自循环吸附动叶设计原理及数值模拟分析
2017-11-20曹志鹏赵龙波王靖宇关朝斌
曹志鹏， 赵龙波， 王靖宇， 关朝斌
1.中国航发四川燃气涡轮研究院， 成都 610500 2.中山大学 物理学院， 广州 510006
自循环吸附动叶设计原理及数值模拟分析
曹志鹏1,*， 赵龙波1， 王靖宇2， 关朝斌1
1.中国航发四川燃气涡轮研究院， 成都 610500 2.中山大学 物理学院， 广州 510006
研究了一种新型自循环吸附动叶，分析了其主要实现结构以及自循环吸附的原理。新型吸附结构利用动叶旋转离心作用形成的驱动力抑制了叶表分离、叶顶二次流动，增加了叶顶附面层动量，提高了动叶效率及稳定裕度。通过与传统的机匣处理技术的对比，阐明了自循环吸附动叶的独特结构以及叶顶喷气技术优势。以Rotor37动叶为例，依据基本的吸气、喷气原则，开展了吸气槽、叶顶喷气孔以及动叶内腔等自循环典型结构概念方案设计，突破了带有动叶内腔的复杂网格生成技术，完成了自循环吸附动叶内腔以及叶片通道内的流动分析以及特性分析。研究结果表明：自循环吸附技术优势明显，数值模拟证明其原理可行。
自循环； 吸附动叶； 叶表吸气孔； 叶顶喷气； 扩稳增效
自循环吸附动叶是一种新型转子叶片。动叶采用空心叶片结构，在叶片吸力面上开有叶表吸气孔或者吸气缝，叶片内部根据气动、结构和强度要求设置集气腔，在叶片顶部设置若干叶顶喷气孔，叶顶喷气孔与叶表吸气孔之间通过光滑的气流流路相连通，形成一个自循环流通结构。
自循环吸附动叶主要工作原理为：将叶顶喷气、叶表吸附两项关键技术合二为一，形成了一种新型自循环吸附动叶技术。在动叶工作过程中，利用动叶叶片高速旋转形成的离心力以及叶表和叶顶处的压力差产生气流内循环驱动力，将动叶叶表的低能量附面层流体通过吸气孔抽吸到叶片内腔，再将收集到叶片内腔的气体向上输送到叶片顶部，从动叶叶顶喷气孔以一定的角度喷出，在动叶主流道和内腔之间就形成一个不断循环的动态系统。
自循环技术的优势在于：由旋转离心力以及叶表、叶顶的压力差产生自循环所需的驱动力。一方面，在动叶表面可以通过驱动力产生的吸附作用抽吸叶片表面附面层中的低能量气体，起到减小动叶吸力面上流动分离的作用。另一方面，通过驱动力产生的喷射作用抑制从叶盆到叶背面的泄漏流，减少动叶叶顶的二次流动，起到动叶叶片顶部封严作用；同时，由于喷气为叶顶处低速附面层注入了高能量，可以提升动叶顶部抵抗逆压能力，从而延迟了激波移出叶片通道、形成失速的过程，增加了气动稳定性。
基于叶表附面层抽吸以及叶尖喷气的流动主动控制技术能有效地控制叶表附面层分离，提高叶片载荷能力，扩大其稳定工作范围，从而提高压缩系统性能。然而，无论是叶表附面层抽吸还是机匣处叶尖喷气技术，都需要补充新的动力装置或者额外结构，以实现抽吸/喷气流量的控制目标，这无疑增加了发动机外部设备的重量和复杂程度。相比于传统吸附技术，自循环吸附技术消除了抽吸流外排带来的流量减少，并且不需要引入外部的设备，结构相对简单，具有良好的工程应用前景。同时自循环技术可实现不同工况下吸气量的自动调节，具有自适应的气动特性。与同等载荷水平的常规风扇(压气机)相比，自循环吸附动叶的负荷能力增强，叶片数可以适当减少，从而减轻了风扇的重量。另外自循环系统中的空心叶片结构，还会进一步减轻风扇的重量，而且对于高负荷前掠弯掠的三维动叶叶片强度、振动抑制有益，因此具有良好的工程应用前景。
自循环吸附技术源于吸附技术以及叶尖喷气主动控制技术。现代高负荷风扇/压气机不断向着来流马赫数高、气流转折角大的方向发展，动叶进口的相对马赫数不断升高，进而产生较大的激波损失造成动叶效率快速下降。在大转折角下，气流容易发生分离，造成叶片间通道内的流动堵塞，不但会引起动叶效率大幅下降，而且会影响稳定裕度。提升负荷水平不可避免地会遇到附面层分离问题，通过单纯的几何边界改变是难以消除的。20世纪末，Kerrebrock教授等首先提出了吸附技术的概念[1]，其原理是通过在动叶中发生流动分离的叶片表面或者叶片通道上下端壁处设置抽吸缝/孔，通过外部抽吸装置将低能气体抽出(从根部或者尖部)，防止或推迟附面层分离，从而增加叶片气动载荷，同时获得期望的压比和效率。随后Kerrebrock教授带领的燃气涡轮研究团队深入开展了吸附风扇/压气机原理、设计、制造以及试验等研究，充分证明了吸附风扇/压气机的可行性[2-5]。麻省理工学院(MIT)还将吸附技术与对转技术结合，设计了吸附对转风扇，压比达到了3.0，效率为87%[6]。国内，葛正威等借助MIT的吸附叶型设计软件MESIS，阐明了吸气孔与激波附面层的位置关系[7]。刘波等较早地开展了吸附技术的试验和理论研究[8-9]，其通过粒子图像测速法(PIV)测量的吸附叶栅流场与理论分析吻合较好，试验表明抽吸位置处于分离起始点与严重分离区之间时，附面层分离才能得到明显的抑制，流场才能得到显著的改善。王掩刚等通过对跨声速叶栅的数值模拟，详细地介绍了吸气孔的角度和流量对叶栅性能的影响[10]。
对于跨声速风扇/压气机，由于扰动在亚声速和超声速情况下的传播规律不同，其稳定工作的流量裕度低，大量有关流动失稳的研究结果表明：压缩系统中非稳定流动的失速先兆总是首先出现在动叶叶尖区域，在充分认识导致压气机非稳定流动的间隙泄漏涡及其发展和影响机制后，研究人员提出了许多切实有效的流动扩稳措施，机匣处叶顶喷气技术就是其中之一[11]，其原理为从外部(或内部)引入高压气流，以合适的角度喷入主流道当中，增加间隙流动的流向动量，改善其流动结构，达到压缩系统扩稳的目的。近些年各国学者针对该项技术进行了广泛并且深入的研究。Weigl等通过在单级压气机机匣处叶顶喷气，实现了非设计转速稳定裕度超过3倍的提高[12]。Suder等对Rotor35进行叶尖喷气试验，结果表明喷气后叶尖区域的环面轴向平均速度越大，起到的扩稳效果越好[13]。Hathaway提出了自循环喷气扩稳的概念，其原理为在机匣上开设流路，利用动叶叶尖前后缘的压差将后缘气流引至前缘喷出，达到扩稳的目的[14]。Strazisar等在多级压气机中通过试验验证了自循环喷气对压气机稳定裕度的改善[15]。Weichert等设计了自调节(Self-regulating)机匣，使得设计点的循环流量降低，并最大化近失速点的循环流量[16]。国内方面，中科院聂超群的研究团队在压气机顶部进行了微喷气的试验研究，指出微量喷气可以有效地提高压气机稳定裕度[17-18]。吴艳辉等认为，机匣处叶尖喷气改变了流场载荷分布的格局，破坏了叶尖二次涡的形成条件，抑制了与流动失稳直接相关的非定常性的出现[19]。楚武利的研究团队在国内率先开展了自适应流通机匣的流动机理研究[20]，并通过试验研究指出自适应流通机匣可以同时提高压气机的性能和稳定裕度[21]。
从机匣内壁面向通道内喷气的方式，可以看做是一种流动主动控制技术，对于典型的动叶叶尖失速，有良好的扩稳效果。动叶叶尖喷气扩稳在机理上与机匣喷气扩稳是有很大差异的：机匣喷气扩稳中，叶片不断切割喷射气流来获得抵抗逆压的高能量，稳定裕度提高；动叶叶尖喷气时，喷气流和叶片同相位，对叶尖附面层的能量输入更精准、更稳定，抵抗逆压的效果更好；同时，喷射流在动叶叶尖的间隙区中形成了一个屏障，有效抑制了动叶叶尖由于叶盆与叶背的压力差形成的二次流动，提高了动叶尖部的效率。
目前国内外鲜有关于自循环吸附技术的公开文献。通用电气(GE)公司在介绍F414发展经历时提到该发动机风扇动叶使用自循环吸附技术提高负荷并改善了裕度[22]，并已经将这项技术申请了专利[23]。
本文通过对新型自循环吸附动叶基本原理的分析，明确了自循环吸附动叶与传统吸附、机匣处理等技术的不同之处，阐明了该项技术在高性能压缩系统中应用的优势，通过高负荷动叶自循环吸附系统概念方案设计、复杂网格生成以及三维流动评估，完成了动叶自循环吸附原理初步的数值验证，为进一步深入的研究工作提供了良好的基础。
1 动叶自循环流路设计的基本原则
动叶自循环吸附流路的设计主要包括吸气孔(吸附槽)、叶顶喷气孔和叶片内部空腔3部分(如图1所示)。吸气孔和叶顶喷气孔的设计分别借鉴了传统的吸附叶片设计和机匣处叶尖喷气技术。
吸气孔的设计与叶片气动特性相关。理想的吸气位置应处于激波后边界层刚发展起来的极大值位置处，该位置使得吸气既能较好地控制下游边界层的发展，又不会造成主流对叶型表面的冲击，同时所需要的吸气量也最小[7]。
吸气孔与叶片吸力面的夹角也是设计中需要给出的。文献[10]对吸气孔的角度进行了分析，其所设计的3种吸气孔都表现为随着抽吸量增加，吸气孔流量系数增加，但相同抽吸量时逆流抽吸孔流量系数始终大于顺流以及垂直孔。GE公司对该夹角有另一种认识[23]，其设计的自循环吸附风扇中，吸气孔与叶表呈顺流52° 夹角，依据是叶表附面层仍然具有一定的轴向速度，将吸气孔设计成顺流倾斜方式正好可以使附面层流体排走。这两种不同的理解，关键在于抽吸孔是否紧邻分离涡。如果在分离涡后，此时叶表附近的流体动量方向可能与主流相反，此时逆流式抽吸孔的有效流通面积最大，则流量系数较高。若抽吸孔附近未发生明显的气流分离，此时逆流式吸气孔会损失较大的动量，不利于流体排出。
叶顶喷气孔的角度和弦向位置对间隙流有直接的影响。文献[17]在机匣处进行微量喷气，仅进口流量0.096%的喷气量就获得了11%的压升系数提高，扩稳效果显著。喷气角度在圆周方向的变化会对扩稳效果产生影响，当喷气方向与叶片旋转方向相反时，喷气扩稳的效果最好。喷气孔的弦向位置应该以靠近前缘为宜。一方面是尾缘处的压力较高，喷气孔开在尾缘处不利于气流喷出去；另一方面，前缘是诱发失速的敏感区域，在此喷气扩稳效果较好[17]。
叶片内部空腔的设计，可以根据吸气孔的设计灵活调整内部空腔的结构。文献[23]设计的内部空腔就与叶片表面的吸气孔紧密匹配，从子午投影看，其内部空腔的径向高度和弦向宽度仅仅包含了叶表吸气孔。这样使叶片内部空心部分的体积最小，有利于提高叶片的强度。
图1 自循环吸附系统流路结构概念图Fig.1 Sketch of flow path structure of self-circulating aspirated system
2 动叶自循环流路概念设计与初步流动分析
本文以美国国家航空航天局(NASA)跨声速动叶Rotor37为研究对象，设计动叶内部的自循环流路，通过数值模拟的手段分析了自循环流动的特征，探索自循环吸附技术对跨声速动叶性能的影响。
自循环流路设计中按照由简到难的思路，首先进行了动叶叶表虚拟吸附和叶尖虚拟喷气的研究，其次开展了动叶实体槽吸附和实体喷气孔喷气的研究，最终完成自循环吸附流路的设计。由于只是初步的原理性探索研究，自循环流路设计中并没有纳入较多的工程约束。
2.1 NASA Rotor37
本文通过数值模拟的手段对Rotor37的性能进行了评估，网格与边界条件设置如下：总网格数为124.3万，在叶片表面和叶顶间隙靠近前缘位置作加密处理(如图2所示)；求解定常Navier-Stokes(N-S)方程，湍流模型为Spalart-Allmaras(S-A)模型，进口边界为海平面标准大气条件，出口边界给定背压。
图2 Rotor37叶表网格Fig.2 Surface mesh of Rotor37
评估的结果表明：数值模拟获取的特性流量整体偏大、效率偏低，其中设计点流量大了0.42 kg/s、等熵效率低了1.42%(见图3)。
图3 数值模拟的Rotor37总压比、效率特性Fig.3 Rotor37 total pressure ratio and adiabatic efficiency characteristics obtained by numerical simulation
2.2 虚拟吸附与喷气
虚拟吸附的方法是指在叶片表面吸附槽位置不开设实际的抽吸流路，而是将该位置的边界条件设置为出口边界。这种方法忽略了真实抽吸流动中的各项损失，是一种理想化的结果。吸附槽高为36.6 mm，宽为2.1 mm，径向位置处于35%～90%叶高处，弦向位于约60%弦长处，气动上位于吸力面激波投射点后(见图4)。虚拟喷气时在叶顶弦向16%位置处，将长约为5 mm、宽约为0.33 mm的区域设置为进口边界条件(如图5 局部放大区域所示)。
虚拟吸附计算时给定吸附槽出口背压，叶顶喷气时给定喷气进口的流量与速度方向。如图6所示，数值分析结果表明：虚拟吸附后动叶的压比较初始特性有所提高，堵点流量基本不变，近失速点流量增大了0.63%，峰值效率提高了0.3%，近失速点效率提高了1.11%，综合裕度提高2.38%。如图7所示，从近失速点90%叶高处马赫数分析来看，吸附后激波强度减弱且位置更靠后，激波投射点后的附面层更薄，尾迹对下游影响显著减小。综合而言，吸附后动叶的特性显著提高。虚拟喷气并没有显著改善动叶特性，如图8所示，从叶顶间隙的流动分析可以看到，喷气流虽然改变了激波形状，但并没影响到泄漏涡的结构。这种结果一方面可能是喷气的流量较小所致(虚拟喷气流量为0.005 kg/s)，另一方面是叶顶喷气区域较小，无法形成显著的气动封严效果。
图4 虚拟吸附槽位置示意图Fig.4 Sketch of virtual suction slot groove position
图5 叶顶虚拟喷气结构示意图Fig.5 Sketch of virtual jet structure of blade tip
图6 虚拟吸附、喷气特性Fig.6 Characteristics of virtual suction and injection
图7 近失速点90%叶高处马赫数的分布Fig.7 Distribution of Mach number at 90% blade height at near stall point
图8 设计点叶顶间隙马赫数分布Fig.8 Distribution of Mach number at blade tip clearance of design point
2.3 实体槽吸附与实体孔喷气
实体开槽吸附、叶尖实体孔喷气的位置与虚拟分析时一致，通过设计实体流路，使分析更贴近真实情况。这里对吸附槽和喷气孔的一种几何形式进行分析。实体吸附槽深为2 mm，与叶片表面垂直。考虑到叶尖强度问题，叶片顶部开设喷气孔数量不宜多，因此在叶顶前缘15%弦长位置依次开设3个喷气孔(见图9)，直径分别为0.7、0.8、0.8 mm，3个喷气孔的高度均为4 mm。
从图10的计算结果来看，开槽吸附后压比和效率较虚拟吸附均有略微的降低，实体孔喷气后动叶的峰值效率降低了0.32%。从叶顶的流场分析可以看出：实体孔喷气位置的相对马赫数约为0.4，虚拟喷气时约为0.55。如图11所示，实体孔喷气和虚拟喷气均对间隙泄漏涡产生了轻微的抑制效果，实体喷气后间隙中的流动均匀性较差。
图9 喷气孔的位置和尺寸示意图Fig.9 Sketch of position and size of injection hole
图10 实体吸附、喷气特性Fig.10 Characteristics of solid suction and injection
图11 工作点叶顶喷气流场对比 Fig.11 Comparison of jet flow field at blade tip atworking point
2.4 自循环吸附动叶设计
自循环流路结构设计需要在前述工作基础上，设计叶片内部空腔将实体吸附槽和喷气孔联通，形成完整流路。气动设计上需要考虑空腔的尺寸是否有利于建立吸附槽和叶顶的压差，使得自循环流路能够形成有效的流动。图12中空腔的径向高度约为37 mm，与吸附槽的径向位置保持一致，空腔弦向宽约为20 mm，占弦长约36%。据文献[23]的设计经验，从子午投影看，空腔仅在流向上包含了喷气孔和吸附槽。空腔最厚处约占叶片厚度的83%，主要是考虑到增大空腔厚度有利于抽吸流进入腔内。由于自循环流路的流量比较小，网格生成中应尽量提高不同区块之间网格点的匹配性，从而减小计算中不同面之间的差值，提高计算的准确性。图13中，通过完全匹配的网格连接了叶片表面、吸附槽和空腔，空腔与喷气孔以及喷气孔与叶片顶部通过非匹配的边界连接。
图12 自循环流路结构示意图Fig.12 Sketch of self-circulating flow structure
从图14计算的特性看，Rotor37采用自循环吸附结构后，靠近失速点压比略有提高，而靠近堵点压比略有降低；峰值效率比基础特性降低了0.41%，从堵点到近失速点随着背压提高，自循环流路中的流量变化范围在0.001～0.004 kg/s之间，吸附槽的抽气能力不及虚拟吸附的1/10。图15 中，设计工况激波正好投射在吸附槽后沿位置，此处叶表几何不连续，导致附面层发展恶化，甚至产生了分离。近失速工况时随着激波投射点前移，吸附槽后的附面层流动有所改善，此时吸附槽的抽吸能力也有所提高。越靠近堵点，激波投射点越靠近尾缘，吸附槽的抽吸效果越弱。由于无法形成有效的抽吸效果，并且吸附槽造成的叶表几何不连续会进一步恶化附面层发展，从而导致部分工况转子的效率较低。
图13 自循环吸附动叶网格示意图Fig.13 Sketch of self-circulating aspirated rotor mesh
图14 自循环动叶的吸附总压比和效率特性Fig.14 Characteristics of total pressure ratio and adiabatic efficiency of self-circulating rotor
进一步分析激波与叶表吸附流的作用发现(见图16)，自循环吸附后设计点激波的强度有所降低，激波位置略向前移动；近失速工况，激波强度较未吸附时变化较小，但激波位置靠后。自循环吸附后，不同工况转子激波位置变化较小，有利于稳定激波位置。自循环流路的流量较小，转子内部空腔的速度非常低，腔内形成了不同强度的涡，容腔效应显著。近失速工况时，吸附槽和喷气孔的速度较设计点有所增加(见图17)。图18间隙中叶顶喷气孔附近的速度明显降低，气流经过喷气孔上方时轴向的动量有所减小，且越靠近失速工况，效果越明显。虽然喷气流表现出了抑制间隙中泄漏流的作用，但自循环流路中的流量较小，气动封严效果并不十分显著。
综上表述，按照由简到难的思路，完成了自循环吸附动叶的设计，并且通过数值模拟的手段验证了本文所建立的自循环流路的有效性，通过详细的流场分析，对自循环流动特征有了初步认识。
图15 自循环吸附50%叶高激波投射点附近马赫数的分布Fig.15 Distribution of Mach number at 50% blade height of self-circulating aspiration
图16 自循环吸附50%叶高处叶表压力的分布Fig.16 Distribution of surface pressure at 50% blade height of self-circulating aspiration
图17 自循环吸附空腔中心面马赫数和流线分布Fig.17 Distributions of Mach number and streamline of center of self-circulating aspirated cavity
图18 自循环吸附叶顶间隙流线 Fig.18 Streamline of tip clearance of self-circulating aspiration
从流动现象看，不论是虚拟吸附还是自循环吸附都实现了将叶表低能流体抽走的最初意图。不同的是，虚拟吸附忽略了各种损失，其抽吸效果表现得很显著。而自循环吸附一方面由于部分工况激波投射点与吸附槽位置不匹配，另一方面由于空腔和喷气孔的影响，其表现的效果并不理想。叶顶喷气中，由于喷气量非常小，即使喷气流能对叶顶激波结构有所影响，但因为很难改变间隙泄漏涡的结构，从而无法实现通过抑制泄漏涡来提高稳定裕度的目的。这是因为本文所选取的算例Rotor37本身就是常规的设计，并没有考虑叶顶喷气孔对尖部叶型厚度的要求，在这种前提下，喷气孔的尺寸受到很大的约束，所以无法达到预期的效果。
3 结 论
1) 自循环吸附动叶有驱动力，与传统吸附技术相比，不需要附加的外部吸气设备，结构上有简单、轻质的技术优势；自循环喷气能够抑制叶顶二次流动，增加叶顶附面层动量，具有扩稳、增效的优势。
2) 动叶以叶表吸气孔、内部腔体和叶顶喷气孔构成的新型自循环吸附结构，利用动叶旋转的离心力作用以及叶表和叶顶的压差形成的驱动力，气流在叶片内腔和叶片通道之间的自然循环符合自循环系统的基本原理。
3) 以跨声速动叶为例，开展了概念方案设计，突破了三维网格生成技术，完成了自循环吸附系统的流动分析，用数值方法初步验证了自循环吸附的可行性。
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(责任编辑： 鲍亚平， 徐晓)
*Corresponding author. E-mail: caozhipenggte@163.com
Design principles and numerical simulation analysis of self-circulating aspirated rotor
CAO Zhipeng1,*, ZHAO Longbo1, WANG Jingyu2, GUAN Chaobin1
1.AECCSichuanGasTurbineEstablishment,Chengdu610500,China2.SchoolofPhysics,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510006,China
In the present study, a new self-circulating aspirated rotor is designed, and the self-circulating aspirated configuration and principles are analyzed. This new self-circulating aspirated configuration can restrain suction-surface separation and tip secondary flow by increasing boundary layer momentum using centrifugal effect, resulting in better rotor efficiency and stability margin. A comparison with the traditional methods for casing treatment shows the technical advantages of this rotor self-circulating aspirated configuration and tip jet design. According to the basic aspiration and injection theories, a concept design for the Rotor37 case, which contains suction slot, tip injection holes and hollow cavum, is carried out. This work breaks through the mesh generation technology with complex geometry, and conduct an analysis of the flow in the hollow cavum and the main passage of the self-circulating aspirated rotor. The results show significant advantages of this new self-circulating aspirated configuration, and feasibility of the configuration in numerical simulation.
self-circulating; aspirated rotor; vane suction hole; tip injection; stability extension
2017-01-04； Revised： 2017-02-19； Accepted： 2017-03-19； Published online： 2017-04-19 13:31
URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170419.1331.012.html
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V211.6
A
1000-6893(2017)09-521098-12
2017-01-04； 退修日期： 2017-02-19； 录用日期： 2017-03-19； 网络出版时间： 2017-04-19 13:31
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国家青年拔尖人才支持计划； 航空科学基金 (2013ZB24005)
*通讯作者.E-mail: caozhipenggte@163.com
曹志鹏， 赵龙波， 王靖宇, 等． 自循环吸附动叶设计原理及数值模拟分析[J]． 航空学报, 2017, 38(9): 521098. CAO Z P, ZHAO L B, WANG J Y, et al. Design principles and numerical simulation analysis of self-circulating aspirated rotor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(9): 521098.
http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn
10.7527/S1000-6893.2017.621098
