不同葉型結構對懸臂式靜葉氣動性能的影響

懸臂靜葉作為軸流式壓氣機中的一種典型靜葉結構，具有結構簡單、成本低、重量小，有良好的機械性能等優點。為滿足小型渦扇發動機高可靠性、低成本的設計需求，其結構通常比較簡單、部件數目盡可能少。采用懸臂式風扇靜子可以將風扇靜子葉片和風扇外機匣作為整體加工制造，從而減少發動機零部件數目，簡化航空發動機的裝配工藝，提高發動機的可靠性。蔡睿賢在對某型機壓氣機進行研究的過程中發現，采用懸臂式靜葉結構的壓氣機在不同轉速下與傳統圍帶式相比都具有更高的壓比、效率和裕度

。與圍帶式靜葉相比，由于懸臂靜葉與輪轂之間的間隙導致懸臂靜葉流道內流場結構及相關損失機制存在明顯差異，而流場的主要損失來源于輪轂與葉片之間的泄漏流

。相關研究

表明，因懸臂靜葉結構而存在的泄漏流會發生橫向流動，削弱靜葉端部吸力面的角區分離，降低流道內的能量損失，但泄漏流同時會與流道內其它復雜的渦結構發生摻混，使得葉片輪轂附近區域的流線結構發生改變，產生泄漏流與其它二次流相互作用的復雜流場結構。因此，壓氣機的效率沒有得到提升，但采用懸臂靜葉的壓氣機的裕度較高。

左志濤

的研究表明：采用懸臂靜葉可以削弱靜葉靠近輪轂區域內二次流作用以及渦強度，降低流道內的工質因渦結構運動導致的損失，達到提升壓氣機性能的目的。

有學者對靜葉根部間隙大小、葉根間隙的形狀等因素變化對懸臂靜葉本身的流動以及壓氣機性能的影響開展研究。賈希誠

等人通過研究不同間隙形狀以及大小對懸臂靜葉流場的影響發現：在相同的工況下，靜葉根部間隙越大，壓氣機的氣動效率越低。對于相同的間隙面積，間隙向后逐漸擴大的幾何模型壓氣機的效率更高。Lu等人

對某1.5級壓氣機的懸臂靜葉開展三種不同間隙形狀(均勻型、漸擴型、漸縮型)對壓氣機性能的數值模擬研究，得出：相較于均勻型間隙，漸擴型間隙具有更好的性能，其對懸臂靜葉前緣區域的泄漏流有很好的削弱作用，可更好地抑制泄漏流的發展。漸縮型間隙具有相反的效果。

對懸臂靜葉本身的結構優化成為學者們提升懸臂靜葉性能的另一個研究方向。例如，可通過葉片的三維彎掠來影響葉片通道內的二次流發展。Luo

等人設計彎造型的懸臂靜葉對葉片內部的流道進行了詳細的研究。Friedrichs

等人通過設計掠造型葉片，發現帶有前緣后掠結構設計的靜葉相較于傳統靜葉在輪轂附近區域具有更好的氣動性能。鹿哈男

等人通過在懸臂靜葉靠近輪轂端采用局部端前掠造型設計，發現該結構可有效降低懸臂靜葉吸力面上的峰值馬赫數，以此降低跨音速懸臂靜葉的激波損失，提高壓氣機的氣動性能。Gümmer

等人通過實驗具體研究了彎和掠兩種造型設計對于靜子葉片氣動性能的影響以及相關的流場機制。

本文以某小型大涵道比渦扇發動機風扇靜子對象將傳統圍帶式風扇靜子葉片改為懸臂式靜子葉片，分別采用前掠、后掠、彎葉片三種葉型對懸臂靜葉進行結構優化，力求在保證發動機性能不降低的前提下，通過懸臂靜葉結構設計改進發動機風扇葉片的裝配方式，簡化結構和發動機的裝配方式，達到減少零部件數目，降低成本，提高發動機可靠性的目標。

1 研究對象

該模式充分利用互聯網、大數據等現代信息技術，為消費者提供全面、精準、便捷、時尚的休閑農業信息和服務， 將貧困鄉村地區的旅游景點、農特產品店加入到互聯網，促進貧困鄉村地區的旅游景點宣傳，拓寬旅游產品和農特產品的銷售渠道，助力旅游電商精準扶貧。廣西巴馬縣的農戶以富硒產業為依托，積極推廣健康飲水、清新空氣及養生火麻等概念，推出一批具有地域文化特色的鄉村旅游紀念品和農副土特產品，引導旅游電商企業建立注重農產品上線、促進商品流通的旅游電商服務平臺，同時開發采茶葉、撿雞蛋、割水稻、喂香豬等休閑農業體驗項目，借力巴馬長壽品牌打造農產品的商品化、品牌化，讓自駕游客通過體驗使自己汽車的后備箱裝滿當地特色產品。

為排除網格數量對數值模擬計算結果帶來的影響，基于風扇設計點工況開展網格無關性驗證。當總網格數大于83萬時，風扇級的壓比趨于穩定。為保證數值模擬計算的準確性，本文采用的網格數約為83萬。

圖3為四種不同結構懸臂靜葉根部的流線結構，可明顯看出，泄漏流由壓力面流向吸力面后與吸力面一側的流體發生摻混，且前掠、后掠兩種結構泄漏流在與壓力面一側流體發生摻混后的速度均大于原型懸臂靜子葉片，而泄漏流速度越大，代表動能損失越大，從這一點來說，前掠、后掠兩種結構會增大因泄漏流帶來的流體動能損失。而彎葉片結構減小泄漏流速度的效果較理想。通過對比四種懸臂靜葉結構泄漏流區域的面積大小發現：原型懸臂靜葉最大，前后掠、彎葉片三種結構泄漏流面積基本一致，而泄漏流區域面積越大，代表泄漏流與葉片通道內其它渦結構發生摻混的可能性越大，這會使得靜葉流道內的流動情況更復雜，降低流動的穩定性。故只有彎葉片結構都可以降低泄漏流發生摻混后的速度以及減小泄漏流發生的面積，降低發生摻混的可能性，從而達到降低因泄漏流帶來的能量損失以及提高葉片流道內流體流動穩定性。

2 數值方法

為考慮實際工作環境中改用懸臂式靜子對流場的影響，對風扇和靜子整體進行建模和數值模擬計算。采用六面體結構化網格對計算域進行網格劃分，網格拓撲如圖1所示，轉靜葉片均采用O4H網格拓撲結構，對壁面附近的網格采用加密處理，保證所有近壁面y+值小于2。

(1)

式(1)中，

代表工質的相對流速，

代表工質的渦量。螺旋度在渦核區域達到最大值。

接觸角的變化速率和膜表面的親疏水性有著很強的關聯，親水膜表面擁有更快的接觸角下降速率[16]。采用接觸角分析儀(JC2000D，上海中誠數字儀器有限公司)以4楨/s的速率測定180 s的動態接觸角。

本文研究對象為DGEN380小型大涵道比渦扇發動機靜子葉片。該發動機采用了齒輪傳動渦扇發動機技術，有效提高了發動機的經濟性。發動機采用了模塊化的設計思想，主要零件數目不超過60件，結構簡潔，便于維護。DGEN380發動機風扇包括一排轉子和一排靜子，其中轉子為葉盤一體式，包含14個葉片，靜子包含40個葉片。

3 結果與討論

為便于修改葉型，首先利用自編三維葉片造型程序對原始風扇靜子進行擬合，根據S1流面特征，沿葉高方向取7個圓錐面截取S1流面葉型，采用中線厚度法對各截面葉型進行擬合；將積疊線用1條5個控制點的Bezier曲線擬合。通過修改積疊線的控制點，設計出前掠、后掠、彎葉片三種結構。

對三種結構的葉片構型，針對相同工況進行數值模擬計算，考察靜葉彎掠對其氣動性能的影響。圖2為不同結構懸臂式靜葉總壓恢復系數分布圖，其中總壓恢復系數定義為相同葉高靜葉出口周向平均總壓與進口周向平均總壓之比。可以看出，后掠和前掠式設計的懸臂靜葉根部的總壓損失相較于原懸臂靜葉結構有所減小，但是后掠設計中主流區的總壓恢復系數有所降低。前掠式設計中不但高總壓損失區域減小，也沒有出現某一區域靜熵值突然增加的情況，總體損失較小。而彎葉片設計中兩端區的總壓恢復系數有所降低，這主要是由于彎葉片改變了徑向壓力梯度，使兩端區二次流有所增強。

為將原型葉片改成懸臂式，首先在不改變葉型的情況下，在建模時增加靜子葉片與輪轂壁面之間的間隙，形成懸臂式結構。

從比較法角度看，目前大數據保護模式大致分為三種:一是隱私權保護。這一模式主要致力于保護消費者的個人信息安全。二是知識產權保護。知識產權保護模式主要指著作權保護，重點針對大數據的傳播和利用。三是商業秘密保護。在此保護模式下，權利人通過訂立許可合同的方式保護商業秘密及其商業價值。誠然，歐美發達國家圍繞三種保護模式的爭論從未休止，究竟哪種模式更有利于實現大數據社會價值與個人信息利益的平衡，應當結合大數據發展的理論演化、大數據倫理價值觀、權利語境等進行深入剖析。

圖4為不同結構懸臂靜葉5%葉高處等熵馬赫數分布,橫軸表示相對軸向弦長。在0-10%弦長區域內，四種結構的懸臂式靜葉的等熵馬赫數分布基本一致。前掠結構的最大等熵馬赫數約出現在20%弦長處，后掠結構的最大馬赫數約出現在25%弦長處，彎葉片的最大馬赫數約出現在18%弦長處。原型懸臂靜葉的最大馬赫數峰值分布在20%-30%弦長區域，比較分散，另外三種結構則相對比較集中。通過比較四種不同結構懸臂靜子葉片等熵馬赫數曲線包圍的面積可看出，彎葉片所包圍的面積最小，說明彎葉片的負荷明顯降低，而負荷的大幅度降低意味著葉片流道內的泄漏流和通道渦的作用增強，造成較高的能量損失。前掠結構雖然在30%-70%弦長區域等熵馬赫數小于原型懸臂靜子葉片，但在0-30%弦長區域等熵馬赫數大于其余三種結構，等熵馬赫數曲線包圍的面積與原型懸臂靜葉基本一致。后掠結構等熵馬赫數曲線包圍的面積也與原型懸臂靜葉基本一致，沒有出現負荷突然降低的情況。

近年，隨著城鎮化水平的不斷提高，水資源短缺、河流污染、資源性缺水和水質性缺水已經成為限制臨沂市經濟社會可持續發展的瓶頸。臨沂市依托其河網密布、水系發達的優勢，對城區河道進行統一規劃，層層攔蓄，梯級開發，形成上下連接、左右貫通、縱橫交錯、互為補充的大水網，實現了“靜態水網、動態水體、環境優美、自然生態、以水為魂、人水和諧”的大水城建設目標，有力地促進了臨沂市的水系生態建設。

為進一步觀察靜葉流道內的渦流系統的發展情況，圖5給出了四種不同結構的懸臂靜葉軸向同一位置處的螺旋度分布云圖。其中，螺旋度H的定義如下：

=

·

采用ANSYS CFX軟件進行全三維定常數值模擬計算，壓氣機進口給定標準大氣壓條件(總壓：101325Pa，總溫：288.15K)和軸向進氣方向，工質為理想氣體，出口給定平均背壓。計算模型的固體壁面均采用絕熱無滑移條件，將轉靜葉交接面設置為摻混面。

處于溫帶草原氣候區的西部邊緣地帶，屬半干旱高原大陸性氣候，主要氣候特點是氣候溫涼，氣溫的日較差和年較差較大，白天氣溫高，春季升溫和秋季降溫都很迅速；降水不足，高度集中，水熱同期；風大、蒸發強烈；日照長輻射強；氣候有一定的垂直差異。年均氣溫為7.6 ℃，極端最低氣溫為-26 ℃，極端最高氣溫為41 ℃，氣溫年較差25.6 ℃，日較差13.6 ℃，積溫2 077.5 ℃，無霜期約160 d。年降水量368～450 mm，集中于七、八、九3個月；年蒸發量為1 100 mm，年日照時數2 600 h。土壤類型為粟鈣土。

有學者在《解放區發展民辦小學的歷史考察》中對解放戰爭時期小學教育進行了一定的研究。解放區在革命戰爭激烈的環境里，掀起了發展民辦小學的熱潮。解放區的民辦小學是在 “民辦公助”方針的指引下發展起來的。這個方針的提出和當時解放區正在進行的小學教育改革分不開。民辦小學的發展加快了在解放區普及小學教育的步伐，體現了普及教育中的群眾路線。

從圖5可以看出四種結構的懸臂式靜葉高螺旋度主要分布在10%-25%和75%-85%葉高區域。可以看到，除彎葉片外，機匣附近存在螺旋度負值比較大區域，這主要是由于頂部通道渦的存在造成的。對于彎葉片，在機匣附近存在一個正螺旋度比較大的區域，這是因為彎葉片改變了徑向壓力梯度的分布，通道渦與尾跡的相互作用改變。在輪轂附近存在負螺旋度比較大的區域，這主要是由于輪轂與葉片相對運動及泄漏渦造成的。

4 結論

本文以DGEN380發動機的風扇靜葉為研究對象，探究不同結構的懸臂靜葉結構對葉根部的流動情況以及流動損失帶來的影響，經過數值模擬計算及分析得到以下結論：

(1)前掠懸臂靜葉設計會使得泄漏流與葉片通道內正常流動流體發生摻混，增強泄漏流作用強度。但該結構沒有使得葉片通道流動損失增加，可以保證靜葉負荷穩定。

(2)后掠懸臂靜葉設計不但會使得因泄漏流造成的損失增大，還同時會使得靜葉的總壓恢復系數減小，造成更大的壓強損失。對于靜葉的氣動性能無明顯改善。

(3)彎造型懸臂靜葉設計雖然可以簡化葉根部的流動情況，減弱泄漏流的作用強度，但是對于懸臂靜葉的整體氣動性能沒有明顯改善。

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