機(jī)匣處理縫開度對壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)的機(jī)理

摘 要：為了探索不同開度的縫式機(jī)匣處理對壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度的影響，以跨聲的Rotor 67為研究對象，通過非定常數(shù)值計(jì)算方法探索了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下3種不同開度的機(jī)匣處理對該轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的作用。詳細(xì)分析了各流量工況下不同機(jī)匣時(shí)通過轉(zhuǎn)子葉頂間隙面的氣流質(zhì)量和動(dòng)量、葉頂?shù)牧鲃?dòng)結(jié)構(gòu)、周向平均后的總壓損失分布等。研究發(fā)現(xiàn)：隨著縫開度的增加，機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)能力增強(qiáng)；實(shí)壁機(jī)匣近失速工況下縫開度為80%的機(jī)匣處理使葉頂間隙泄漏流減小了33.3%，最大程度的削弱了轉(zhuǎn)子前緣壓力面?zhèn)鹊亩氯麣饬鳎辜げㄍ掠我苿?dòng)距離最大，減少了間隙泄漏流與主流摻混造成的總壓損失。

關(guān)鍵詞：壓氣機(jī)；機(jī)匣處理；開度；流場；機(jī)理

中圖分類號(hào)：V 235.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Mechanism of the casing treatment open

area on compressor stability

ZHAO Tian-peng

（Engineering Training Center，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）Abstract：Unsteady numerical simulations were performed on Rotor 67 to investigate the stabilizing mechanisms of casing treatment with different open area ratio at design speed.The mass and momentum of the flow through the tip gap，the rotor tip flow structures and azimuth-averaged loss distributions of rotor with different casing at different mass flow were studied.Results find that：the capability of the casing treatment to extend the compressor stall margin increased with the open area ratio of the casing treatment increased；the tip leakage mass flow reduced 33.3%，the blockage flow in the front of the blade near the pressure side weakened most，the shock wave moved downstream，the total pressure loss made by the mixing of the tip leakage flow and main flow is reduced compared to the solid casing at near stall condition of the solid casing.Key words：compressor；casing treatment；open area ratio；flow field；mechanism

0 引 言

現(xiàn)代壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的主要目的是通過不斷的提高級(jí)載荷來提升總壓比，這種設(shè)計(jì)原則使壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍減小并且在運(yùn)行中很容易遭遇喘振失速。而惡劣的運(yùn)行工況又使得壓氣機(jī)需要在遠(yuǎn)離最高效率點(diǎn)的工況下工作，所以應(yīng)該拓寬壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。機(jī)匣處理作為一種被動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)被證明可以有效的拓寬壓氣機(jī)的失速邊界[1-5]。Prince[6]首次基于機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理做了一個(gè)關(guān)于機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)效果的總結(jié)性報(bào)告，他們實(shí)驗(yàn)測試了各種周向槽、傾斜縫、葉片角向縫的擴(kuò)穩(wěn)效果后認(rèn)為縫類機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)效果要好于槽類機(jī)匣處理。正是由于縫類機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)簡單擴(kuò)穩(wěn)效果好，對其的研究展開的也較多。Morley[7]在一個(gè)跨聲壓氣機(jī)上驗(yàn)證了縫類機(jī)匣處理開度對其擴(kuò)穩(wěn)效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)匣處理縫開度的減小峰值效率降低的幅度更小。半圓斜縫機(jī)匣處理由于其幾何外形使縫腔內(nèi)的總壓損失最小化[8]，且有效的增加擴(kuò)穩(wěn)裕度[9]，所以受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。Wilke[10]在一個(gè)跨聲轉(zhuǎn)子上用非定常方法探索了不同軸向位置的半圓斜縫機(jī)匣處理對轉(zhuǎn)子擴(kuò)穩(wěn)能力、效率和對葉頂流場的影響。機(jī)匣處理相對轉(zhuǎn)子處于下游時(shí)，壓氣機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)能力得到了有效的提高同時(shí)效率有所下降。擴(kuò)穩(wěn)效果主要是由機(jī)匣處理對葉頂間隙泄漏流的影響及縫內(nèi)形成的渦的作用產(chǎn)生的。該渦抽吸了轉(zhuǎn)子通道下游的堵塞氣流并在轉(zhuǎn)子前后壓差的作用下把它們從上游噴出匯入主流。機(jī)匣處理縫使轉(zhuǎn)子對流經(jīng)縫的氣流的持續(xù)加功，并使通道激波往下游移動(dòng)，這些因素的共同作用降低了轉(zhuǎn)子的效率。機(jī)匣處理相對處于上游時(shí)，轉(zhuǎn)子在保持相同的擴(kuò)穩(wěn)能力同時(shí)提高了效率，詳細(xì)的流場分析表明此時(shí)機(jī)匣處理削弱了間隙泄漏渦減弱了對通道主流造成的摻混損失。Hembera[11]針對轉(zhuǎn)子葉頂堵塞型失速的Darmstadt Rotor 1設(shè)計(jì)了4種不同幾何尺寸的半圓斜縫機(jī)匣處理，通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下（跨聲）標(biāo)準(zhǔn)尺寸的半圓斜縫機(jī)匣處理不但能有效地?cái)U(kuò)穩(wěn)提高流經(jīng)轉(zhuǎn)子氣流的壓比而且還稍微的提高了轉(zhuǎn)子的效率，而80%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下（亞聲）標(biāo)準(zhǔn)尺寸的半圓斜縫機(jī)匣處理有效地提高了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定工作范圍同時(shí)提高流經(jīng)轉(zhuǎn)子氣流的壓比，但由于縫內(nèi)回流帶來的損失不足以補(bǔ)償祛除低速氣流帶來的收益，所以降低了轉(zhuǎn)子的效率。Brignole

[12]為了探索跨聲速軸流壓氣機(jī)中通道流動(dòng)與機(jī)匣處理縫的關(guān)系，設(shè)計(jì)了4種半圓斜縫機(jī)匣處理，并通過非定常計(jì)算方法對一級(jí)帶不同機(jī)匣的壓氣機(jī)進(jìn)行了數(shù)值研究和實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，結(jié)果表明它們都擴(kuò)大了壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍和設(shè)計(jì)點(diǎn)效率，同時(shí)整個(gè)流量范圍內(nèi)的總壓比都有所提高。縫中的氣流重新從轉(zhuǎn)子前緣進(jìn)入通道的上游，減弱了轉(zhuǎn)子葉頂形成的三維流動(dòng)，對三維流動(dòng)的強(qiáng)烈抑制是機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)的原因，同時(shí)這也改善了壓氣機(jī)級(jí)的效率。實(shí)驗(yàn)著重分析了縫對靜子進(jìn)口氣流相關(guān)參數(shù)的影響和縫內(nèi)氣流循環(huán)對壓氣機(jī)性能的影響并定義了相關(guān)的參數(shù)衡量縫內(nèi)氣流循環(huán)的效率。但只研究了2個(gè)縫開度對一級(jí)壓氣機(jī)性能的影響，對縫開度對壓氣機(jī)性能的影響不夠充分。然而，盡管經(jīng)歷了多年的研究，半圓斜縫機(jī)匣處理的研究仍然存在不足之處，如機(jī)匣縫開度對壓氣機(jī)性能影響的研究較少涉及。顯然，如果能夠知道機(jī)匣處理縫開度對壓氣機(jī)葉頂區(qū)域的流動(dòng)變化情況、流動(dòng)堵塞的影響及其背后的流動(dòng)機(jī)理、對壓氣機(jī)特性的影響，對于在壓氣機(jī)上合理的應(yīng)用機(jī)匣處理擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度、優(yōu)化壓氣機(jī)的性能都是很有意義的。研究了3種不同開度的半圓斜縫機(jī)匣處理對壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)能力的影響，著重于分析縫對轉(zhuǎn)子葉頂間隙泄漏流相關(guān)參數(shù)的影響，及其帶來的轉(zhuǎn)子性能的變化；豐富了半圓斜縫機(jī)匣處理的研究，為使用機(jī)匣處理對壓氣機(jī)進(jìn)行擴(kuò)穩(wěn)提供一些指導(dǎo)原則。

1 實(shí)壁機(jī)匣數(shù)值計(jì)算方法本實(shí)驗(yàn)針對研究對象為NASA的Rotor 67，它是一個(gè)軸向進(jìn)氣的兩級(jí)風(fēng)扇的第一級(jí)轉(zhuǎn)子。NASA對它進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究獲得了關(guān)于該轉(zhuǎn)子的一些基本參數(shù)和各種詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，詳見文獻(xiàn)[13]。Rotor 67的計(jì)算域及其內(nèi)的網(wǎng)格由IGG/Autogrid構(gòu)建和劃分，圖1為計(jì)算域的網(wǎng)格示意圖。計(jì)算域網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分為H—O4H—H，轉(zhuǎn)子葉頂間隙采用蝶形網(wǎng)格。這套網(wǎng)格已經(jīng)通過了網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證，下面為這套網(wǎng)格按照周向×徑向×流向來排列的具體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)，進(jìn)、出口段H塊網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)都為：57×81×17，葉片周向2個(gè)H塊的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為：17×81×93，葉片軸向前后2個(gè)H塊的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為：25×81×21，包圍葉片的O型網(wǎng)格塊節(jié)點(diǎn)數(shù)為153.

采用NUMECA的Euranus求解器對該轉(zhuǎn)子構(gòu)成的計(jì)算域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，具體計(jì)算方法為：在相對坐標(biāo)系下對三維雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，數(shù)值離散格式采用Jameson有限體積法，時(shí)間離散為顯式四階龍格庫塔法，采用Spalart-Allmaras湍流模型以估計(jì)渦粘性的大小，同時(shí)加入了2階和4階人工粘性項(xiàng)用來消除數(shù)值計(jì)算過程中的偽數(shù)值振蕩，輔以多重網(wǎng)格法、局部時(shí)間步長和殘差光順等措施以加速收斂。進(jìn)口邊界條件給定總溫、總壓和氣流角（軸向進(jìn)氣），出口給定平均靜壓。壁面采用絕熱無滑移邊界條件，葉片和與葉片聯(lián)接的輪轂設(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)邊界條件，機(jī)匣定義為靜止邊界條件。計(jì)算時(shí)保持轉(zhuǎn)速不變，通過不斷的提高出口背壓進(jìn)行各個(gè)流量點(diǎn)的計(jì)算，當(dāng)全局殘差收斂到10-5并且進(jìn)出口流量、總壓比及效率保持恒定時(shí)可認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂，把數(shù)值發(fā)散前的最后一個(gè)背壓認(rèn)為是近失速點(diǎn)，對應(yīng)最大的轉(zhuǎn)子出口壓力。圖2（a）給出了實(shí)壁機(jī)匣轉(zhuǎn)子67的效率、壓比特性與實(shí)驗(yàn)測量值的對比，從圖中可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的總壓比在整個(gè)流量范圍內(nèi)低于實(shí)驗(yàn)值3.2%，但計(jì)算值隨流量的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。計(jì)算的效率值與實(shí)驗(yàn)值趨勢一致，最高效率點(diǎn)誤差稍大為3%.圖2（b）是最高效率點(diǎn)工況下轉(zhuǎn)子前后測量點(diǎn)的溫比、壓比沿徑向的分布。數(shù)值計(jì)算得到的溫比與實(shí)驗(yàn)值幾乎一致，而轉(zhuǎn)子葉尖區(qū)域的壓比與實(shí)驗(yàn)值有明顯的誤差，但誤差也在1.4%范圍內(nèi)。這些誤差與其他學(xué)者數(shù)值計(jì)算結(jié)果的誤差在同一個(gè)量級(jí)之內(nèi)，所以認(rèn)為該數(shù)值計(jì)算方法是可行的。

2 實(shí)壁機(jī)匣近失速工況下的失速機(jī)理首先確認(rèn)Rotor 67在實(shí)壁機(jī)匣時(shí)的失速機(jī)理。圖3給出了幾個(gè)不同工況下其葉頂流場結(jié)構(gòu)，圖中所有切片都垂直于葉頂弦長且等間距分布，圖中紅色流線代表99%葉高粒子示蹤，每個(gè)切片上給出了相對馬赫數(shù)分布或絕對渦量分布（絕對渦量的定義如下：

ξa=|ξ|2ω，ω

為轉(zhuǎn)子角速度），低速區(qū)表明該位置發(fā)生了氣流堵塞。峰值效率（PE）工況時(shí)，發(fā)源于葉頂前緣的間隙泄漏流與主流摻混卷起形成間隙泄漏渦，此時(shí)葉頂間隙泄漏渦能夠順利的通過通道激波，通過激波后間隙泄漏渦的方向和強(qiáng)度變化不大，葉頂通道幾乎沒有出現(xiàn)低速阻塞氣流，來流可以順暢的流出葉片通道。近失速（NS）流量時(shí)，間隙泄漏渦產(chǎn)生了膨脹，轉(zhuǎn)子前緣到30%葉頂軸向弦長靠近壓力面的通道處充滿了大量的低速氣流，這些低速氣流主要是由間隙泄漏渦通過激波后產(chǎn)生膨脹和激波與附面層的干涉作用所導(dǎo)致的，而葉頂來流所具有的軸向動(dòng)量并不足夠大，不能把該區(qū)域的低速氣流攜帶出轉(zhuǎn)子葉頂通道，所以該低速氣流團(tuán)一直存在于轉(zhuǎn)子進(jìn)口處，它使99%葉高處葉頂通道的有效流通面積減小了一半，阻塞葉頂來流。該工況下葉頂來流攻角已經(jīng)較大，同時(shí)由于激波的存在，來流通過激波后還產(chǎn)生了逆葉片旋轉(zhuǎn)方向的偏轉(zhuǎn)，這進(jìn)一步加劇了轉(zhuǎn)子壓力面附近的氣流堵塞，從圖2中可以看到整個(gè)葉片壓力面附近都堆積了大量的低速氣流團(tuán)。1毫秒（MS）過后低速阻塞氣流團(tuán)沿徑向往葉根方向發(fā)展、軸向往轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣流方向擴(kuò)張、周向往相鄰葉片的吸力面擴(kuò)散，低速阻塞氣流區(qū)占據(jù)的范圍逐漸擴(kuò)大，越來越多的間隙泄漏流穿過一個(gè)葉片通道后進(jìn)入下一個(gè)葉片通道。從絕對渦量分布圖中可以發(fā)現(xiàn)高絕對渦量集中在間隙泄漏渦的渦核處，沿著泄漏渦核的運(yùn)動(dòng)軌跡高絕對渦量在激波下游出現(xiàn)了明顯的消失，但該區(qū)域并沒有出現(xiàn)渦核尺度的急劇膨脹與核心滯止區(qū)，且圖中的紅色流線也表明氣流也沒有出現(xiàn)局部的回流現(xiàn)象。結(jié)合旋渦破碎的判別準(zhǔn)則[15]，這說明在近失速點(diǎn)間隙泄漏渦并沒有發(fā)生破碎，這與文獻(xiàn)[16]中轉(zhuǎn)子的失速機(jī)理有所差異。隨著時(shí)間的推移，轉(zhuǎn)子出口背壓迅速增大，通道中出現(xiàn)越來越多的橫向流動(dòng)，間隙泄漏渦急劇膨脹，低速阻塞區(qū)率先朝相鄰葉片壓力面發(fā)展，隨著其尺度的不斷增加，整個(gè)葉頂通道的進(jìn)口來流逐漸被完全堵塞，并且阻塞區(qū)會(huì)將葉片通道激波推出葉頂前緣，從而導(dǎo)致該跨聲轉(zhuǎn)子葉頂流動(dòng)失穩(wěn)。上述分析表明Rotor 67發(fā)生了葉尖堵塞型失速，且該堵塞團(tuán)并不是由間隙泄漏渦破碎造成的。因此，使用機(jī)匣處理能有效地?cái)U(kuò)大Rotor 67的穩(wěn)定裕度。

針對Rotor 67的失速特點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)了3種不同縫開度的半圓縫式機(jī)匣處理。該類型機(jī)匣處理出色的擴(kuò)穩(wěn)能力得到了證實(shí)。圖4為該類型機(jī)匣處理的示意圖，具體參數(shù)如下：軸向長度

Δ為100%葉頂軸向弦長，覆蓋長度Δ2為50%轉(zhuǎn)子葉頂軸向弦長，縫的徑向高度H1為11 mm，縫與轉(zhuǎn)子葉片的子午面的夾角λ為45°，一個(gè)通道有12個(gè)縫。縫開度定義為：

=M/（M+N），縫開度為50%，66.7%，80%的CT_11，CT_21，CT_41機(jī)匣處理對應(yīng)的縫周向長度M和縫片周向長度N分別為3，3；4，2；4.8，1.2 mm.為了量化機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)效果現(xiàn)引入同時(shí)考慮了流量和壓比影響的機(jī)匣處理的綜合失速裕度（SMI），該衡量參數(shù)首先由Cumpsty提出，它的定義如下

3 機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理葉頂間隙泄漏流在壓氣機(jī)中起著重要的作用，它主要是受吸壓力面的壓差所驅(qū)動(dòng)。為了量化縫式機(jī)匣處理對葉頂間隙泄漏流強(qiáng)度的影響，有必要對比實(shí)壁機(jī)匣近失速工況下不同機(jī)匣時(shí)葉頂間隙徑向中間位置處的靜壓和通過葉頂間隙面（如圖6中黑色所示）的氣流質(zhì)量沿軸向的累積量、軸向動(dòng)量、切向動(dòng)量、徑向動(dòng)量、總體動(dòng)量在葉頂軸向位置上的分布規(guī)律及其對機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)作用的影響。從圖7（a）中可以看出，對于近失速工況下的實(shí)壁機(jī)匣來說，從轉(zhuǎn)子葉頂前緣到54%葉頂軸向弦長處吸壓力面存在著較大的持續(xù)的壓差（平均約30 000 Pa），所以在這個(gè)軸向位置上氣流不斷地通過葉頂間隙從壓力面進(jìn)入吸力面。在50%葉頂軸向弦長處，由于激波的存在，吸力面的氣流通過激波后減速增壓，使吸壓力面的壓差急劇減小，也就是說間隙泄漏流的強(qiáng)度減小。這可以從圖7（b）中通過葉頂間隙面的泄漏流質(zhì)量沿葉頂軸向位置的累積分布中體現(xiàn)出來，圖中灰色線的斜率逐漸減小，表明了間隙泄漏流強(qiáng)度的逐漸減小。單位時(shí)間內(nèi)通過整

個(gè)實(shí)壁機(jī)匣的葉頂間隙泄漏流面的氣流質(zhì)量為0.01kg/s，與實(shí)壁機(jī)匣相比機(jī)匣處理后通過轉(zhuǎn)子葉頂間隙面的間隙泄漏流質(zhì)量出現(xiàn)了明顯地下降，并且隨縫開度的增加吸壓力面壓差減小。其中CT_11，CT_21機(jī)匣處理時(shí)通過轉(zhuǎn)子葉頂間隙面的氣流質(zhì)量都降低了20%，而CT_41機(jī)匣處理時(shí)通過轉(zhuǎn)子葉頂間隙面的氣流質(zhì)量降低了40%，這主要是由于機(jī)匣處理后轉(zhuǎn)子吸壓力面的壓差降低了，也就是說間隙泄漏流的驅(qū)動(dòng)力降低了。50%葉頂軸向弦長之前吸壓力面存在較大的壓差，間隙泄漏流一直維持著較大的增長率，圖7（b）中表現(xiàn)為較大的斜率；在整個(gè)軸向范圍內(nèi)，對于實(shí)壁機(jī)匣、CT_11和CT_21來說5%-10%葉頂軸向弦長附近吸壓力面的壓差最大，所以相對于它們自身來說該軸向位置處葉頂間隙泄漏流的質(zhì)量增量最大；在該位置處3種機(jī)匣中以實(shí)壁機(jī)匣的壓差最大，所以圖7（b）中它的斜率最大。50%葉頂軸向弦長之后，由于吸力面的氣流通過通道激波后壓力顯著增加，使得吸壓力面的壓差減小，所以間隙泄漏流的增長率降低。3種機(jī)匣處理（CT_11，CT_21，CT_41）相對于實(shí)壁機(jī)匣的通過葉頂間隙泄漏流總質(zhì)量的降低分別為15.2%、16.6%、33.3%。這說明在實(shí)壁機(jī)匣近失速流量下機(jī)匣處理縫的開度越大，機(jī)匣處理對轉(zhuǎn)子葉頂泄漏流的削弱作用越大。

縫式機(jī)匣處理對葉頂間隙泄漏流的影響主要依賴于轉(zhuǎn)子葉頂靜壓的分布。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，間隙泄漏流的強(qiáng)度與通過葉頂間隙面氣流的動(dòng)量相關(guān)（尤其是切向動(dòng)量），下面將著重分析通過葉頂間隙面的氣流所攜帶的動(dòng)量沿軸向的分布。圖7（cdef）為通過葉頂間隙面的氣流的軸向、切向、徑向和整體的動(dòng)量沿軸向的分布。從圖中可以明顯地看出，實(shí)壁機(jī)匣時(shí)轉(zhuǎn)子葉頂前緣到尾緣大部分區(qū)域內(nèi)氣流所具有的軸向動(dòng)量都是負(fù)的，也就是說氣流在該范圍內(nèi)產(chǎn)生了堵塞。機(jī)匣處理后雖然氣流的軸向動(dòng)量依然為負(fù)，但其絕對值減小，特別是0%～55%葉頂軸向弦長范圍內(nèi)，即機(jī)匣處理削弱了轉(zhuǎn)子葉頂前緣的堵塞氣流，這進(jìn)一步證實(shí)了前面所指出的該轉(zhuǎn)子主要是由于轉(zhuǎn)子葉頂前緣的氣流堵塞所導(dǎo)致的失速。相對于實(shí)壁機(jī)匣，CT_11，CT_21，CT_41在55%葉頂軸向弦長范圍內(nèi)平均軸向動(dòng)量的絕對值分別減小了26.6%，18.5%，46.8%，其中CT_21，CT_41在7%葉頂軸向弦長處減小量最大分別達(dá)到了36.5%和97%.

切向動(dòng)量起著至關(guān)重要的作用，下面將著重分析它，對于實(shí)壁機(jī)匣來說，切向動(dòng)量沿軸向先增大然后減小，在31.3%葉頂軸向弦長處達(dá)到最大值0.228 kg·m/s，該區(qū)域附近的氣流是超聲速的，由于吸壓力面壓差的減小，隨后切向動(dòng)量持續(xù)減小，同時(shí)間隙泄漏流的速度變?yōu)閬喡曀伲欢鴻C(jī)匣處理時(shí)通過轉(zhuǎn)子葉頂間隙面的氣流的切向動(dòng)量顯著減小，切向動(dòng)量最大值至少減小了50%并且與實(shí)壁機(jī)匣相比最大值所在的軸向位置也向下游移動(dòng)到了65.5%葉頂軸向弦長處，這說明機(jī)匣處理后葉頂間隙泄漏流的強(qiáng)度減小了，間隙泄漏流強(qiáng)度最大的軸向位置后移，也就是說間隙泄漏渦造成低速堵塞氣流會(huì)相應(yīng)的向下游移動(dòng)，減輕了轉(zhuǎn)子葉頂前緣的堵塞；同時(shí)改變了葉頂氣流的流動(dòng)方向，使得葉頂氣流更加順著葉片通道規(guī)定的方向流動(dòng)。圖2（e）表明葉頂氣流的徑向動(dòng)量主要為正值，最大值位于轉(zhuǎn)子葉頂50%軸向弦長處，前面的分析也表明葉頂堵塞氣流主要集中于該區(qū)域，這說明在轉(zhuǎn)子前后壓差的作用下，低速氣流從該區(qū)域抽吸進(jìn)入機(jī)匣處然后從機(jī)匣處的前段噴射出來進(jìn)入葉頂流道，隨機(jī)匣處理縫開度的增加氣流的徑向動(dòng)量增大，說明縫抽吸的低速氣流更多。下面重點(diǎn)關(guān)注28.071 kg/s（CT_11機(jī)匣近失速工況）時(shí)，不同機(jī)匣時(shí)轉(zhuǎn)子葉頂流場發(fā)生的變化。由圖8可知，使用機(jī)匣處理后轉(zhuǎn)子葉片吸力面的尾緣都出現(xiàn)了低速氣流團(tuán)，這是由于流量減小到一定程度后，正攻角過大，引起了葉背失速。不同的是：CT_11機(jī)匣時(shí)，轉(zhuǎn)子葉頂壓力面進(jìn)口處還存在較大的低速氣流團(tuán)，雖然與實(shí)壁機(jī)匣相比CT_11使轉(zhuǎn)子葉頂?shù)拈g隙泄漏流減小了20%，但從轉(zhuǎn)子葉頂?shù)牧骶€圖中可以看出在整個(gè)軸向弦長范圍內(nèi)都不斷地有間隙泄漏流越過轉(zhuǎn)子葉頂與主流摻混形成間隙泄漏渦，轉(zhuǎn)子葉頂前緣的壓力面還是存在大片的低速阻塞區(qū)阻擋了主流進(jìn)入葉頂通道。葉頂壓力面前緣的低速區(qū)和葉背失速造成的堵塞氣流一前一后阻塞了轉(zhuǎn)子葉頂通道，隨著流量的進(jìn)一步減小CT_11機(jī)匣時(shí)轉(zhuǎn)子葉頂馬上進(jìn)入流動(dòng)失穩(wěn)。CT_21機(jī)匣與CT_11機(jī)匣時(shí)葉頂流場差別不大，主要是轉(zhuǎn)子葉頂壓力面前緣的低速阻塞區(qū)在軸向、周向和徑向所覆蓋的范圍有所減小。由于轉(zhuǎn)子葉頂間隙泄漏流得到了有效的削弱，尤其是尾部50%軸向弦長范圍內(nèi)，所以低速阻塞區(qū)在軸向占據(jù)的范圍明顯要小。CT_41機(jī)匣時(shí)，相對于實(shí)壁機(jī)匣轉(zhuǎn)子葉頂間隙泄漏流減少了40%，這必然帶來轉(zhuǎn)子葉頂流場的較大變化，由于間隙泄漏流的減少，轉(zhuǎn)子葉頂壓力面前緣處并沒有出現(xiàn)由泄漏流與主流摻混卷曲而形成的低速阻塞區(qū)，低速氣流區(qū)只存在于轉(zhuǎn)子葉片的吸力面尾緣，該低速區(qū)對轉(zhuǎn)子葉頂通道的阻塞作用并不明顯，來流還能順暢的流過轉(zhuǎn)子葉頂通道。

圖9為28.071 kg/s工況下3種機(jī)匣處理周向平均后轉(zhuǎn)子子午面的總壓損失分布云圖，高損失區(qū)對應(yīng)著較強(qiáng)的氣流摻混，從圖中可以看到，CT_41機(jī)匣處理帶來的總壓損失主要由主流與葉頂間隙泄漏流摻混和機(jī)匣處理縫內(nèi)的回流構(gòu)成的，此時(shí)來流/頂部間隙流交接面處于葉頂通道轉(zhuǎn)子的下游，間隙泄漏流位置靠后處于轉(zhuǎn)子尾緣的50%葉頂軸向弦長處，帶來的總壓損失也相對較小；同時(shí)縫利用轉(zhuǎn)子前后的壓差抽吸轉(zhuǎn)子尾緣的低速氣流并從轉(zhuǎn)子前緣噴出，縫內(nèi)形成的回流帶來了較大的總壓損失。高總壓損失區(qū)域從轉(zhuǎn)子葉頂50%軸向弦長延伸到轉(zhuǎn)子出口，出口處徑向占據(jù)了17%葉片高度。隨著縫開度的減小，通過轉(zhuǎn)子葉頂?shù)拈g隙泄漏流量更大，同時(shí)主流與間隙泄漏流交接面的軸向位置前移，間隙泄漏流對通道主流的徑向影響范圍更大，造成了更大的總壓損失。CT_11機(jī)匣處理時(shí)，高總壓損失區(qū)域覆蓋的范圍在軸向和徑向都增大了，從轉(zhuǎn)子葉頂前緣延伸到轉(zhuǎn)子出口，出口處徑向占據(jù)了29%葉片高度，較大的總壓損失使得轉(zhuǎn)子的效率較低。

4 結(jié) 論

1）在跨聲轉(zhuǎn)子Rotor 67上對所研究的3種開度的縫類機(jī)匣處理來說，開度越大機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)效果越好。開度為80%的CT_41機(jī)匣處理帶來了48%的綜合失速裕度的提高；

2）31.957 kg/s流量下，相對于實(shí)壁機(jī)匣來說，各種機(jī)匣處理都減弱了通過轉(zhuǎn)子葉頂間隙面的泄漏流量，其中縫開度為80%的CT_41機(jī)匣處理使間隙泄漏流減小了33.3%，最大程度的減少了間隙泄漏流造成的轉(zhuǎn)子前緣壓力面?zhèn)鹊牡退贇饬鞫氯瑫r(shí)也減少了間隙泄漏流與主流摻混造成的總壓損失。28.071 kg/s時(shí)，CT_41機(jī)匣對轉(zhuǎn)子葉頂間隙泄漏流的減少程度也是最大的；3）Rotor 67應(yīng)用機(jī)匣處理后，轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的激波相對于實(shí)壁機(jī)匣都往通道下游移動(dòng)了，其中縫開度為80%的CT_41機(jī)匣處理使激波向下游移動(dòng)了最大的距離，間隙泄漏渦通過激波后會(huì)產(chǎn)生膨脹，這也就減少了轉(zhuǎn)子葉頂前緣的低速阻塞氣流團(tuán)，同時(shí)使激波與壁面邊界層互相干擾產(chǎn)生的低速氣流區(qū)位置延后。

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