单级跨声风扇处理机匣径向倾角变化对性能的影响

黄 磊，余华蔚，吴艳辉

(1.中国燃气涡轮研究院，四川成都610500；2.西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072)

1 引言

轴向倾斜缝机匣处理因具有显著扩大压气机稳定工作范围的能力而受到国内外学者的关注。早期采用的测量技术及流场显示技术分析这些复杂的流动现象仍有很大的不足，使得以前的实验研究往往局限于获得总体性能或者基元级性能参数，或者比较不同处理机匣结构的扩稳效果优劣。至今为止，人们对该形式机匣处理影响压气机性能及流场的机制尚未完全清楚。

随着计算流体力学及计算机技术的发展，国内外一些学者开始尝试对轴向倾斜缝机匣处理进行数值模拟。从目前缝式机匣处理数值模拟的相关文献可知，对其流动机理相关研究工作做得比较多[1～5]，而对倾角变化对性能的影响做的研究较少。

倾角是处理机匣设计过程中一个很重要的参数，会影响效率、压比和裕度等重要指标。本文采用定常数值方法模拟某单级跨声速风扇流动，探索机匣处理径向倾角变化对压气机转子内部流场及性能影响的流动机理。

2 单级风扇及处理机匣结构

本文的研究载体为某单级跨声速风扇，由一排转子和一排静子组成。

本文的两种处理机匣除径向倾角有所不同外，其余结构完全一致。其设计参数见表1，结构示意见图1，计算网格见图2。

表1 处理机匣设计参数Table 1 Design parameters of casing treatment

3 数值计算方法

使用CFD软件NUMECA进行数值计算。具体计算方法为：结合Spalart-Allmaras湍流模型，并采用有限体积中心差分格式对三维雷诺时均Navi⁃er-Stokes方程进行求解；采用显式四阶龙格库塔法时间推进以获得数值解，同时加入二阶和四阶人工粘性项来消除数值计算过程中的伪数值振荡。使用多重网格法、局部时间步长等措施加速计算。

对于缝式处理机匣结构，由于其非轴对称性，因此计算中采用分区网格技术。处理机匣与转子通道间的交接面处理为滑移面，滑移面两侧采用超线性插值的方法进行参数传递。

两种带处理机匣的计算总网格数都约为138万。计算边界条件为：固体壁面为绝热无滑移边界条件；进口延伸段设为总压、总温分布方式，沿轴向进气；静子延伸段出口设为平均静压方式。

4 数值模拟结果分析

4.1 总性能分析

数值计算在设计转速30 000 r/min下进行。图3给出了100%设计转速下实壁机匣、机匣1、机匣2的特性曲线对比。从图中看，带处理机匣的近堵点流量要略小于原型风扇的近堵点流量。带处理机匣后，扩大了其稳定工作范围。

运用裕度改进量公式进行计算，100%设计转速下机匣1、2对原型风扇级性能的改变如表2所示：机匣1的裕度改进量为3.55%，效率下降了3.9%；机匣2裕度改进量为3.67%，效率下降了3.5%。

表2 100%设计转速下机匣1、2对原型风扇级性能的改变Table 2 Impact of treated casings on fan performance at 100%design speed

4.2 机匣1、2对流场影响的分析

图4对比了机匣1、2相对于实壁机匣近失速时刻叶顶的相对马赫数云图。由于实壁机匣的近失速工况流量是堵塞工况流量的99.8%，故选取各个机匣相应工况时，同样按照堵塞工况流量99.8%对应工况选取，下同。从图中看，两种机匣的激波位置都向叶片尾缘移动，这也是两种机匣都能扩稳的原因之一。另外，两者的变化不大，从叶顶吸力面分离角度来说，机匣1作用更明显，分离更小，而机匣2作用的范围略小，分离要大些。但机匣1处理后，叶顶流道相对马赫数为1的等值线相对较直，接近于正激波；而机匣2的叶顶流道相对马赫数为1的等值线偏斜，造成的损失相对较小。另外，机匣2的静子叶顶损失也要小些。

图5给出了约99%叶高处S1流面上的相对速度矢量对比。从图中看，两种机匣的流动分离现象与图4中的一致。实壁机匣时，在叶片通道内有两处速度很低的区域(图5(a)中A、B两个圆形标注区)，这两处区域有逆流和二次流出现，其高低速度交接面近似垂直轴向，使得气流只能从靠近叶片压力面流进或流出叶片通道。反观图5(b)、图5(c)，机匣处理后，在倾斜缝中形成的喷射流的作用下，叶顶通道内的低速气团得到了有利的激励，不仅消除了其旋涡状的流动形态，而且增大了叶顶通道的有效流通面积及流通能力，从而都延缓了压气机转子失速的发生。从机匣1与机匣2的对比来说，机匣2的尾迹损失略小，且逆流以及二次流也相对较小，因此其扩稳能力及效率略高。

图6为处理机匣选取的截面示意图，17～21分别为各个机匣选取的截面代号。图7为两种处理机匣在实壁机匣近失速工况的缝内流动对比。

从图中看，机匣1缝内利用转子通道内部存在的压差，在面18和面19有从后面往前面的抽吸射流运动且比较明显，其中面18的上游有少量反流；面20和面21也出现了少量反流；而在面17出现了比较明显的反流和旋涡，这非常不利于改善流动，从而导致缝内流动紊乱，效率损失较大。

机匣2缝内利用转子通道内部存在的压差在面19有从后面往前面的抽吸射流运动且较明显；而面18出现明显的旋涡和少量的反流；面20和面21比较类似，出现少量反流和一些从下游向上游的抽吸喷射运动；面17出现较明显的反流，这也非常不利于改善流动，导致缝内流动紊乱，效率损失较大。

由于本文主要考量的是倾角变化对风扇性能的影响，对扩稳同时带来的效率损失并没有做过多的结构优化。机匣2与机匣1相比，其逆流强度略弱，且自后向前的抽吸射流运动略强，因此机匣2(45°)的损失要小些，且扩稳能力略强于机匣1(60°)。

5 结论

(1)利用本文设计处理机匣结构能有效提高跨声速风扇的失速裕度，但同时也给风扇带来一定的损失。

(2)处理机匣结构的引入能有效抑制间隙泄漏流动及间隙泄漏涡破裂现象的发生。

(3)利用转子通道内部存在的压差，一方面，处理机匣能将激波与间隙泄漏涡作用后产生的低能阻塞团抽吸进入处理槽，有效地消除通道阻塞；另一方面，处理机匣能将这部分流体向风扇转子上游区域输运并射入主流，增加了转子的轴向动量，有效地抑制了间隙泄漏涡破裂现象的发生。

(4)径向倾角选为45°比选为60°的损失略小，且扩稳能力略强。本研究对类似单级跨声速风扇处理机匣设计具有一定的参考价值。

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