大转角超低展弦比扩压叶栅流场数值模拟及分析

2010-03-28焦广云

装备制造技术 2010年9期

严明，焦广云，魏然

（北京航空航天大学，1.航空发动机气动热力重点实验室；2.能源与动力工程学院，北京，100191）

随着现代航空工业的飞速发展,航空发动机的性能需要进一步提高。其中，压气机性能的改善，对整个发动机起着至关重要的作用。因此，如何提高压气机的性能，成了目前世界各国共同关注的重要研究领域之一。许多研究者都尝试了对叶型进行改造，借此来提高压气机压比和效率，有效地减小或消除附面层分离。

由于加大了对气流的转折能力，所以大转角静子叶栅内流动分离加剧，叶型损失增加。超低展弦比叶栅流动，受端壁附面层影响严重，最终造成较大的二次流损失。压气机中二次流损失与叶栅端壁和叶片表面附面层有关,如端区附面层中摩擦造成的损失、叶片表面附面层潜移引起的低能气体堆积造成的损失、通道涡造成的漩涡耗散损失等。二次流损失越大，总压损失越大，而总压损失系数沿叶高分布总是叶根、叶尖两端高，叶中低。这样，在设计时，要想减少端区的总压损失的话，需控制径向流动，使高能气体输运到端壁，降低端区的能量损失，提高端区总压。国内外专家学者的实验研究成果证明：采用倾斜、弯曲叶片，能明显降低叶栅能量损失。因此，本文设计了7种叶型叶栅并对其进行CFD模拟，通过计算结果，对比分析各个叶型叶栅的气动性能。

1 几何模型

本文共研究7个叶型叶栅，分别是：常规直叶栅（叶根到叶尖均匀加载），正倾斜叶片叶栅，直叶栅（外端壁前加载，内端壁后加载），直叶栅（叶中前加载，端区后加载），端区正弯曲叶栅，串列叶栅，直叶栅（叶根到叶尖全部前加载）。为方便起见，将其依次编号为：0型，1型，2型，3型，4型，5型，6型。下文中的叙述，将都采用这种编号方式。这7种叶型都具有大转角、超低展弦比的特点，转角为55°，展弦比为0.199。叶高0.0055m，弦长0.0276m。具体三维叶型如图1。

图1 0～6型叶片三维叶型

2 计算网格及初场边界条件

计算网格利用其旋转对称性，只对一个叶片进行数值计算，网格利用Autogrid软件生成，具体参数如表1所示。

表1 各叶型网格参数设置

初场设为静压1.064MPa，静温300 K；进口边界条件给定来流速度，轴向速度75m/s，周向速度106.18m/s，切向速度为0；出口给定背压1.064MPa；叶片表面为无滑移边条，两边界面为周期性边条。

3 计算结果及分析

本文计算采用FINE软件完成，为方便起见，计算结果均以0型为参照，分析如下：

3.1 静压增压比分析

表2 各叶型叶栅静压增压比

从表2可以看出，相对于0型，2型和4型有小幅提高，6型提高最大，1型、3型、5型有较大幅度降低。从这个参数来看，6型最好。

3.2 落后角分析

表3 各叶型叶栅落后角

从表3可以直接看出，6型叶栅平均落后角最小，相对0型减少了42.5%，3型相对于0型也有减少，减少了18.2%，6型减少的幅度较小，而2、4、5型叶栅平均落后角都有不同程度增加。从这个参数来看，6型最好。

3.3 流动损失分析

流动的能量的损失体现在总压损失上，用总压恢复系数σ=p2*/p1*来衡量损失的大小，本文中各叶型总压损失系数如表4所示：

表4 总压恢复系数

从表4可以看出，6型叶栅总压损失最小，5型叶栅总压损失最大。下面取每个叶型沿叶根到叶尖方向0.05倍叶高、0.5倍叶高、0.95倍叶高3个截面的马赫数分布和吸力面马赫数分布观察分离和损失情况，如图2所示。

图2 0型叶片沿叶高0.05、0.5、0.95截面处及吸力面马赫数分布

图3 1型叶片沿叶高0.05、0.5、0.95截面处及吸力面马赫数分布

图4 2型叶片沿叶高0.05、0.5、0.95截面处及吸力面马赫数分布

图5 3型叶片沿叶高0.05、0.5、0.95截面处及吸力面马赫数分布

图6 4型叶片沿叶高0.05、0.5、0.95截面处及吸力面马赫数分布

图7 5型叶片沿叶高0.05、0.5、0.95截面处及吸力面马赫数分布

图8 6型叶片沿叶高0.05、0.5、0.95截面处及吸力面马赫数分布

对比图2和图3可以看出，0型内外端壁分离区域较大，1型内端壁有明显改善，外端壁处分离稍加强，叶中处分离区域变大。结合吸力面马赫数分布来分析，可以看出分离发生之后，0型外端壁速度高，叶中速度低，使得附面层向叶中堆积，叶中处损失严重。再分析1型可发现，1型发生分离较早，内端壁处马赫数比叶中高，这样的话，内端壁附面层会向叶中迁移，同时发现内端壁至叶中区域速度梯度大，输运的能力较强，所以，低能气体在叶中至外端壁处堆积，该区域流动损失加剧，而叶中至内端壁区域流动情况有所改善。

对比图2和图4可以看出，2型内端壁分离情况明显改善，外端壁至叶中处分离稍有所加强。分析吸力面马赫数分布可看出，在靠近内端壁区域，下侧马赫数高，上侧马赫数低，这样会造成低能气体由内端壁向叶中方向输送，这种趋势比0型要明显，所以在靠近内端壁区域2型分离区小，流动损失少。2型外端壁至叶中方向为负马赫数梯度，并且该处梯度比0型要大，所以2型低能气体向叶中方向输运的效果要明显，导致外端壁至叶中区域流动损失加大。

对比图2和图5可以看出，3型内外端壁分离情况都有所改善。3型在整个流向上，呈现内外端壁压力高、叶中压力低的分布，即外端壁至叶中和内端壁至叶中，均为正马赫数梯度。在这种马赫数梯度下，内外端壁的低能流体向叶中迁移，两端区流动损失减少，叶中处流动损失加大。而在接近出口处可发现，马赫数分布逐渐变成两端区低，叶中高。在一定程度上使得低能气体向两端壁迁移，反映到总压分布上，便是叶中区域总压损失大，两端区稍有损失。

对比图2和图6可以看出，4型内端壁处分离情况均有所改善。4型两端区附近压力分布，都是两端区马赫数高，附近区域马赫数低。这种分布趋势，比0型明显，所以两端区分离情况得以改善，流动损失减小，叶中损失增大。在接近出口的一段区域里，叶中马赫数比两端区压力高，低能流体向两端迁移。

对比图2和图7的吸力面马赫数分布可知，5型下端壁分离情况严重，分离发生的较早，第二排叶栅从前缘至尾缘几乎全部分离，外端壁至叶中处掺混比较均匀，所以此区域流动损失减小的幅度比较小，相对而言，内端壁至叶中区域损失较大。

对比图2和图8可以看出，6型内端壁分离情况改善明显，外端壁处分离情况无明显改变，叶中分离稍有加强。6型与3型的马赫数分布相似，同样是内端壁区域，分离情况得到改善，流动损失减少，外端壁区域分离的比较早，流动损失增大。但总体上来看，6型总压损失比0型小。这与3型总压损失比0型大有所差异的地方在于：6型为前加载叶型，在未出现附面层分离时，加载叶型损失小，使得总体损失减小。内端壁处分离区较大，叶中处分离区域稍小，外端壁处分离区很小。