高負荷壓氣機葉柵附面層吹吸對氣動性能影響研究

趙雄飛，殷望添，賀 星，李洪松

（1.海軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局，遼寧 沈陽110031；2.海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢430033）

壓氣機作為航空發動機、燃氣輪機核心部件之一的發展要求為：更高的級負荷，效率和適當的穩定工作裕度。提高壓氣機的負荷通常采用提高動葉的葉尖速度和扭速兩種方法。但是葉尖速度的提高受到材料強度等因素的制約，所以提高壓氣機的負荷常常采取提高扭速的方法來實現。而扭速通過增大轉折角來實現，但是過大的轉折角又會導致葉片吸力面附面層的嚴重分離。因此控制附面層分離對于改善高負荷壓氣機的氣動性能，提高壓氣機做功能力有著極為重要的意義[1]。

1997年麻省理工的Kerrebrock最早提出吸附式壓氣機這一新概念[2]，其相關研究項目獲得美國國防部的資助，并進行吸附式風扇大尺寸模型的驗證工作。Kerrebrock等的研究結果[3-4]表明：附面層抽吸技術能夠有效地延緩分離，明顯提升了葉柵的通流能力和擴壓能力，同時也提高了壓氣機效率。陳紹文等[5]采用數值模擬方法研究分析低速條件下附面層抽吸對某型超高負荷壓氣機葉柵氣動性能（葉柵出口總壓損失、吸力面型面靜壓等）的影響，研究結果表明，附面層抽吸能使吸力面的分離區減小，從而改善葉柵氣動性能，得到不同吸氣量和不同吸氣位置對吸氣效果的影響。還進一步通過實驗研究了全葉高吸氣方式和兩種局部吸氣方式對葉柵流場結構和氣動性能的影響[6]。周正貴等[7]采用流場數值計算方法對吸氣葉柵流場進行研究，結果表明，高亞聲速壓氣機葉柵上采用吸力面附面層抽吸，能夠提高擴壓度，但不一定能夠減小流動損失；高亞聲速壓氣機葉柵上采用吸力面附面層抽吸，均可提高擴壓度并減小流動損失。蘭云鶴[8]以低轉速的亞音速壓氣機靜葉為研究對象，設置不同的附面層抽吸方案，研究結果表明，當在上、下端壁雙側抽吸時，能有效控制整個工況范圍內的氣流分離，并且總壓比和效率均得到提升，壓氣機的氣動性能得到有效改善。牛玉川等[9]測試了不同來流狀態下吸附式壓氣機葉柵的氣動性能，實驗結果表明，附面層吸除能夠減少氣流分離損失，降低總壓損失，改善氣動性能，選擇合適的氣槽抽吸位置和吸氣量，能進一步改善葉柵內部流動。

本文首先針對吸氣式葉柵進行研究，得到吸氣量對葉柵氣動性能的影響規律。在先前研究的基礎之上，創新性地提出四種吹吸方案，并利用數值計算方法模擬葉柵流場，通過與原型葉柵流場和氣動性能的對比，確定最佳吹吸方案。

1 附面層抽吸機理

附面層的分離會引起很大的流動損失，使葉柵通道的通流能力降低，進而使葉片表面氣流的轉折能力降低。如果附面層能很好地附著在葉片表面且厚度很薄，則氣流的流動損失會降低，進而會使壓比升高。

附面層的特征可以由Von Karman層流動量方程來表示，如式（1）所示。

式中，θ為附面層動量厚度，Cf為葉片表面摩擦系數，H為形狀因子，ue為自有流速度。

附面層未發生分離時，動量厚度如式（2）所示。

附面層發生分離時，動量厚度如式（3）所示。

其中，△θ2的存在是附面層抽吸的結果。

附面層未發生分離時，在附面層的流動中，表面摩擦力起主導作用；當附面層發生分離時，會產生一個較大的負壓梯度，表面摩擦力幾乎接近0，此時1/u·ed ue/d s起主導作用。

2 數值計算方法

本文采用NUMECA軟件分別對壓氣機原型葉柵、吸附式葉柵、吸吹式葉柵和雙吸式葉柵進行數值模擬，控制方程為N-S方程[10]，如式（4）所示：

fi為單位質量流體所受的質量力分力。

湍流模型采用S-A湍流模型，使用Runge-Kutta格式求定常解，使用殘值光順、多層網格加密、局部時間步長等技術加快迭代過程的收斂速度。網格如圖1所示。

圖1 計算網格

邊界條件：進口為軸向進氣，其總壓和總溫分布如圖2所示。出口靜壓為90 000 Pa，轉速17 188 r/min.

圖2 進口邊界條件

3 計算結果分析

3.1 吸氣量對氣動性能的影響

在距離葉片前緣60%的軸向弦長處位置沿葉高10%～90%方向等距離開10個吸氣孔，孔的直徑為0.005 m.級壓比和效率隨吸氣量變化的曲線如圖3和圖4所示，其中相對吸氣量為吸氣量與進口氣流量之比。

圖3 不同吸氣量下壓比分布

圖4 不同吸氣量下效率分布

由圖3和圖4可見，與原型葉片（為開吸氣孔的葉片）相比，開孔吸氣后，使壓比增大，但時效率有所下降。隨著吸氣量的增加，壓比和效率都呈現出先增加后減小的變化規律。結果表明，當吸氣孔處于某一位置不變時，存在一個最佳的吸氣量，使得壓比最大，或者效率降低的最少。

圖5為無吸氣和相對吸氣量分別為0.1%，0.4%，0.8%時對應的0.5葉高處葉柵馬赫數等值線圖，圖6為無吸氣和相對吸氣量分別為0.1%，0.4%，0.8%時對應的0.5葉高處葉柵吸力面尾緣附近局部熵云圖和流線圖。從圖5和圖6可見，原型葉片在吸力面尾緣附近存在氣流分離現象，當相對吸氣量小于最佳相對吸氣量（0.8%）時，隨著吸氣量的增加，氣流分離區域逐漸減小。這說明，吸氣位置距離氣流分離區的起始位置較遠時，吸氣可以使吸力面附面層的厚度減小，進而抑制尾緣附近的氣流分離，且吸氣量越多，抑制效果越明顯。當相對吸氣量大于最佳相對吸氣量（0.8%）時，吸氣位置極其后面的邊界層區域有一部分進入葉型內部，這說明吸氣量過大，導致葉柵通道內主流沖擊到葉片表面，造成吸氣位置后面的流場產生新的干擾，進而使得抑制效果減弱。

圖5 葉柵馬赫數等值線圖

圖6 分離區附近局部熵云圖和流線圖

圖7 為葉片吸力面極限流線圖。由圖7可見，原型通道渦分離線與端壁圍成的分離區域面積最大，且低能流體聚集區域也最大。當采用開孔抽吸邊界層后，分離明顯減弱，且隨著吸氣量的增加，效果越明顯。

圖7 吸力面極限流線

以上分析結果說明，采用附面層吸除可以明顯減弱氣流分離現象，并提高葉柵的擴壓能力。當吸氣孔的位置位于距離葉片前緣60%的軸向弦長處時，存在一個最佳吸氣量，對應著最大壓比，吸氣量超過該值，即使再增加吸氣量，也不能達到更理想的效果。

3.2 不同方案對氣動性能的影響

提出四種不同的開孔吹吸氣方案，如表1所示，利用數值計算的方法對不同方案葉柵的流場進行模擬。

表1 吹吸氣方案

圖8和圖9分別為上述四種方案與原型葉柵的流量—壓比曲線和流量—效率曲線。由圖8和圖9可見，與原型葉片相比，上述四種方案均能提高壓比和效率，方案四所用的雙吸式葉柵對壓比和效率的提升作用均最為明顯。

圖8 流量—壓比曲線

圖9 流量—效率曲線

圖10為不同方案的葉柵與原型葉柵的馬赫數等值線圖。圖11為不同方案的葉柵與原型葉柵0.5葉高處吸力面尾緣附近局部熵云圖和流線圖。從圖中可以看出，上述四種方案均能有效抑制吸力面尾緣附近的邊界層分離，雙吸式葉柵效果最佳。在遠離分離區的上游開孔吸氣可以抑制下游氣流分離，但在靠近分離區的區域或者分離區內部開孔吸氣，附面層發展已接近完成，不能有效抑制氣流分離，如圖11（d）所示。

圖10 葉柵馬赫數等值線圖

圖11 分離區附近局部熵云圖和流線圖

4 結束語

（1）設置吸氣孔進行附面層吸氣，能夠有效地改善壓氣機葉柵的氣動性能，抑制附面層分離，減小流動損失，提高壓比。

（2）在葉型某一位置吸氣時，存在最佳吸氣量。當吸氣量逐步增加到最佳值時，吸氣對附面層分離的抑制效果越好，當吸氣里大于最佳值時，導致葉柵通道內主流沖擊到葉片表面，造成吸氣位置后面的流場產生新的干擾，進而使得抑制效果減弱。

（3）四種葉型開孔吹吸氣方案對比可知，雙吸式葉柵對附面層分離的抑制效果最佳，對壓比和效率的提升作用也最為明顯。