微型軸流風(fēng)扇葉尖非定常流動(dòng)控制的參數(shù)研究

摘要：在微型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的減小，風(fēng)扇中以葉尖泄漏渦系為主的流動(dòng)損失問(wèn)題較為突出，影響了風(fēng)扇的穩(wěn)定工作范圍。采用一種被動(dòng)式非定常流動(dòng)控制方式，即機(jī)匣開孔并通過(guò)自循環(huán)引氣方式實(shí)現(xiàn)非定常激勵(lì)來(lái)改善風(fēng)扇葉尖流場(chǎng)；通過(guò)CFD數(shù)值模擬的方法研究激勵(lì)頻率與激勵(lì)強(qiáng)度等主要激勵(lì)參數(shù)對(duì)控制效果的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)激勵(lì)頻率為泄漏渦主頻時(shí)能得到最佳的擴(kuò)穩(wěn)效果；在有效的控制方案下，激勵(lì)流量?jī)H為主流的0.06%時(shí)，可使壓氣機(jī)綜合穩(wěn)定裕度提升31%，同時(shí)峰值效率只損失0.37個(gè)百分點(diǎn)，為高性能微型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展探索了道路。

關(guān)鍵詞：自循環(huán)機(jī)匣處理；非定常流動(dòng)控制；激勵(lì)參數(shù)；微型軸流風(fēng)扇；微型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：V231.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）06-0196-05

Abstract：Due to the reduction of micro turbofan engine size， the flow loss mainly caused by tip leakage vortex in the fan is quite serious， which affects the stable working range of the fan. A passive unsteady flow control method is adopted， namely， unsteady excitation is realized through casing opening and self-circulation air entraining to improve the fan tip flow field. The influence law of major excitation parameters such as excitation frequency and intensity on the control effect is studied by CFD numerical simulation. The results show that the optimal stability expansion effect can be obtained when the excitation frequency is the main frequency of the leakage vortex. With the effective control scheme， when the excitation flow rate is only 0.06% of the main flow rate， the compressor's comprehensive stability margin can be increased by 31%， and the peak efficiency can only lose 0.37 percent point， which explores the way for the development of high performance micro turbofan engine.

Keywords：self-circulating casing processing; unsteady flow control; excitation parameter; micro axial flow fan; miniature turbofan engine

0引言

近年來(lái)，隨著航空宇航科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各類無(wú)人機(jī)、微小型無(wú)人設(shè)備受到各個(gè)國(guó)家的重視［1-2］，在軍事與民用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。微型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為微型無(wú)人設(shè)備的動(dòng)力裝置，相比于渦噴、渦漿發(fā)動(dòng)機(jī)在耗油率、推重比等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，極具發(fā)展?jié)摿Α簹鈾C(jī)轉(zhuǎn)子由于葉尖間隙的存在，在葉頂區(qū)域會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的渦系結(jié)構(gòu)［3］。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的減小，會(huì)使得葉頂間隙占流通截面的比例增大，增大了相對(duì)葉頂間隙，帶來(lái)更大的葉頂泄漏損失，并且降低了風(fēng)扇/壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。因此，為了改善其氣動(dòng)性能，采用有效的流動(dòng)控制方式十分必要。自循環(huán)機(jī)匣處理作為一種流動(dòng)控制方式能夠有效地控制流動(dòng)分離［4-6］，改善氣動(dòng)性能；非定常流動(dòng)控制作為當(dāng)前流動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域［7］，得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注與研究［8-9］。現(xiàn)有針對(duì)軸流轉(zhuǎn)子的流動(dòng)控制方法在拓寬穩(wěn)定工作范圍的同時(shí)勢(shì)必伴隨一定程度的效率損失，而對(duì)于微型轉(zhuǎn)子的流動(dòng)控制研究則較為缺乏。

本文以本課題組設(shè)計(jì)的微型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，采用一種自循環(huán)被動(dòng)式周期激勵(lì)機(jī)匣的非定常流動(dòng)控制方法對(duì)葉尖流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，探索激勵(lì)頻率、激勵(lì)強(qiáng)度等控制參數(shù)對(duì)微型風(fēng)扇轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作范圍的影響。

1研究對(duì)象及數(shù)值方法

1.1研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為本課題組設(shè)計(jì)的微型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，表1給出了該風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子模型如圖1所示。

1.2微型風(fēng)扇轉(zhuǎn)子計(jì)算方法及驗(yàn)證

本文數(shù)值研究中網(wǎng)格劃分采用Numeca軟件包中的Autogrid5模塊自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并采用默認(rèn)的Default拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。對(duì)近壁面及葉片前緣、尾緣網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，壁面第一層網(wǎng)格厚度設(shè)置為3×10-6m以保證劃分網(wǎng)格時(shí)y+＜10。圖2為單通道風(fēng)扇計(jì)算域網(wǎng)格。

本文數(shù)值模擬采用Fine/Turbo求解圓柱坐標(biāo)系下雷諾平均N-S方程組，湍流模型為Spallart-Almaras單方程模型，并選用理想氣體模型。定常數(shù)值計(jì)算采用二階中心差分有限體積法將控制方程進(jìn)行離散。非定常計(jì)算中時(shí)間步長(zhǎng)取為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)柵距所用時(shí)間的1/30，即2.666 666×10-6s，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行30次迭代。單通道出口采用背壓邊界條件，通過(guò)不斷減小背壓值，實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)從堵塞點(diǎn)到小流量邊界點(diǎn)的移動(dòng)。

為避免網(wǎng)格尺度對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，本文選用3套網(wǎng)格G1—G3，網(wǎng)格數(shù)分別為120萬(wàn)、150萬(wàn)、208萬(wàn)進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，在保證計(jì)算精度的前提下盡量節(jié)約計(jì)算資源。表2展示了設(shè)計(jì)點(diǎn)3套網(wǎng)格的絕對(duì)總壓比。結(jié)果表明：G2與G3的絕對(duì)總壓誤差小于1%，滿足無(wú)關(guān)性要求，故后文均采用G2網(wǎng)格進(jìn)行研究。

1.3自循環(huán)周期激勵(lì)機(jī)匣流動(dòng)控制方法及計(jì)算網(wǎng)格劃分

本文所使用的非定常流動(dòng)控制方法是來(lái)源于本課題組所提出的一種通過(guò)在機(jī)匣開孔的方式實(shí)現(xiàn)非定常激勵(lì)葉尖渦系的控制思路，即通過(guò)葉輪與機(jī)匣間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在機(jī)匣上設(shè)置周向間隔的激勵(lì)源，將相對(duì)于機(jī)匣為定常的抽吸或者射流轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)于葉片的非定常激勵(lì)。

本文所采用的自循環(huán)周期激勵(lì)機(jī)匣在此機(jī)匣開孔控制思路的基礎(chǔ)上，考慮到氣流經(jīng)過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子后的靜壓增高，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子后靜壓較高處開抽吸槽，并通過(guò)穩(wěn)壓腔將高壓氣體引致前緣開孔處，形成自循環(huán)流路。該種控制方法的激勵(lì)驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于流場(chǎng)內(nèi)部，不依賴外界大氣環(huán)境，屬于被動(dòng)控制，具體結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

本文自循環(huán)周期激勵(lì)機(jī)匣處理網(wǎng)格通過(guò)Numeca軟件中的Autogrid模塊，在前文轉(zhuǎn)子網(wǎng)格的基礎(chǔ)上使用ZR EFFECT功能建立自循環(huán)機(jī)匣模型以及進(jìn)行H型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成。自循環(huán)機(jī)匣的網(wǎng)格轉(zhuǎn)子網(wǎng)格采用完全非匹配（FNM）將網(wǎng)格進(jìn)行連接， FNM能將兩個(gè)的網(wǎng)格進(jìn)行相連而不用考慮兩側(cè)網(wǎng)格的匹配問(wèn)題，但這必須保證FNM兩側(cè)計(jì)算域的求解坐標(biāo)系一致。計(jì)算網(wǎng)格如圖4所示。

考慮到實(shí)際機(jī)匣開孔的工作過(guò)程，孔與葉片的相對(duì)位置會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化，即自循環(huán)機(jī)匣處在靜止坐標(biāo)系下求解，而轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下求解。由于二者求解的坐標(biāo)系不同，但又需使用FNM進(jìn)行網(wǎng)格的連接，故采用在孔的計(jì)算域與轉(zhuǎn)子葉尖之間增加兩個(gè)間隙薄層（Gap1和Gap2）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，已有學(xué)者［10］采用該種處理方式，并驗(yàn)證了其可行性。本文轉(zhuǎn)-靜交界面邊界條件處理如圖5所示。

2結(jié)果與討論

2.1激勵(lì)頻率的影響

為了探究激勵(lì)頻率對(duì)于非定常流動(dòng)控制的影響，首先對(duì)風(fēng)扇原流場(chǎng)的泄漏渦頻率進(jìn)行分析。通過(guò)在風(fēng)扇葉尖設(shè)置靜壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)并將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)快速傅里葉變換（FFT）得到壓力頻譜圖，如圖6所示。參照前人對(duì)于泄漏渦頻率的分析研究，在風(fēng)扇98%葉高截面，在壓力面沿弦長(zhǎng)布置了靜壓測(cè)點(diǎn)。圖7給出靜壓測(cè)點(diǎn)分布，并給出對(duì)應(yīng)位置編號(hào)。結(jié)果表明，各點(diǎn)捕捉到的泄漏渦主頻為5 619Hz，而壓氣機(jī)的葉片掃掠頻率（blade pass frequency，BPF）為12 500Hz，該風(fēng)扇轉(zhuǎn)子泄漏渦主頻約為0.45倍葉片掃掠頻率，即以泄漏渦主頻為激勵(lì)頻率可以通過(guò)兩通道開一孔實(shí)現(xiàn)，以泄漏渦頻率的二倍頻作為激勵(lì)頻率可以通過(guò)兩通道開兩孔實(shí)現(xiàn)。

圖8給出了施加不同激勵(lì)頻率的流動(dòng)控制以及無(wú)控狀態(tài)下的壓氣機(jī)特性曲線。圖中NC對(duì)應(yīng)實(shí)壁機(jī)匣。從圖中可以觀察到，兩種不同激勵(lì)頻率非定常控制方案的失速點(diǎn)流量相比于無(wú)控狀態(tài)均有所降低，穩(wěn)定裕度均有所提高。主頻F=1以及二倍頻F=2控制方案的綜合穩(wěn)定裕度分別為11.1%和9.9%。相比于無(wú)控狀態(tài)，綜合穩(wěn)定裕度分別提升了39%與24%，即主頻的擴(kuò)穩(wěn)效果要好于二倍頻，這說(shuō)明在相同的激勵(lì)強(qiáng)度下，以主頻作為激勵(lì)頻率對(duì)于流場(chǎng)有較好的改善效果。此外，無(wú)控狀態(tài)的峰值效率為87.8%，控制效果更好的主頻方案峰值效率為87.27%，施加控制后峰值效率下降了0.53個(gè)百分點(diǎn)，與被動(dòng)式機(jī)匣處理相比，該種非定常的控制方法用較小的效率損耗換來(lái)了較大的穩(wěn)定裕度提升，較好地調(diào)和了擴(kuò)穩(wěn)效果與效率損耗之間的矛盾。

為了進(jìn)一步探究激勵(lì)頻率對(duì)于流動(dòng)控制的作用機(jī)制，對(duì)98%葉高截面的靜壓進(jìn)行了分析，如圖9所示。從圖中可知，相比于實(shí)壁機(jī)匣，采用自循環(huán)周期性激勵(lì)機(jī)匣后，葉片前緣的靜壓差有所降低，說(shuō)明了該種被動(dòng)式非定常激勵(lì)的控制方法可以通過(guò)降低靜壓差來(lái)削弱泄漏流強(qiáng)度，進(jìn)而改善葉頂區(qū)域流場(chǎng)。此外，以主頻作為激勵(lì)頻率相比于二倍頻，葉尖前緣的靜壓差更低，且將通道激波向下游推動(dòng)，起到了拓寬穩(wěn)定裕度的作用。

圖10為 98%葉高截面的相對(duì)馬赫數(shù)云圖。從圖中可以觀察到，采用自循環(huán)周期激勵(lì)機(jī)匣后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域的低速阻滯區(qū)域向葉片吸力面靠近，對(duì)于葉頂流場(chǎng)的阻滯作用得到了改善，流通能力得到了加強(qiáng)。以主頻作為激勵(lì)頻率相比于二倍頻對(duì)于流場(chǎng)的調(diào)控作用更強(qiáng)，印證了前文以泄漏渦主頻激勵(lì)的擴(kuò)穩(wěn)效果更強(qiáng)的結(jié)論。

2.2激勵(lì)強(qiáng)度的影響

為了進(jìn)一步研究激勵(lì)強(qiáng)度對(duì)流動(dòng)控制效果的影響，選取上文研究所得的最佳激勵(lì)頻率即泄漏渦主頻作為激勵(lì)頻率，保持抽吸槽的位置和面積不變，通過(guò)改變射流孔的面積，實(shí)現(xiàn)不同的激勵(lì)強(qiáng)度。圖11給出了不同激勵(lì)強(qiáng)度的自循環(huán)機(jī)匣處理與實(shí)壁機(jī)匣性能的對(duì)比情況。圖中small對(duì)應(yīng)較小激勵(lì)強(qiáng)度方案，激勵(lì)流量約為主流流量的0.06%；large對(duì)應(yīng)較大激勵(lì)強(qiáng)度方案，激勵(lì)流量約為主流流量的0.15%。由圖11可以看出，較小激勵(lì)強(qiáng)度方案以及較大激勵(lì)強(qiáng)度方案的綜合穩(wěn)定裕度分別為10.4%和11.1%。相比于無(wú)控狀態(tài)，綜合穩(wěn)定裕度分別提升了31%與39%。此外，較小激勵(lì)強(qiáng)度方案的等熵效率要略高于較大激勵(lì)強(qiáng)度方案，峰值效率提升了0.16個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)比實(shí)壁機(jī)匣峰值效率下降了0.37個(gè)百分點(diǎn)。

總之，隨著激勵(lì)強(qiáng)度的升高，擴(kuò)穩(wěn)效果會(huì)隨之提升，但效率損失并不明顯，說(shuō)明非定常流動(dòng)控制對(duì)于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)控能夠起到“四兩撥千斤”的作用。因此選取合適的激勵(lì)強(qiáng)度方案可以在可能小的流動(dòng)損失的情況下獲得更大穩(wěn)定裕度提升。

3結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)一種自循環(huán)周期激勵(lì)機(jī)匣非定常流動(dòng)控制方法的主要控制參數(shù)進(jìn)行了研究，可以得到以下一些結(jié)論。

1）采用泄漏渦主頻及其二倍頻激勵(lì)均能使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的綜合穩(wěn)定裕度得到提升，二者均可以降低主葉片葉尖前緣兩側(cè)靜壓差，削弱該處葉尖泄漏強(qiáng)度。當(dāng)激勵(lì)頻率為泄漏渦主頻時(shí)，自循環(huán)周期激勵(lì)機(jī)匣對(duì)于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉頂通流能力的改善作用最強(qiáng)。

2）激勵(lì)強(qiáng)度存在一個(gè)閾值，在激勵(lì)強(qiáng)度低于該閾值時(shí)，增大激勵(lì)強(qiáng)度會(huì)使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子壓比增大，穩(wěn)定裕度提升，但效率損失變化不大。

3） 在有效的控制方案下，激勵(lì)流量?jī)H為主流的0.06%時(shí)，自循環(huán)周期激勵(lì)機(jī)匣對(duì)于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子性能提升已較為顯著，與無(wú)控狀態(tài)相比可使壓氣機(jī)綜合穩(wěn)定裕度提升31%，同時(shí)峰值效率只損失0.37個(gè)百分點(diǎn)。這說(shuō)明該種流動(dòng)控制方法能夠很好地平衡傳統(tǒng)機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)效果與效率損失之間的矛盾。

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收稿日期：20230308

基金項(xiàng)目：基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃項(xiàng)目（2022-JCJQ-ZD-193-12）

第一作者簡(jiǎn)介：黃嘉鑫（1998—），男，江西南昌人，碩士研究生，研究方向?yàn)閮?nèi)流流動(dòng)控制，755276911@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.039