端壁型線對轉子性能影響的研究

余雅琪 李恩華 李斌

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002；3.中國航發西航，陜西西安 710021）

葉柵通道中二次流的損失在葉柵總損失中占相當大的比例，約為葉柵總損失的30%～50%，甚至更高[1-2]。附面層在逆壓梯度的作用下產生分離，以及葉片吸力面和端壁附近流動的互相作用是二次流損失產生的主要因素，超音速入流還存在激波-附面層干擾誘發分離。要提高壓氣機的整體性能，對二次流實現有效控制成為重要途徑。在流動控制方法中，通過改變葉柵流道幾何形狀如彎、扭、掠葉片[3]、縫隙葉柵[4]、可控擴散葉型[5]和端壁成型等達到控制流動的方法稱為主動控制方法。在葉柵中通過吹氣、吸氣[6]等來影響流動的方法稱為被動控制方法。利用端壁造型來控制二次流動成為近幾年來研究熱點，非軸對稱端壁[7-13]是研究的主要方向，它利用的原理是壁面凸曲率能使流動加速減小靜壓，凹曲率能使流動減速，相應地增加靜壓。利用相同的原理，本文嘗試在軸向改變端壁型線來控制二次流動，從而達到減小損失提高壓氣機的整體性能的目標。

1.研究對象

本文的研究對象是NASA Rotor 37，其設計點參數如表1所示。

表1 Rotor 37 設計點參數

2.數值模擬及分析

本文使用NUMECA軟件中AUTOGRID5模塊進行網格劃分，拓撲結構為葉片表面附近區域使用O型貼體網格，其余部分使用H型網格，網格總數約58萬。網格有良好的正交性，壁面第一層網格Y+＜10，因此可以準確描述粘性流動細節，數值模擬結果可信。

數值計算使用FINE/TURBO模塊，求解選用三維雷諾平均Navier-Stokes方程，湍流模型為Spalart-Allmaras，使用Jameson的中心差分格式和四階Runge-Kutta方法進行時間推進，并采用多重網格和隱式殘差光順計算加速技術。

2.1 端壁造型

本文采用FORTRAN軟件編寫造型函數來對端壁型線曲率進行更改，分別生成了Concave型端壁、Convex型端壁以及S型端壁，如圖1所示。

圖1 軸向端壁造型示意圖

2.2 計算結果及分析

表2給出了4種端壁下的葉柵在設計點的性能參數。與原型相比，Concave的流量、壓比和效率均有增加；Convex的流量、壓比和效率均減小；S型和Concave一樣三者均增加，壓比增加幅度小于前者，效率大于前者。

表2 4種端壁下的葉柵在設計點的性能參數

圖2給出的是5%葉高相對馬赫數分布云圖，圖中顯示，氣流進入原型端壁葉柵通道內，收到通道收縮的影響，氣流加速，在行進到葉柵通道中間位置處形成一道斜激波，使氣流減速增壓，在激波、附面層以及徑向流動的共同作用下，在尾緣處產生較大的分離區域引起比較大的流動損失。與原型端壁相比，Concave端壁與S端壁的激波位置向前緣方向均有一定程度的遷移，超聲速區域變小；S端壁要比Concave端壁變化更加明顯，超聲速區域明顯變小，流動更加均勻，且尾緣處分離區域變小；Convex端壁的超聲速區域為四者中最大的，其尾緣處的分離面積增大。這說明Concave端壁和S端壁對葉柵通道內的壓力場分布產生正影響，使壓力增加更加均勻，減小了由逆壓梯度引起的損失，Convex端壁則相反，通道內的壓力損失增大。

圖2 5%葉高相對馬赫數分布云圖

圖3中顯示原型端壁的葉柵中存在明顯的分離現象，靠近尾緣部分不僅存在徑向流動還存在回流現象。Concave端壁和S端壁中這一問題有一定的緩解，分離區域減小，進而二次流損失減小，其中Concave效果更明顯一點；Convex端壁不僅使分離區域面積明顯增大，而且其極限流線圖顯示回流情況加重。

圖3 轉子吸力面上的極限流線圖

圖4給出了4種端壁下葉柵出口軸向速度分布云圖。原型葉柵出口靠近吸力面附近存在較大的低速區，局部出現負值，這是由逆壓梯度引起附面層分離導致的。Concave端壁下的葉柵和S端壁下的葉柵均使分離區域變小，改善了局部堵塞現象，分析其原因是由于端壁的變化改變了葉柵通道內的壓力分布，改善了通道流通能力，避免了附面層提前發生分離。圖4中可以發現，S端壁的效果要明顯由于Concave端壁，負值情況近乎消除。Convex端壁產生的影響則與前兩者相反，吸力面上分離區域明顯增大，而且端壁附面層變厚。

圖4 轉子葉柵出口處的軸向速度分布云圖

從圖5中可以看出，Concave端壁使轉子增壓能力提高，影響主要集中在0%～50%葉高；Convex端壁影響正好相反，影響范圍與Concave端壁一致；S端壁總壓分布與原型基本一致。這與前文中提到的整個葉柵通道的總壓比變化相一致。

圖5 出口周向平均總壓沿展向分布

圖6中可以看出，0%～30%葉高，Concave端壁的效率有一定的提高，Convex型端壁減小，S型端壁基本不變；30%～70%葉高，Concave端壁則減小，Convex端壁略有增加，S端壁增加較多；70%葉高以上沒有影響。這種分布在圖3中也可看出。

圖6 出口周向平均效率沿展向分布

3.結論

通過研究，得到以下結論：

（1）端壁型線對轉子的影響是通過改變通道內的壓力分布來改變通道內的流動，進而對轉子性能以及葉根分離現象產生影響。

（2）與原型端壁相比，Concave端壁能夠改善轉子通道內的壓力分布，有效控制附面層分離，減小二次流動引起的損失，使得流量、壓比、效率均有增加。

（3）Convex端壁使得附面層發生分離，堵塞狀況加重，從而轉子流量、效率、壓比均下降。

（4）S端壁流量、壓比、效率均增加，但壓比略低于Concave端壁，效率較之要高，并且S端壁轉子葉柵內的流動更加均勻。