祝劍虹，樸 英，周建興.跨聲壓氣機縫式處理機匣非定常模擬研究[J].航空動力學報，2007，23(5)：882—888.

[5]Emmrich R，Kunte R，H?nen H，et al.Time Resolved In?vestigation of an Axial Compressor with Casing Treatment Part 2-Simulation[R].ASME GT2007-27582，2007.