橢圓前緣銳化度對(duì)亞聲速壓氣機(jī)葉片性能的影響

李 正，余華蔚，尹紅順，張少平

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

1 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)朝著高推重比的方向發(fā)展，要求壓氣機(jī)具有高負(fù)荷、高效率、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。而提高壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的一個(gè)主要途徑，就是尋找氣動(dòng)性能優(yōu)良的壓氣機(jī)葉型。目前，壓氣機(jī)葉型已普遍采用橢圓前緣，這種結(jié)構(gòu)可有效抑制前緣吸力面來(lái)流的加速膨脹，降低葉型損失，性能上比傳統(tǒng)的圓弧形前緣更具優(yōu)勢(shì)[1-3]。國(guó)內(nèi)外多位研究者在橢圓前緣的基礎(chǔ)上進(jìn)行了壓氣機(jī)葉片前緣形狀的優(yōu)化研究。如Goodhand等[4]對(duì)橢圓前緣進(jìn)行了優(yōu)化，消除了吸力面前緣的速度峰值；陸宏志等[5-7]提出了帶平臺(tái)圓弧形前緣，降低了葉型前緣的吸力峰強(qiáng)度；宋寅等[8]對(duì)葉片前緣曲率進(jìn)行優(yōu)化，抑制了分離泡的出現(xiàn)。為進(jìn)一步提高壓氣機(jī)性能，葉型前緣形狀呈現(xiàn)出越來(lái)越尖銳的趨勢(shì)。但前緣過(guò)度尖銳會(huì)帶來(lái)一系列的振動(dòng)和疲勞問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)增大加工難度。葉型加工中，國(guó)內(nèi)的工藝流程大多包括人工拋修這一步驟，使得橢圓前緣的曲率變化難以控制，導(dǎo)致最終產(chǎn)品前緣偏離設(shè)計(jì)形狀。而較差的加工形狀會(huì)影響葉片通道內(nèi)的氣體流動(dòng)和分離，進(jìn)而影響壓氣機(jī)的效率、喘振及振動(dòng)特性。Suder等[9]研究發(fā)現(xiàn)，葉片前緣形狀改變引起的前緣流動(dòng)變化將給葉片性能帶來(lái)不可忽視的影響。葉身前端約10%弦長(zhǎng)部分的粗糙度、厚度變化造成的葉片性能下降，接近全葉身粗糙度、厚度變化導(dǎo)致的葉片性能下降。

為了能對(duì)設(shè)計(jì)和加工的橢圓前緣葉型進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，引入銳化度參數(shù)評(píng)估葉片前緣尖銳程度。銳化度值越大，表明葉片前緣越尖銳，這對(duì)氣動(dòng)性能有益，但對(duì)強(qiáng)度振動(dòng)不利。銳化度值越小，前緣越鈍，加工控制和強(qiáng)度可靠性更強(qiáng)，但氣動(dòng)損失會(huì)隨之增大。而加工中受技術(shù)發(fā)展的限制，經(jīng)常會(huì)使葉型前緣形狀與設(shè)計(jì)形狀產(chǎn)生一定的偏差，此時(shí)也可以用銳化度參數(shù)來(lái)快速近似評(píng)估加工葉型的性能，確定對(duì)加工產(chǎn)品的使用方案。本文以四種壓氣機(jī)靜子中常用的亞聲速葉型為基礎(chǔ)，在改變前緣銳化度的同時(shí)保持葉片其他控制參數(shù)不變以生成新的葉型，對(duì)生成的葉型進(jìn)行計(jì)算分析，以期為亞聲速條件下靜子葉片橢圓前緣的銳化度選擇提供依據(jù)。

2 研究對(duì)象

選擇四種靜子基元葉型進(jìn)行分析。四種葉型的基本參數(shù)見(jiàn)表1，基本包括了目前常見(jiàn)的靜子葉型從進(jìn)口級(jí)到出口級(jí)的設(shè)計(jì)馬赫數(shù)范圍。

表1 葉型參數(shù)Table 1 Parameters of profile

2.1 銳化度定義

圖1 葉片前緣銳化度示意圖Fig.1 Schematic of blade leading edge sharpness

圖1為葉片前緣銳化度示意圖和計(jì)算公式。圖中，葉片前緣銳化度AB值定義為橢圓頭部弦向長(zhǎng)度(XRL)與頭部半厚度(THRL)的比值。使用銳化度值可直觀表示頭部的尖銳程度，從而控制前緣的厚度變化以滿足加工和裝機(jī)長(zhǎng)時(shí)工作的強(qiáng)度儲(chǔ)備需要，或是快速評(píng)估加工產(chǎn)品的質(zhì)量，分析加工偏差對(duì)設(shè)計(jì)性能的影響。

2.2 銳化度葉型生成

采用可控?cái)U(kuò)散葉型技術(shù)生成葉型。在葉型生成中，在改變前緣銳化度的同時(shí)保持葉片其余相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)不變。即保持葉身相同，僅改變前緣形狀，生成新的葉型。圖2為銳化度在1.00～1.80之間時(shí)生成的葉型。

圖2 不同前緣銳化度葉型前緣示意圖Fig.2 Leading edge of blade profile with different sharpness

3 性能分析

針對(duì)造型生成的不同前緣銳化度葉型，選用MISES2.4軟件包進(jìn)行有粘S1流面計(jì)算。根據(jù)計(jì)算所得總損失(葉型損失和附加損失)進(jìn)行葉型性能分析和評(píng)估。

3.1 葉型損失

葉型損失主要包括附面層內(nèi)氣體的摩擦損失、附面層分離損失(尤其是激波-附面層相互干擾導(dǎo)致的分離)、尾跡損失及通過(guò)激波時(shí)的損失。其計(jì)算公式為：

3.2 附加損失

S1流面計(jì)算中，葉片通道中氣流三維效應(yīng)(如環(huán)壁附面層、二次流動(dòng)、徑向間隙泄漏流動(dòng)等)造成的損失，統(tǒng)稱為附加損失?add。該損失可由各種附加損失經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算，本次使用的計(jì)算模型為：

式中：?sec=c1/(H/C)，?c=c2/(e/H)，H為葉片高度，C為弦長(zhǎng)，e為葉片徑向間隙(轉(zhuǎn)子為葉尖間隙，靜子為輪轂間隙)，c1=0.03，c2=0.80。

4 設(shè)計(jì)攻角計(jì)算分析

對(duì)各類葉型在設(shè)計(jì)攻角下的參數(shù)進(jìn)行分析。使用MISES程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出葉型表面參數(shù)分布和損失。對(duì)比參數(shù)的變化，可看出銳化度對(duì)葉型表面流動(dòng)和損失的影響趨勢(shì)。圖3為A、B、C、D四種葉型改變銳化度后各類葉型葉片表面馬赫數(shù)的分布對(duì)比。由圖可看出，隨著銳化度的增加，葉片前緣峰值馬赫數(shù)均降低。說(shuō)明前緣處的繞流速度下降，速度梯度減小，有利于減小附面層分離。圖4為葉型銳化度變化與損失的關(guān)系示意圖，圖中Δβ為葉型氣動(dòng)彎角。由圖可看出，隨著銳化度的增加，葉型A的損失一直在下降，但當(dāng)銳化度大于1.28后損失的下降趨勢(shì)明顯變緩。隨著銳化度的增加，葉型B的損失也在下降，當(dāng)銳化度等于1.45時(shí)損失最小，其后銳化度增加到1.65之前損失略有增加，當(dāng)銳化度大于1.65以后損失不再變化。葉型C的損失也隨著銳化度增加而下降，銳化度為1.33時(shí)損失最小，此時(shí)前緣峰值馬赫數(shù)也最低。隨著銳化度增加，葉型D損失下降，當(dāng)銳化度為1.16時(shí)損失最小。總體看，四種葉型損失下降的速度隨著馬赫數(shù)的增大而逐漸變慢，當(dāng)氣動(dòng)彎角達(dá)到33°后損失下降停止甚至重新變大。

圖3 葉片表面馬赫數(shù)分布Fig.3 Mach number distribution on blade surface

圖4 銳化度與損失的關(guān)系Fig.4 Relationship between sharpness and loss

5 攻角特性計(jì)算分析

通過(guò)增大和減小氣流角度，可獲得各個(gè)基元葉型損失隨進(jìn)口氣流角的變化規(guī)律，從而得到可用工作范圍內(nèi)基元葉型的特性，即葉型的攻角特性。圖5為改變銳化度后各葉型攻角特性：

葉型A：從方案1到方案8，隨著銳化度的增加，損失降低，峰值馬赫數(shù)降低，葉身速度梯度減小，流動(dòng)分離推遲發(fā)生，從而使低損失攻角范圍增大；方案4(銳化度1.40)以后的方案，損失和低損失攻角范圍基本無(wú)變化。

葉型B：從方案1到方案8，隨著銳化度的增加，低損失攻角范圍增大；方案4(銳化度1.45)低損失攻角范圍最大；其后的方案，損失和低損失攻角范圍基本無(wú)變化。

葉型C：除方案1(銳化度1.00)損失相對(duì)較大，低損失攻角范圍較小外，其余方案的損失和低損失攻角范圍基本無(wú)變化。

葉型D：方案2(銳化度1.16)損失最小，低損失攻角范圍最大；當(dāng)銳化度從1.16減小時(shí)，損失迅速增大，低損失攻角范圍也迅速減小；當(dāng)銳化度從1.16增加時(shí)，損失緩慢增加，低損失攻角范圍基本不變。

6 結(jié)論

以四種典型的壓氣機(jī)靜子葉型為對(duì)象，數(shù)值研究了不同前緣銳化度下基元葉型的損失和低損失攻角范圍的變化，獲得以下結(jié)論：

(1)亞聲速進(jìn)口條件下，基元葉型橢圓前緣的銳化度在1.15～1.60之間較合適。此范圍內(nèi)基元葉型的損失較小，低損失攻角范圍較大。在該范圍內(nèi)，銳化度選擇數(shù)值隨著馬赫數(shù)的增加而增加。

(2)氣動(dòng)彎角將對(duì)損失隨銳化度增加而下降的速度造成影響。所研究葉型中，當(dāng)氣動(dòng)彎角達(dá)到33°時(shí)損失在葉型前緣銳化度增大到1.45后停止下降，當(dāng)氣動(dòng)彎角繼續(xù)增大時(shí)損失將重新增加。

圖5 各葉型改變銳化度后的攻角特性變化Fig.5 The properties of attack angle after sharpness modification