壓氣機級內動靜非定常干涉數值研究

侯憲科， 王祥鋒

（1.通用電氣-哈動力-南汽輪能源服務（秦皇島）有限公司，河北 秦皇島066001；

2.哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，哈爾濱150001）

1 引 言

彎掠設計技術已經廣泛應用于高性能的壓氣機設計中［1］，極大地提高了航空發動機的性能，具有極大的工程應用價值。

壓氣機葉片動靜非定常干擾影響著其氣動性能的優劣，引起了較大的關注［2，3］。Curtis［4］的研究指出，若在對葉片進行設計時就將非定常流動的影響考慮進來，能夠在不影響壓氣機性能的前提下增加葉片的氣動負荷。Schulte［5］認為設計葉片時考慮尾跡通過的影響，通過正確的選擇尾跡通過的頻率或尾跡的強度，能夠設計出高負荷葉柵并同時減少葉柵的損失。

本文采用非定常的數值模擬方法，對原型壓氣機和改型壓氣機級進行了數值研究，分析了原型和改型動葉不同尾跡輸運的特點，及其對下游靜葉的非定常擾動。

2 數值方法

圖1 計算網格示意圖

本文數值模擬模型為某多級壓氣機第七級原型級和彎掠動葉改型級。采用三維N-S 求解器FINETM 模塊對壓氣機級進行非定常數值模擬。非定常計算采用葉片約化方法，計算葉片數目約化為2∶3。計算網格采用Autogrid5 與IGG 生成，計算網格總數約250 萬，圖1 給出了計算所用的網格示意圖。

3 動靜葉干擾對靜葉流動的影響

本文采用非定常脈動速度［6］來研究非定常效應對靜葉柵流場的影響。

圖2 給出了一個周期內不同時刻5%葉高截面處靜葉流道內的脈動速度矢量圖。從圖中可以看到動葉尾跡在下游靜葉流道內的輸運特性，即在非定常脈動速度的作用下，靜葉流道內所產生的二次渦的演變過程?？梢钥吹?，靜葉流道內因脈動速度形成了旋轉速度相反的一對旋渦，強度一強一弱。隨著動葉的旋轉，這一對旋渦的強度不斷增強，強弱相當。靜葉流道中的旋渦與附面層發生強烈的相互作用，下游靜葉片表面邊界層內的流動情況將因此而發生改變，同時對邊界層造成的損失產生影響。由于受到上述旋渦的影響，同時在動葉尾跡對靜葉流道內主流的干擾下，靜葉表面氣動負荷分布的大小與分布規律都發生了改變，進而影響到壓氣機的氣動性能。在動葉尾跡進入靜葉流道前，在靜葉前緣處的壓力面和吸力面附近，脈動速度的量值很大，說明上游動葉的尾跡對這些位置的干擾非常強。動葉尾跡在靜葉流道內遷移的過程中，因為和勢流的摻混作用，非定常擾動速度逐漸減小，到了流道的后段，脈動速度已經非常小了。

圖2 5%葉高靜葉流道脈動速度矢量分布

圖3 50%葉高靜葉流道脈動速度矢量分布

圖4 95%葉高靜葉流道脈動速度矢量分布

結合不同時刻3 個葉高截面的靜葉流道脈動速度矢量分布。可以看到，除了擾動速度的強度大小不同之外，脈動速度形成的旋渦結構和演變的規律也有所不同，這除了與動葉葉根角渦和葉頂泄漏渦的影響不同有關外，還與葉片的設計有關。在設計壓氣機級時考慮到級動、靜葉間的氣流角匹配的需要，動葉并不是完全意義上的直葉片。在非定常條件下，靜葉前緣線在沿著葉高方向與上游動葉的尾緣存在著相位差，因此動葉尾跡在對靜葉不同葉高處的流道進行掃掠的的位置也有所不同，導致靜葉內流動沿葉高也是不同的?？紤]到這一點，如果在壓氣機設計中引入非定常方法，考慮由于動葉尾緣和靜葉前緣之間的緣線匹配所導致的非定常波動，可以提高壓氣機性能。

4 壓氣機級尾跡輸運特性

本文采用脈動強度系數［6］來研究單級壓氣機中動葉彎掠設計后對動葉尾跡的輸運特點。

圖5 動葉出口脈動強度系數分布云圖

5 結 論

動葉尾跡對下游靜葉流道根部和頂部截面所造成的非定常擾動的幅值和影響范圍都要大于中部截面。采用彎掠設計的改型動葉改變了高脈動分布區域，明顯減弱了葉片頂部泄漏渦與動葉尾跡頂部的脈動強度，對下游靜葉的非定常干擾減弱。

［1］ 徐建中.葉輪機械氣動熱力學的回顧與展望［J］.西安交通大學學報，1999，33（9）：1-4.

［2］ SANDERS A J，et al. Multi-blade row interactions in atransonic axial compressor: Part ⅡRotor wake forcing function and stator unsteady aerodynamic response［R］. ASME Paper 2001-GT-0269.

［3］ 顏培剛，李紹斌，陳浮，等.靜葉片時序效應對壓氣機葉片非定常氣動負荷的影響［J］.航空動力學報，2008，23（1）：117-124.

［4］ CURTIS E M，et al.Development of Blade Profiles for Low Pressure Turbine Applications［J］. ASME Journal of Turbomachinery，1997，119（3）：531-538.

［5］ SCHULTE V，et al. Prediction of the Becalmed Region for LP Turbine Profile Design［R］.ASME Paper 97-GT-398，1997.

［6］ 毛明明.跨聲速軸流壓氣機動葉彎和掠的數值研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.