渐缩式射流缝对静子叶栅流场性能影响的数值研究

皋天一，张国臣，徐志晖，刘鹏程

(沈阳航空航天大学航空发动机学院辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136)

1 引言

压气机作为航空发动机的核心组成部件，提高其总增压比、效率和稳定工作范围等一直是国内外学者的研究热点[1]。现阶段压气机设计持续向高负荷、高增压比以及较宽广的稳定工作范围方向发展，但高负荷就意味着压气机内部流动更为复杂，甚至引起压气机效率降低和稳定工作范围下降[2]。通常，造成压气机内部流动失稳的主要原因，有气流分离、泄漏流、激波/附面层干涉等多种复杂机制[3]。压气机叶栅在大攻角或高负荷情况时，气流受较大的逆压力梯度影响，叶片表面易出现附面层分离的现象，且随着来流攻角的增大分离区也增大，而叶片表面附面层分离会使叶栅通道气流堵塞，阻碍主流流动，导致压气机流量减小，最终造成压气机流动损失及内部流动失稳[4]。

为控制叶片表面附面层分离，对叶片进行从吸力面到压力面的开缝处理，利用叶型两面之间的压差形成高速射流，向吸力面分离区低能流体注入能量，从而起到吹除附面层、降低流动损失的作用[5]。张相毅等[6]对NASA67风扇叶片进行研究，提出从叶片压力面到吸力面开孔射流以延缓叶片尾缘气流分离的技术，并通过数值计算的方法初步表明开孔射流能有效改善风扇叶片流场，提高压气机的性能和稳定工作范围。曹朝辉等[7]进行了某叶型开缝前后叶栅特性的数值研究，发现开缝射流能够改善叶栅表面静压分布，从而增大气流的转折能力，降低叶栅总压损失；同时也指出，对于开缝射流的结构还有待进一步研究。周敏等[8]研究发现，在叶片尾缘80%～94%叶高位置进行开缝处理，开缝射流对叶片压力面附面层有一定的抽吸作用，并且射流还可以控制吸力面附面层内气流由叶根向叶尖潜移，从而防止低能流体在叶尖堵塞。吴培根等[9]研究了槽道出口位置对叶栅性能的影响，得出了对于大弯度、高负荷叶型，在大攻角分离情况下，槽道出口最佳位置在叶型吸力面中部附近的结论。胡家国等[10]利用叶尖开缝射流进行压气机扩稳研究，发现射流缝的抽吸作用能减小叶尖间隙泄漏，从而扩宽压气机的稳定裕度，虽性能损失与扩稳效果负相关，但峰值效率的下降仍在合理范围内。王如根等[11]提出一种弧线形缝隙射流的方法，结合实验得出该射流能够抑制叶栅内复杂的端壁二次流，使出口流场更加均匀的结论，对进一步研究射流缝对叶栅流场影响的作用机理提供了新的思路。唐雨萌等[12]设计了一种双缝射流结构，通过比对单、双射流叶栅与原叶栅的流动特性发现，引入的第二个射流缝结构可以进一步推迟分离，降低损失，起到接力的效果。孙槿静等[13]发现在叶片根部开缝可有效控制角区分离，减小叶栅损失，增大其扩压能力。Ramzi 等[14]就不同射流缝结构对叶栅性能的影响进行了归纳总结，深入探究了叶栅射流的作用机理。Hu等[15]采用数值方法，结合旋涡结构模型，研究了叶栅射流的作用机理，以及叶栅射流对叶栅通道流场结构的影响，阐释了射流对尾缘和角区分离的作用机制。

分析公开文献发现，对射流缝的研究大多是针对等截面积的平行缝，关于射流缝通道形状对叶栅性能的影响还需进一步探索[16-17]。为此，在上述研究基础上，本文对射流缝进出口截面积比例进行调整，设计了一种渐缩式射流缝，对不同攻角和不同来流马赫数下的叶栅通道进行了数值仿真，并与等截面积的平行式射流缝进行对比，研究其对叶栅流场特性的影响，以及对静子叶栅流动损失的控制效果。

2 研究对象及方法

研究对象为某型压气机静子叶栅。在叶栅压力面与吸力面之间开渐缩式射流缝，利用叶型压力面与吸力面之间的压力差产生射流，通过渐缩式通道使射流进一步加速，提升射流效果。来流攻角较大时，叶片吸力面出现大尺度的附面层分离，利用叶栅射流可以在射流缝出口处向附面层内低能流体团注入能量，起到抑制附面层分离、降低流动损失的作用。如图1 所示，叶栅射流缝出口相对位置在叶栅弦长50%处。渐缩式射流缝出口宽度0.50 mm，入口宽度1.00 mm；平行式射流缝进出口宽度均为0.75 mm。定义射流缝靠近前缘的直线斜率为射流缝斜率，表征射流缝的倾斜程度，本文射流缝斜率约为1.3。两种射流缝结构高度均为150.00 mm，与叶高长度相同。

图1 原型叶栅与开缝叶栅Fig.1 Prototype cascade and cascade with slot

模型建立与网格划分采用NUMECA 的AutoGrid5 和IGG 模块。对射流缝进、出口位置网格进行加密处理，射流缝进出口与叶片吸力面、压力面采用非匹配连接，网格总数约为120 万。采用NUMECA 的Fine/Turbo 流场求解器进行三维叶栅数值计算。计算边界条件给定进口总压、总温及进口气流角，平均出口静压，固体壁面为绝热无滑移边界条件。射流缝叶栅三维结构及网格结构如图2所示。

图2 射流缝叶栅三维结构及网格示意图Fig.2 3D structure and mesh structure of slotted cascade

在之前的工作中，分别对该静子叶栅进行了实验测量和数值模拟，图3给出了弦长方向上，静子叶栅表面等熵马赫数实验结果与数值模拟结果的对比[18]。图中，x/b为实验测量点沿弦向的相对位置。可看出，数值模拟结果与实验结果变化趋势一致，虽实验值略高于数值模拟值，但整体误差较小。误差产生的原因为，数值模拟对流动模型进行了简化处理，采用理想气体模型，忽略了黏性。本文采用相同的数值模拟方法对叶栅开缝展开数值研究，采用S-A湍流模型[19-20]和中心差分离散格式。

图3 叶栅弦长方向表面等熵马赫数数值模拟与实验结果的对比[18]Fig.3 Comparison of isentropic Mach number distribution between numerical and experimental data along chord direction[18]

3 结果与讨论

总压损失系数-ω作为衡量叶栅流场流动损失大小的参数[21]，可以有效反应叶栅流动损失情况，其定义为：

图4给出了攻角i为0°、15°和-5°时，叶栅通道出口平均总压损失系数随来流马赫数的变化。图中，Main为来流马赫数，Prototype表示原型叶栅，Convergent Slot表示渐缩式射流缝叶栅，Parallel Slot表示等截面积平行式射流缝叶栅。可看出，当攻角为0°和-5°时，带射流缝结构的叶栅通道与原型叶栅通道相比，叶栅尾缘处总压损失系数均有所增大。这两种攻角下，原型叶栅流场性能较好，流动损失主要来源于叶型损失；开缝后射流与主流掺混反而使损失增大。但两种带射流缝结构相比，平行式射流缝的总体损失相对较高。当攻角为15°时，带射流缝的叶栅出口总压损失明显降低。这是因为大攻角情况下，叶片表面附面层分离带来较大的流动损失，此时开缝射流能向附面层内低能流体注入大量能量，从而改善叶栅流动，使损失大幅降低。这说明射流缝在大攻角的情况下更能起到良好的流动控制作用。相比于平行式射流缝，渐缩式射流缝的控制效果明显更优。这是由于马赫数小于1.0时，渐缩式通道结构能够起到加速气流的作用，使射流缝出口流速更大，控制效果更明显。

图4 总压损失系数随来流马赫数和进气攻角变化曲线Fig.4 Total pressure loss coefficient with different inflow Mach number and incidence angle

图5～图7 分别给出了来流马赫数为0.6，攻角为0°、15°和-5°时50%叶高截面马赫数分布云图。可以看出，当攻角为0°时，叶栅通道流场较好，整体速度均匀，吸力面尾缘处出现很小范围的附面层增厚现象，总体损失较小。原型叶栅与渐缩式射流缝叶栅通道附面层分离区变化不明显，渐缩式射流缝叶栅吸力面高速区略小一些，速度等值线略微前移，流过叶栅通道的流体速度有所降低。这是由于在0°攻角时吸力面和压力面之间压差较小，射流速度较低，与主流掺混后拉低了整体流速。平行式射流缝带来的损失则更为明显，掺混后吸力面附面层增厚，尾迹区明显增大。说明渐缩式通道对射流的加速作用在分离较小时起到了更明显的控制作用，有效降低了低速射流带来的额外损失。

图5 叶栅通道中部马赫数分布云图(i=0°，Main=0.6)Fig.5 Mach number distribution at the middle of cascade passage(i=0°，Main=0.6)

图6 叶栅通道中部马赫数分布云图(i=15°，Main=0.6)Fig.6 Mach number distribution at the middle of cascade passage(i=15°，Main=0.6)

图7 叶栅通道中部马赫数分布云图(i=-5°，Main=0.6)Fig.7 Mach number distribution at the middle of cascade passage(i=-5°，Main=0.6)

当攻角为15°时，叶片吸力面出现大尺度的附面层分离，形成了较大面积的低速区，造成叶栅通道气流堵塞，相对流通面积减小，气流速度大幅度降低。在射流作用下，渐缩式射流缝叶片吸力面附面层厚度明显变薄，通过叶栅通道气流整体流速明显提升。这是由于大攻角下叶型两面压差较大，射流出口速度更高，且射流通过收敛通道后速度进一步增加，与主流掺混后向附面层内低能流体注入能量，使叶栅通道主流流速增加，流场性能得到改善，损失降低。平行式射流缝也能起到改善流动的效果，叶栅出口低速区有所减小，但由于平行式射流缝在相同压差时对气流的加速作用明显弱于渐缩式射流缝，起到的控制效果有限。

当攻角为-5°时，原型叶栅的流动效果较好，主要损失源于压力面附面层分离。而开缝叶栅通过射流缝能将压力面附面层内的低能流体吸入，不过由于射流流速低于主流流速，在吸力面与主流掺混后反而引起了吸力面气流分离，虽延缓了叶片压力面分离，却导致吸力面分离加重，整体流速降低，损失有所增大。同样，因渐缩式通道的加速作用，其带来的损失也小于平行式射流缝叶栅结构的。

图8～图10给出了原型与两种射流缝结构叶片吸力面极限流线与静压分布。攻角为0°时，气流流过渐缩式射流缝叶栅后，静压升高，此时叶片表面附面层未发生大尺度分离，端壁附面层分离是损失产生的主要原因。在端壁效应的影响下，气流沿叶高方向潜移，在角区汇聚，分离程度有所加强，此时受横向逆压力梯度的影响，气流向叶片中部流通能力减弱，使得流场恶化，整体损失有所增大。对于平行式射流缝，低速流团与主流的掺混导致叶片吸力面分离提前，是流场恶化的主要原因。攻角为-5°时，与攻角为0°时类似，渐缩式射流缝角区分离略有增大，平行式射流缝叶栅吸力面分离点向前缘移动，使损失略有增大。而攻角为15°时，角区叶型表面附面层分离带来的损失远大于端壁附面层的，渐缩式射流使整个叶高范围内的流场趋于均匀变化，显著改善了角区流动分离，有效抑制了气流沿叶高方向的潜移；平行式射流缝虽也使角区分离减弱，但其作用效果明显低于渐缩式射流缝结构的。可以得出，射流缝结构在加速附面层内流体流动的同时，还能起到抑制叶栅角区分离的作用，从而降低整体损失，减弱叶栅通道内二次流动和旋涡结构；但叶片表面分离较小时，射流对角区分离的控制效果不够理想。

图8 叶栅吸力面极限流线与静压分布(i=0°，Main=0.6)Fig.8 Limiting streamlines and static pressure distribution of cascade suction surface(i=0°，Main=0.6)

图9 叶栅吸力面极限流线与静压分布(i=-5°，Main=0.6)Fig.9 Limiting streamlines and static pressure distribution of cascade suction surface(i=-5°，Main=0.6)

图10 叶栅吸力面极限流线与静压分布(i=15°，Main=0.6)Fig.10 Limiting streamlines and static pressure distribution of cascade suction surface(i=15°，Main=0.6)

图11 给出了不同攻角下原型与两种射流缝结构叶栅通道出口马赫数沿径向的分布曲线。图中，横坐标采用径向长度的归一化表示。可以明显看出，当攻角为0°时，渐缩式射流缝结构对叶栅出口流速有一定的提升作用，而平行式射流缝叶栅尾缘马赫数有所降低，尾迹区明显增大(图5(c))，说明渐缩式通道对流体的加速作用在攻角为0°时带来的损失更低，并且使尾缘处速度有转变均匀的趋势，也能进一步降低尾迹掺混损失。攻角为15°时，由于附面层分离尺度较大，尾迹区明显增大(图6)，速度分布更不均匀，渐缩式射流缝使尾缘处速度大幅提高，平行式射流缝叶栅尾缘马赫数也有所增大，但不明显，说明渐缩式射流缝对抑制压气机叶栅流动分离起着积极作用。攻角为-5°时，分离区速度降低明显，射流缝使尾缘处速度波动增大，但渐缩式射流缝带来的损失远低于平行式射流缝的。

图11 不同进气攻角下叶栅通道出口径向马赫数分布Fig.11 Outflow radial Mach number distribution of cascade passage with different incidence angle

图12 给出了不同攻角下原型与两种射流缝结构叶栅出口沿叶高方向的总压恢复系数曲线。图中，横坐标为总压恢复系数，纵坐标采用沿叶高方向高度的归一化表示。可以看出，当攻角为0°时，由于附面层分离区域很小，所以整体扩压能力未受到很大影响，总压恢复系数较高。原型叶栅在叶高中部总压波动较大，为气流分离使速度变化不均匀所致。带有射流缝的叶栅通道由于附面层增厚导致总压下降，但其能让尾缘处速度分布均匀，从而使叶高方向总压趋于均匀变化。当攻角为15°时，因附面层分离严重，叶栅通道严重堵塞，在射流作用下，叶栅通道的堵塞得到缓解，扩压能力提升，总压损失显著改善，并使沿叶高方向的总压趋于均匀变化，起到了降低损失、提高叶栅性能的作用。相比较，平行式射流缝总压变化波动较大且变化不均匀，渐缩式射流缝能使叶栅尾缘总压变化趋于稳定。当攻角为-5°时，与攻角为0°时的类似，两种射流缝总压损失均有所提高(图4(c))，但渐缩式射流缝的损失比平行式射流缝的略小。

图12 不同进气攻角下叶栅通道出口叶高方向总压恢复系数曲线Fig.12 Outflow total pressure recovery coefficient of the cascade passage along the blade height direction with different incidence angle

4 结论

为降低压气机对静子叶栅损失，设计了一种渐缩式射流缝叶栅，并与传统平行式射流缝叶栅进行对比。对原型叶栅与开缝叶栅，在来流马赫数0.3～0.6、攻角分别为0°，15°和-5°时、进行数值模拟对比分析，得到如下结论：

(1) 射流缝对流场性能的影响主要体现在两方面，一是对压力面附面层的抽吸作用，二是对吸力面附面层的吹除作用。当叶片表面分离较小时，叶栅通道流场较好，射流速度较低，不足以吹除吸力面的低能流体，与主流掺混后反而引起额外损失。当叶片表面分离较大时，叶栅通道严重堵塞，此时两种射流缝结构均能发挥良好的抽吸与吹除作用，大幅减轻叶栅通道堵塞，提高流场性能。

(2) 叶栅开缝射流能有效改善角区分离，在全叶高范围内对气流沿叶高方向的潜移起到控制作用，使近壁端气流趋向均匀变化，对提高叶栅流场性能有积极影响。

(3) 渐缩式射流缝结构对射流具有二次加速作用，使射流缝出口流速进一步提高，作用于叶栅流场时，不仅在分离较大时起到的流动控制效果比等截面积的平行式射流缝结构的好，而且在分离较小时能有效降低低速射流带来的额外损失。

(4) 渐缩式射流缝能够有效改善叶栅出口流场性能，使叶栅通道出口参数趋于均匀变化，降低叶栅掺混损失，从而提高叶栅性能。

(5) 叶栅渐缩式射流缝能够有效改善流场结构，相比于平行式射流缝具有更好的流动控制效果，但其在零攻角、负攻角下带来的损失也不容忽视。在未来的研究中，如何控制零攻角、负攻角下的总压损失，将是主要研究方向。此外，深入研究渐缩式射流缝最佳进出口截面积比例、出口相对位置以及射流缝斜率，对提高叶栅流场性能将有积极影响。