吸力面附面层抽吸对大转角扩压叶栅气动性能影响

陆华伟，张永超，康 达，阚晓旭

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

高性能航空发动机不断向着高推重比、高效率和低油耗方向发展，这对压气机各部件性能提出了更高的要求，如何提高压气机压比、效率与稳定性是制约其发展的瓶颈。尤其在高负荷扩压叶栅流道内加剧的二次流引起的三维角区分离严重堵塞流道并产生掺混损失，在大冲角来流条件或来流畸变条件下，极易引发角区失速甚至压气机喘振现象。因此对角区分离及失速现象的有效控制是实现高性能压气机的关键［1－3］。

自MIT 的Jack Kerrebrock［4］提出吸附式压气机概念以来，附面层抽吸技术在压气机/风扇中得到广泛应用。通过在发生分离的叶片表面及端壁位置进行抽吸，消除或减轻附面层的分离，使得压气机级的做功能力达到常规级的2 倍［5］。美国NASA Gleen中心与MIT 合作对吸附式压气机/风扇进行了试验，结果表明附面层抽吸可以降低损失，提高压气机压比及效率［6－7］。Cartery 等人则对69°转角的平面叶栅进行了附面层抽吸研究，发现附面层吸除后可以大幅降低叶栅损失，改善流动特性［8］。Gmelin［9］和Lemke 等人［10］以及Liesner 等人［11］通过实验与数值研究了端壁抽吸效应，研究发现端壁开槽位置的确定对二次流的控制有显著影响。西北工业大学黄建、刘波［12］等人通过数值方法探究了附面层抽吸对某高负荷跨音风扇转子性能的影响，结果表明激波后不同位置吸气对转子压比和效率有不同程度的提升，尤其在近失速点附近影响较大。王松涛［13－14］等人则提出了低反动度高负荷吸附式轴流压气机设计思想，成功削弱了动叶附面层的分离。郭爽［15］等人实验研究了附面层抽吸对高负荷扩压叶栅性能的影响，并探究了不同吸气位置对流道损失的影响机制。

图1 叶型几何及气动参数定义

为讨论附面层抽吸技术在高负荷压气机叶栅中的应用效果，针对折转角为60°的NACA65 －010 叶型进行附面层抽吸研究，通过数值及实验方法探索附面层抽吸技术在高负荷平面叶栅中的应用机理。

1 叶型参数定义

叶型选用弯角为60°的NACA65 －010 叶型，叶型几何及气动参数定义方式如图1 所示，具体参数列于表1。抽吸内腔与叶片表面厚度为2 mm，开槽方式为沿吸力面展向开槽，槽宽2 mm，开槽位置分别为距前缘40%、50%、60%和70%轴向弦长，分别以SS1、SS2、SS3 和SS4 表示，如图2 所示，此外原型以ORI 表示。

表1 叶型几何及气动参数

图2 叶栅开槽位置示意图

图3 网格示意图

2 CFD 设定

网格选用ICEM CFD 划分H －O －H 型结构化网格，网格总数105 万，近壁面y+＜5，叶片表面建立O 型网格，并对前缘、尾缘及抽吸槽进行局部加密，如图3 所示。求解器选用ANSYS CFX，湍流模型为标准k－ε 模型。计算域进口边界条件设定来流总压、总温、入射角、湍流特征长度及湍流强度，出口设定静压值。叶片表面及上下端壁设定无滑移绝热条件，节距方向设周期性边界条件，网格上、下边界设定对称条件，抽吸槽出口设定流量出口。

图4 数值校核

3 数值结果校核

为校核数值计算结果的可靠性，对原型计算结果进行了实验校核，校核实验是在大连海事大学低速矩形风洞进行的，实验用五孔探针测量了出口截面流场。图4 所示为叶栅出口总压损失的实验及数值计算结果。比较发现，实验与数值计算结果吻合较好，尾迹高损区及涡系位置基本对应，实验因中部布点不足测得损失值偏小，由此可知数值方法具有较高可信度。

图5 吸力面极限流线

图6 型面静压系数

4 计算结果及结果分析

4．1 壁面流谱分析

壁面流谱可以表征近壁面附面层流体流动状态，然而近壁面位置流体速度很低几乎为零，此时以壁面摩擦力线可以代替壁面流线，本文即采用该方法研究近壁面流动状况。图5 所示为吸力面壁面极限流线。观察图中原型(ORI)可以发现，由于叶型弯角大，二次流相应增强，角区分离线起始于端部延伸至近中径位置处形成大尺度分离，在吸力面上螺旋结点发展成为集中脱落涡，严重阻塞流场。由此可知由于叶型弯角大，附面层厚度在流道中占的比例较大，在横向与逆向压力梯度作用下，附面层分离严重，造成流动损失。附面层抽吸后(抽吸流量为来流1．0%)，流场改善明显，表现为角区分离结构发生变化，螺旋结点代表的闭式分离结构趋于开式转化，角区流动好转，中径流通域相应增大。不同抽吸位置比较发现SS2、SS3 抽吸效果较好，抽吸导致角区分离起点向尾缘方向移动，而SS1 和SS4 位置处抽吸效果相比差一些。

图7 出口总压损失云图

图8 展向分布流量平均总压损失系数

图9 展向分布节距平均出口落后角

4．2 型面载荷分析

为探究抽吸对叶栅扩压能力的提升作用，本文研究了抽吸前后型面载荷分布，以静压系数表示。定义静压系数ω =(p －pin)/pv0，in，其中p 为测点静压，pin为进口静压值，pv0，in为进口动压。静压系数曲线包络的面积即型面加载能力，如图6 所示即不同展向位置处静压系数曲线。由于吸力面近尾缘处附面层分离严重，12．5%h 和25%h 处加载能力降低，抽吸的“拉拽”作用有效的抑制了附面层的分离，提升了吸力面加载能力，表现在抽吸位置之前吸力面静压系数降低。50%叶高流动较好，型面加载能力强于其他位置。不同抽吸位置比较发现，60%b 位置抽吸对型面加载能力提升最为明显，通过吸除来流的低能流体，抑制角区分离，增强了附壁流特性，该结果与图5 中壁面流线分析结果可以很好吻合。

4．3 出口流场分析

叶栅出口流场不仅可以反映叶栅中流动状态，而且可以直接决定下一级进气，出口流场的均匀度是保证压气机稳定工作的重要条件之一。图7 所示为叶栅出口总压损失云图，图中原型叶栅(ORI)存在明显高损区域，表明吸力面角区存在大尺度分离，通道涡和角区自由涡是流道损失的源头，低能流体的积聚严重堵塞流场，尾迹区损失增大。由图可知，通过附面层抽吸后，吸力面角区低能流体动能提升，抗逆压能力增加，附着涡层的通流能力增强，角区高损核心显著减小。而不同抽吸位置间比较发现，SS4位置处抽吸效果较差，由于该位置附面层已经分离，抽吸只能将附面层流体“拉向”吸力面，不能从根本上抑制分离。SS3 位置抽吸效果最佳，不仅吸除了来流低能流体，而且位于分离起始位置很好的抑制了分离的形成。相比之下，SS1 与SS2 处抽吸位置位于分离线之前，尽管移除了来流低能附面层流体但是新生附面层脱落依然构成了尾迹损失组分。

总压损失云图可以定性表明损失的分布，但不能定量表明损失的大小，而展向分布总压损失系数则可以清楚指明损失的大小及所在位置，如图8 所示，对于控制损失大有帮助。由于通道涡及脱落涡对低能流体的卷绕导致端壁至25%叶高位置损失值较大，最大损失系数值达30%，中径处流动较好，损失系数在5%左右。吸力面低能附面层流体的吸除，均从一定程度上降低了出口损失，但由于端壁位置处抽吸作用影响小使得该处损失依然很大，而中径处流动进一步改善，损失减小至2．5%左右。然而70%b 位置位于分离区内，该处抽吸不能从本质上移除附面层流体，角区低能流体吸除减小了角隅区损失，但中径处新生附面层的补充发展使其效果不佳。

为进一步探讨出口气流场的均匀程度，图9 给出展向分布节距平均出口落后角，定义落后角δ 为几何出气角与实际出气角之差。从图可见，通道涡对附面层流体的搬运作用使得端壁位置出现局部过偏现象，其它叶高处气流均处于欠偏转，15%叶高处由于通道涡与脱落涡作用导致欠偏角最大为27°，表明吸力面附面层过早发生分离成为自由涡层，势必降低级效率。附面层吸除后均不同程度增加了气流在叶栅内的折转能力，出口落后角减小，尤其是中径位置，气流向吸力面靠近，这在多级压气机中有利于改善下游叶栅冲角，级间匹配更为容易。

4．4 旋涡结构分析

图10 截面显示旋涡结构

叶轮机械中三维复杂涡系结构有力地组织着整个流场，旋涡的结构形态及发展过程可以反映整个流场的信息。图10 所示为截面显示的原型(ORI)及附面层抽吸的流道旋涡结构，我们可以发现，叶栅流道内主要存在有通道涡、集中脱落涡及尾缘脱落涡等结构，通道涡形成较早，于2．0%b 涡核已经形成，在向尾缘发展过程中尺度增大，涡核逐渐向吸力面移动并略有抬升，对端壁附面层流体起到“搬运”作用，在尾迹中形成近端壁高损区。集中脱落涡则于8．0%b 位置初步形成，形成于吸力面尾缘附近，流出流道后与尾缘脱落涡面相互作用共同构成另一高损区域。吸力面来流附面层的吸除，抑制了集中脱落涡的形成，集中脱落涡退化为结点形式，同时低能流体的减少部分削弱了通道涡的尺度，通道涡引起的损失有所降低。又由于SS3 位于分离线起始结点，附面层抽吸后增大了角区附面层动能，抑制了角区分离结构的形成，降低了流道损失。而SS2 位置抽吸只能延缓集中脱落涡的生成位置，流道出口依然存在强度较弱的脱落涡面，引发部分损失，相比之下，SS4 位置抽吸结果使得脱落涡面向吸力面方向靠拢，但不能彻底抑制脱落涡面导致的尾迹损失。

4．5 抽吸流量分析

不同抽吸位置比较发现，分离起始位置处即60%b 位置抽吸效果优于其他几种方案，针对该抽吸位置，初步探究了抽吸流量对叶栅损失的抑制效果，以出口总压损失值表征，抽吸流量分别为来流的1．0%、2．0%、3．0%、4．0%和5．0%，结果见表2，比较发现，在该抽吸位置随着抽吸流量的增加损失逐步降低，但降低的幅度逐渐减小，因此合适的抽吸位置处很少的抽吸流量就可以使得损失降低很多。

表2 不同抽吸流量总压损失值

5 结论

本文通过对大折转角扩压叶栅进行附面层抽吸的实验及数值研究，得出结论如下:

(1)由于叶型弯角大，端壁横向压力梯度作用较强，叶型损失主要表现为角区分离，分离的同时有集中脱落涡、尾缘脱落涡生成，并逐步发展，与通道涡作用形成尾迹区损失。

(2)吸力面附面层吸除可以有效降低叶栅损失，角区低能流体移除减小了角区分离尺度，叶型整体损失值下降，流动状况得到明显改善。

(3)不同抽吸位置比较发现在分离起始位置抽吸效果优于其他方案，该位置不仅吸除了来流附面层而且破坏了分离结构，出口流场趋于均匀。而分离线之前抽吸只能吸除来流附面层，不能抑制新生附面层的堆积，同样的分离线之后抽吸则由于分离已经发生，不能从本质上减小分离损失。

(4)同一抽吸位置下，随着抽吸流量的增加，损失逐步降低，整体流动好转，但是随抽吸流量增加损失降低幅度减小。

［1］Zhang，Y．F．，Investigation of Endwall Flow Behavior and Its Control Strategies in Highly －Loaded Compressor［D］．Xi’an:Northwestern Polytechnical University，2010．

［2］Liesner，K．，Meyer，R．，Schulz，S．，Non－Symmetrical Boundary Layer Suction in a Compressor CASCADE［J］．JOURNAL OF THEORETICAL AND APPLIED MECHANICS Vol．2012，50(2):455 －472．

［3］Chen，P． P．，Qiao，W． Y．，S． Farhan Ali Hashmi，Shi，P．J． and Zhao，L．，Passive control of hub － corner separation/stall using axisymmetric － hub contouring［J］，Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part G:Journal of Aerospace Engineering，2012，226(10):1214 －1224．

［4］Kerrebrock J L，Reijnen，Ziminsky W S，Smilg L M．Aspi－rated Compressors［R］．ASME Paper 1997，97(GT):525．

［5］Kerrebrock J L，Drela M，Merchant A A，et al． A Family of Designs for Aspirated Compressors． ASME Paper，1998，98(GT):196．

［6］Schuler B J，Kerrebrock J L． Merchant A A，Drela M，Adamczyk J．Design，Analysis，Fabrication and Test of an Aspirated Fan Stage［R］．ASME Paper2000(GT):618．

［7］Merchant A A，Drela M，Kerrebrock J L，Adamczyk J J，Celestina M． Aerodynamic Design and Analysis of a High Pressure Ratio Aspirated Compressor Stage［R］． ASME Paper 2000(GT):619，2000．

［8］ConleyA，Vaidyanathan A，SegalC． Heat fluxmeasure－ ments for a GO2/GH2single － element shear injector［J］．Journal of Spacecraft and Rockets，2007，44(3):633 －639．

［9］Gmelin，C．，Thiele，F．，Liesner，K．，Meyer，R．，Investigations of secondary flow suction in a high speed compressor cascade［C］． ASME TURBO EXPO，GT2011 －46479，Vancouver，June 2011．

［10］Lemke，M．，Gmelin，C．，Thiele，F．，Simulations of a ompressor cascade with steady secondary flow suction［J］．Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design，2013．(121):549 －556．

［11］Liesner K．，Meyer R．，Experimental setup for detailed secondary flow investigat ion by two －dimensional measurement of total pressure loss coefficients in compressor cascades［C］． VKI XIX Biannual Symposium on Measurement Techniques in Turbomachinery，2008．

［12］黄建，刘波，赵鹏程，等．附面层抽吸对高负荷跨音风扇转子性能的影响［J］． 航空工程进展，2012(3):338 －343．

［13］林伟春，羌晓青，王松涛，等．附面层抽吸对大折转角矩形叶栅流场结构的影响［J］． 节能技术，2007，25(3):195 －198．

［14］李龙，宋利，王松涛． 高负荷跨音速压气机转子气动设计及附面层抽吸研究［J］． 节能技术，2014，32(1):8 －12．

［15］Guo Shuang，Chen Shaowen，Lu Huawei，Song Yanping，Chen Fu． Enhancing Aerodynamic Performances of a High－turning Compressor Cascade via Boundary Layer Suction．Science in China Series E，2010，53(10):2748 －2755．