支板融合OGV平面葉柵數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)研究

杜峰，周正貴，韓露

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

支板在發(fā)動(dòng)機(jī)中起到不可替代作用的同時(shí)，由于其自身體積較大，因而會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外涵處的流場(chǎng)造成一定影響。在氣動(dòng)方面，支板使得通道內(nèi)流場(chǎng)沿周向不均，引起的擾動(dòng)會(huì)向上游傳播，影響OGV葉柵流場(chǎng)，有時(shí)甚至穿過(guò)OGV葉柵通道到達(dá)風(fēng)扇，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子流場(chǎng)不均勻。另外有研究表明[1]，對(duì)于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，OGV的損失每增加1%，發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率約提高0.33%。支板的存在還會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲產(chǎn)生不利影響，研究表明發(fā)動(dòng)機(jī)外涵支板引起的壓力脈動(dòng)是造成發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的原因之一[2]。在結(jié)構(gòu)方面，支板的存在也增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和質(zhì)量，不利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。因此外涵道支板的設(shè)計(jì)是決定渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能好壞的重要因素。

如圖1所示，一般外涵道處的OGV與支板呈軸向分布?，F(xiàn)將支板與OGV并排沿周向分布，結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以縮短軸向距離，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，另外具有改善氣動(dòng)性能以及降低噪聲的良好效果[3]。

圖1 原始支板OGV結(jié)構(gòu)

圖2 支板融合OGV結(jié)構(gòu)

平面葉柵試驗(yàn)研究仍然是取得葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的重要手段，是葉柵理論的重要組成部分[4]。本文針對(duì)外涵支板融合OGV結(jié)構(gòu)進(jìn)行了50%葉高的平面葉柵流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算及葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)，主要研究目的是通過(guò)平面葉柵試驗(yàn)檢驗(yàn)支板融合OGV結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)性能，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)臺(tái)

目前國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)建立了自己的風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了各類平面葉柵試驗(yàn)[5-7]。本文的平面葉柵試驗(yàn)在南航的暫沖式跨音速平面葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該試驗(yàn)臺(tái)由快速閥、流量調(diào)節(jié)閥、擴(kuò)張段、穩(wěn)定段、收斂段、工作段以及轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤等幾個(gè)主要部分組成。

圖3 平面葉柵風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)件

如圖4所示，支板融合OGV平面葉柵試驗(yàn)件由支板、OGV葉片以及輔助葉片構(gòu)成。葉片均為支板融合OGV結(jié)構(gòu)50%葉高處葉型的直葉片，葉高90mm，上下端壁蓋板為800mm×200mm。

圖4 平面葉柵試驗(yàn)件

如圖5所示，葉柵中部為支板(Strut)，靠近支板壓力面?zhèn)鹊牡?個(gè)OGV葉片為PS1，第2個(gè)葉片為PS2；靠近支板吸力面的第1個(gè)OGV葉片為SS1，第2個(gè)葉片為SS2，其余以此類推。其中PS1、PS2、PS3、SS1、SS2、SS3也就是最靠近支板兩側(cè)的6個(gè)葉片葉型各不相同，其余OGV葉片均為葉型相同的普通OGV。實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中只測(cè)量PS6-SS5之間的11個(gè)OGV及1個(gè)支板葉片， PS6和SS5外側(cè)的OGV葉片均為輔助葉片，目的是為了保證葉柵流場(chǎng)的周期性。

圖5 平面葉柵葉片分布

2 葉柵流場(chǎng)計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型及方法

支板融合OGV葉柵模型如圖6所示，網(wǎng)格采用AutoGrid5自動(dòng)生成,上下端壁為固壁邊界,生成的網(wǎng)格數(shù)約為565萬(wàn)。

圖6 支板融合OGV平面葉柵模型

計(jì)算采用商用軟件NUMECA FINE/Turbo，湍流模型為Spalart-Allmaras。設(shè)計(jì)點(diǎn)的進(jìn)出口邊界條件如表1所示。

（2） 量取30 mL花生油倒入炒鍋內(nèi)加熱至八成熱時(shí)加入生姜、蒜米、蔥、香菜爆香，然后加入茶葉、花生等其他原料，加10 mL水防黏鍋，翻炒至香味漸濃、茶葉脆斷即可。

表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)出口邊界條件

2.2 縮尺模型可行性分析

受限于風(fēng)洞尺寸，需要對(duì)原始支板融合OGV葉柵進(jìn)行一定的縮尺，縮尺比例為1∶4.5。對(duì)原始尺寸葉柵以及縮尺后的葉柵進(jìn)行了設(shè)計(jì)點(diǎn)流場(chǎng)計(jì)算，并比較了不同的紊流模型，其中縮尺葉柵選取了S-A，kω-SST無(wú)轉(zhuǎn)捩以及kω-SST轉(zhuǎn)捩模型。

各模型的出口總壓及出口氣流角沿切向分布，如圖7、圖8所示。不同縮尺模型的出口總壓分布基本重合，一致性較好，出口氣流角差別最大值出現(xiàn)在支板兩側(cè)，約為0.5°，差別較小。

圖7 不同模型出口總壓切向分布

圖8 不同模型出口氣流角切向分布

出口的計(jì)算平均值如表2所示。不同的紊流模型縮尺葉柵以及原始葉柵的出氣角均在0°附近，總壓恢復(fù)系數(shù)也基本接近。

表2 縮尺模型與原始葉柵計(jì)算結(jié)果比較

2.3 葉柵攻角特性研究

為了解支板融合OGV全工況氣動(dòng)性能，對(duì)支板融合OGV結(jié)構(gòu)葉柵進(jìn)行攻角研究，計(jì)算不同進(jìn)口馬赫數(shù)下的攻角特性線。

圖9為進(jìn)口馬赫數(shù)分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8以及0.85下的葉柵攻角損失特性線。從圖中可以看出，當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)較低，在0.5以下時(shí)，葉柵的特性線完整，攻角范圍較大，葉柵的整體損失也不大；進(jìn)口馬赫數(shù)增大至0.6時(shí)，葉柵在負(fù)攻角下的損失明顯增大；當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)增大到0.7時(shí)，葉柵在大負(fù)攻角下到達(dá)堵點(diǎn)，攻角范圍減小；隨著背壓的不斷降低，葉柵在負(fù)攻角下氣流堵塞愈來(lái)愈嚴(yán)重，進(jìn)口馬赫數(shù)無(wú)法上升，當(dāng)馬赫數(shù)繼續(xù)增大至0.8時(shí)，負(fù)攻角下的葉柵全部達(dá)到堵塞點(diǎn)，特性線缺失，攻角范圍變得很小，只剩下部分正攻角，且總體的損失進(jìn)一步增大。

圖9 不同進(jìn)口馬赫數(shù)下的攻角特性線

為了研究進(jìn)口馬赫數(shù)增大、葉柵負(fù)攻角范圍減小的原因，查看-2°攻角下，4個(gè)不同進(jìn)口馬赫數(shù)下的馬赫數(shù)云圖，如圖10所示，從中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)增大，吸力面局部加速區(qū)速度逐漸增大至超音，且超音區(qū)域不斷擴(kuò)大，形成的激波堵塞葉柵通道，使得進(jìn)口馬赫數(shù)無(wú)法繼續(xù)增大，因此葉柵的負(fù)攻角范圍減小。同時(shí)激波的存在也使得葉柵的損失急劇增大。

圖 10 i=-2°時(shí)不同進(jìn)口馬赫數(shù)下葉柵馬赫數(shù)云圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)進(jìn)行了支板融合OGV平面葉柵在進(jìn)口馬赫數(shù)M1=0.4，攻角i=-6°、0°、+10°以及進(jìn)口馬赫數(shù)M1=0.7，攻角i=0°下4個(gè)工況點(diǎn)的吹風(fēng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果及分析如下所述。

3.1 出口總壓損失系數(shù)分布

圖11為不同攻角i及進(jìn)口馬赫數(shù)M1下，出口50%葉高處總壓損失系數(shù)切向分布的試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果比較?？傮w上來(lái)看，試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律基本一致。OGV葉片的尾跡損失相對(duì)較小，葉柵的支板尾跡損失較大，最大損失約為OGV的兩倍。當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)為0.4時(shí)，正、負(fù)攻角下葉柵與零攻角相比損失整體有所上升，且正攻角下尾跡增大尤為明顯；零攻角下，M1=0.7相比于M1=0.4，葉柵的損失也整體上升。

圖 11出口總壓損失系數(shù)沿切向分布

圖11中實(shí)線為計(jì)算結(jié)果，黑散點(diǎn)為試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。

3.2 出口氣流角分布

從圖12的出口切向氣流角分布試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果來(lái)看，支板的存在使得支板兩側(cè)的出氣角變化較大，遠(yuǎn)離支板的出氣角基本在0°附近；在大的正攻角下，由于支板吸力面?zhèn)鹊姆蛛x，氣流出現(xiàn)虧轉(zhuǎn)，出氣角減小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)支板融合OGV結(jié)構(gòu)平面葉柵進(jìn)行了研究，分析了葉柵的攻角特性、尾跡分布規(guī)律。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：

圖12 出口氣流角沿切向分布

1) 通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)使用縮尺后的葉柵與原始尺寸葉柵流場(chǎng)一致性較好，確定了試驗(yàn)的可行性。

2) 葉柵在低馬赫數(shù)下，損失較小，攻角范圍較大。當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)不斷增大，大負(fù)攻角下，葉柵通道內(nèi)的局部超音區(qū)不斷擴(kuò)大并進(jìn)入葉柵通道內(nèi)形成堵塞，使得負(fù)攻角范圍減小，損失急劇增大。

3) 進(jìn)行了50%葉高的平面葉柵試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果有較好的一致性，驗(yàn)證了攻角以及進(jìn)口馬赫數(shù)對(duì)葉柵損失的影響；同時(shí)發(fā)現(xiàn)大攻角時(shí)，支板會(huì)對(duì)OGV的軸向出氣有較大影響。