抽吸氣對高負荷跨聲雙級風扇裕度影響的數值研究

白 尨，金海良，金東海，桂幸民

(北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191)

1 引言

目前，風扇/壓氣機正朝著高通流、高負荷和高效率方向發展。而高負荷葉片設計的難點在于，吸力面邊界層內低動能流體，在葉片流道中較強逆壓梯度作用下，易于從壁面分離，進而導致流道堵塞、損失增加、穩定裕度下降。因此，在深入研究風扇/壓氣機流道內復雜流場結構的基礎上，采取適當措施控制流動分離，使壓氣機在較高負荷水平下保持較高的效率和較寬廣的穩定工作范圍，已成為葉輪機械氣體動力學研究的一個重要方向。文獻[1]、[2]的研究表明，采用邊界層抽吸氣可將邊界層分離處的分離流引出，進而降低損失，保證靜子出口流場更加均勻，從而提高壓氣機性能。

1997年，Kerrebrock首先提出了吸附式壓氣機概念，并通過在跨聲速壓氣機葉片吸力面上激波發生處進行的吸氣實驗，提出了利用邊界層吸氣來控制分離的基本思想[3]。此后的眾多數值和實驗研究表明，吸附式風扇/壓氣機可提高級壓比，改善壓氣機工作穩定性或適用性[4]，避免高、低周疲勞[5]，以及降低噪聲[6]等。國內王仲奇院士帶領的課題小組也對吸氣式擴壓葉柵進行了系統研究[7]。另外，人們還在轉子抽氣、級間抽氣[8]和對轉吸附式壓氣機方面開展了相關研究[9]。本課題組陳迪研究了抽吸氣對擴壓葉柵攻角范圍和跨聲單級風扇轉子穩定裕度的影響[10]。

本文以本課題組研究人員自主研發的某高負荷跨聲雙級風扇[11]的設計初型為研究對象。該風扇初型的第一級靜子葉片為直葉片，但由于該風扇負荷較高，第一級靜子流動分離較大，導致該風扇初型穩定裕度過低(僅為3.66%)。采用在第一級靜子葉片吸力面徑向開縫抽氣的方案對其進行改進設計，研究抽吸氣技術對多級風扇三維流動及其穩定裕度的影響，探明抽吸機理；觀察縫隙位置及寬度對抽吸氣效果的影響，分析抽吸氣對風扇各級的影響，為更高性能的風扇/壓氣機設計提供思路和途徑。

2 數值模擬條件

該高負荷跨聲雙級風扇(如圖1)由第一級轉子R1(19片)、第一級靜子S1(34片)、第二級轉子R2(41片)、第二級靜子S2(44片)及支板ST(4片)組成。在第一級靜子葉片吸力面徑向開縫進行抽吸氣，縫隙的幾何操作在UG軟件中完成。計算過程中，為精確模擬抽吸氣對整級性能的影響，采取整級計算。

計算網格由NUMECA軟件包的AUTOGRID模塊生成，單通道網格總數1 208 889。為正確捕捉邊界層流動，固壁面第一層網格節點處嚴格保證y+在1～10范圍內；利用分塊網格操作，在主流區與抽吸縫的交接區三個方向上進行局部加密。同時，將UG軟件中生成的葉片吸力面所開縫隙導入IGG，再對縫隙部分網格進行手動生成，網格數為33×81×33(周向×展向×流向)。縫隙入口與主流區吸力面固壁采用完全非匹配方式連接。圖2為第一級靜子與縫隙的網格示意圖。

采用Spalart-Allmaras湍流模型計算特性曲線。邊界條件設置為：進口給定總壓、總溫和采取軸向進氣；出口給定輪轂半徑處的靜壓，其它徑向壓力由徑向平衡方程插值得到；固壁采用絕熱無滑移條件；抽氣模塊出口給定平均靜壓。因此，主流區靜壓和縫隙出口靜壓決定抽吸流量。

3 計算結果分析

3.1 縫隙位置對抽吸效果的影響

首先對該高負荷跨聲雙級風扇進行數值研究，其特性線如圖3和圖4(本文所有特性線均以設計流量、效率、壓比作參考得到的相對值表示)。從圖中可以看出，原型風扇的穩定裕度很低，經計算僅為3.66%。為改善該風扇性能，拓寬其穩定工作范圍，應用抽吸氣技術對其進行改進設計，同時研究縫隙位置對抽吸氣效果的影響。

分別在該風扇第一級靜子的吸力面相對弦長24%、44%、75%、85%處開縫抽吸氣(四種吸氣方案分別以A、B、C、D表示)，縫隙長40.0 mm，縫隙出口寬3.0 mm，縫隙出口背壓在各個工況下保持101 325 Pa不變，幾何示意圖見圖5。

圖6、圖7分別為不同弦向位置開縫抽氣方案的壓比-流量特性圖與效率-流量特性圖(圖中ORI代表原型，S代表抽吸氣，下同)。從圖中可以看出，該風扇采用抽吸氣技術后，壓比在各個流量下都有提高，不過風扇效率略有下降。

圖8比較了不同吸氣位置的吸氣量和風扇的穩定裕度。從圖中看，吸氣量隨著吸氣位置的后移而逐漸增加；風扇的穩定裕度隨著吸氣位置的后移先增大后減小，在葉片相對弦長75%抽吸氣時得到最大值15.34%。

圖9為原型和四種弦向位置開縫抽吸氣方案，在工作點下風扇第一級靜子和第二級轉子參數的展向分布圖(橫坐標為展向參數以原型工作點展向參數作參考得到的相對值表示，下同)。從圖9(a)中看，四種吸氣方案都能很好地改善S1根部流動，提高其總壓恢復系數；其中C方案和D方案的總壓恢復系數分布幾乎重合，吸氣效果最好；A方案的抽吸氣效果在四種抽氣方案中最差。從圖9(b)、圖9(c)可以看出，四種吸氣方案的第二級轉子的壓比和效率的展向分布相對原型變差。這主要是由于第一級靜子進行抽吸氣，其出口流量、攻角等會發生變化，從而造成風扇各級不匹配。邊界層抽吸氣技術能很好地改善當前級(S1)的性能，但考慮到風扇整體性能，其它級需重新設計。

圖10示出了原型和不同弦向位置開縫吸氣方案在工作點下S1吸力面的極限流線。與原型的流動相比，四種吸氣方案都能吸走葉片表面的分離流，使附面層分離得到延緩甚至消除，縫隙之后的根部流動得到明顯改善。四種方案中，C、D方案的效果最好，幾乎消除了邊界層分離；而A、B兩種方案，因其位置相對靠前，已得到改善的流動再次分離，但相

圖12、圖13分別為不同縫隙寬度吸氣模型的壓比-流量特性圖和效率-流量特性圖。從圖中看，相比原型風扇，采用抽吸氣技術后，風扇的壓比在各個流量下都有所提高，但效率略有下降。對于原型，流動還是得到一定改善。

3.2 縫隙寬度對抽吸效果的影響

為考察不同縫隙寬度吸氣對流場結構的影響，本文在該風扇第一級靜子吸力面相對弦長75%處吸氣，縫隙長40.0 mm，縫隙出口背壓在各個工況下保持101 325 Pa不變，縫隙出口寬度分別為1.5 mm、1.8 mm和3.0 mm(分別用E、F、G表示)，其幾何示意圖見圖11。

圖14比較了不同縫隙寬度吸氣量和風扇的穩定裕度。從圖中看，在相同開縫位置，隨著縫隙寬度的增加，吸氣量增加，但穩定裕度先增大后減小。當縫隙寬1.8 mm時，穩定裕度達到最高點17.53%。因此，采用邊界層抽吸氣技術時，縫隙寬度存在最佳值。

圖15為原型和三種縫隙出口寬度抽吸氣方案，在工作點下風扇第一級靜子和第二級轉子參數的展向分布圖。從圖15(a)中可看出，應用抽吸氣技術能很好地改善S1根部流動，提高其總壓恢復系數。三種縫隙寬度抽氣方案中，G方案抽吸氣效果最好，E方案的效果最差。從圖15(b)、圖15(c)中看，相對于原型，三種抽氣方案的第二級轉子的壓比和效率的展向分布變差。這主要是由于多級風扇存在級間匹配問題，雖然S1的性能得到了改善，但影響了其它級的性能，風扇各級需進行匹配設計。

圖16示出了原型和三種寬度縫隙吸氣方案在工作點下S1吸力面的極限流線。與原型的流動相比，G方案幾乎消除了葉片吸力面的分離，縫隙之后的根部流動得到明顯改善；E方案和F方案抽吸氣延緩了邊界層的分離，有助于提高S1的總壓恢復系數。

4 結論

(1)在葉片吸力面開縫進行邊界層抽氣，可延緩邊界層分離，有效拓展其穩定工作范圍。由數值計算可知，在葉片吸力面開縫抽氣，該高負荷跨聲雙級風扇穩定裕度可提高13.87%。

(2)相同縫隙寬度，縫隙弦向位置越靠后，吸氣量越大，穩定裕度先增大后減小。本文算例中，風扇穩定裕度在相對弦長75%處得到最大值15.34%。

(3)相同開縫位置，縫隙寬度越大，對當前級的改善效果越明顯，但相應地增大了吸氣量，從而增大了對其它級的影響。綜合考慮，在相對弦長75%處抽吸氣、縫隙寬1.8 mm時，該風扇的穩定裕度最大，為17.53%。

(4)邊界層抽吸氣技術對多級風扇/壓氣機穩定裕度的影響，既要考慮對當前級性能的影響，也要兼顧風扇各級之間的合理匹配。

(5)風扇/壓氣機設計中應用抽吸氣技術，須針對其內部不同的流動情況，綜合考慮以上各種因素的影響。

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