串列静子叶片流动机理研究

2023-03-29彭鸿博

计算机仿真 2023年2期

彭鸿博，冯远，陶源

(中国民航大学航空工程学院，天津 300300)

1 引言

现代航空发动机的发展要求了更高的推重比和可靠性，为了提高航空发动机的推重比，这就要求发动机核心部件之一的压气机具有更少的级数和更高的级压比。而相比于传统的压气机单列叶片，串列叶片是一种常见的高负荷叶片，具有气流折转角大、总压损失小、工作范围宽等优点。它是通过前后排叶片之间存在的缝隙作用，使得附面层在后排叶片上得到重新发展，叶片就能承载更大的负荷，同时避免产生更高的流动损失。

近年来，国内外对于串列叶栅都进行了充分的实验研究。国内方面，陶源，刘宝杰等先后针对跨声速串列转子叶片和静子叶片，通过调整叶型的轴向和周向位置，研究了前后叶片间的匹配并对叶片进行了优化设计工作[1]；刘志刚重点研究了串列叶栅的流场特性，得出了串列叶片具有更大的气流折转角和更大的攻角范围等结论[2]；沈淳，滕金芳利用数值模拟的方法展开了串列叶栅受轴向相对位置影响的研究[8]，通过研究发现了不同的轴向和周向位置会明显地影响串列叶栅整体的气动性能。国外上世纪70年代就对串列转子进行了研究，普惠公司在其单级试验台上对跨声和亚声速条件下的串列叶片进行了试验究[9-11]，得出了在不同的工作条件下串列叶片体现出的不同性能。通过以上的研究表明，串列叶栅可以很大程度上提高压气机的级负荷，扩大喘振裕度，提高压气机的效率，所以串列叶栅是提高航空发动机性能的重要技术手段，研究串列叶栅的流动特性是很有必要的。

本文基于以上研究，利用了数值仿真的手段对来流马赫数为0.8的串列静子叶栅进行流动机理分析，分析了前后排相互影响机制，主要是针对前/后排叶片单排工作与串列条件下的流动特性进行对比。由于串列叶片的结构比较复杂，它是由前后两排叶片按照一定的轴向和周向位置排列组合而成的新型叶片，而传统的压气机叶片都是单独工作，不会收到其它叶片的影响。而串列叶片的前排叶片和后排叶片之间位置很近，会存在二者之间互相影响的现象。所以需要对串列静子叶片进行内部的流动分析，同时由于串列静子叶片也会受到端壁机匣的影响，所以分析内容也包括了叶片在主流区和端壁区之间的差异。由此可见，研究串列静子叶片内部前后排叶片相互影响机制十分重要。

本文的创新之处在于，串列叶片本身在国内外航空发动机压气机中的应用比较少，还停留在试验和仿真阶段。并且因为研究对象是串列静子叶片，端壁区存在机匣的影响，流动现象会出现明显的变化。所以需要对比分析叶片在主流区和端壁区产生的不同的流动现象。在现有的研究中，对串列静子叶片的研究较少，同时对比分析静子叶片在主流区和端壁区的流动区别也不全面，对串列静子叶片在近端壁处的前后排叶片互相影响机制的研究并不深入。本文就是在此背景下对串列静子叶片的内部流动机理进行研究。

2 数值模拟方法

在对串列叶片的研究过程中，整体的研究手段包括两种，一种是利用风洞实验室对叶片进行接近于工作状态时的分析。这种手段的优点就是能够充分贴近叶片在工作中的流动状态，实验数据充分真实。但是成本太高，并且会受到外界因素的影响。而第二种手段就是采用了数值模拟仿真的技术方法。优点在于，整个过程相对于实验比较简便，应用仿真软件就可以实现，同时设置规定的边界条件，就可以对研究对象的工作环境进行界定。在以往的仿真中已经证实了数值模拟方法的准确性和结果的真实性。所以本文利用此手段对串列静子叶片进行研究分析。

2.1 网格划分

构造串列叶栅网格使用了NUMECA软件中的针对叶轮机械用户所开发的Autogrid网格生成软件。在构造网格的过程中需要保证网格的质量，网格划分的方法是采用了结构化网络，前排叶片和后排叶片分别采用O型网格包围边界层，流域的其它位置使用H型网格。前排叶片尾缘压力面的一部分与后排叶片吸力面前缘的一部分对应形成一块拓扑结构，这样在前后排叶片交接位置的正交性也得到了很好的改善。串列叶栅整体网格数量大约在850000个。

2.2 边界条件设置

成功构建网格模型后，仿真计算采用ANSYS软件中的CFX模块进行处理计算，求解三维定常雷诺平均N-S方程，计算使用的是二阶精度的K-epsilon湍流模型。

边界条件设置为进口给定来流速度方向，总温(288.15K)，总压(101325Pa)；出口边界给定流量；流体域周向采用周期性平移边界条件；叶身表面：绝热无滑移壁面。收敛准则是在计算求解过程中监控进口流量，当该流量与给定的进口流量边界条件吻合且残差在10-7量级以下时，判定计算收敛。

2.3 几何模型

在研究过程中，由于实验的局限性，无法完整呈现流体的流动状态。而通过数值仿真模拟可以观察到流场的各个细节。串列叶栅可以看做是一组叶片按照一定的轴向和周向位置进行前后排列而形成的，串列叶栅的结构示意图如图1所示。

图1 串列叶栅几何结构

2.4 串列静子参数

串列静子基本设计参数如表1所示。

表1 串列叶栅的几何参数

3 串列叶栅三维流动特性

经过数值仿真后的结果分析来看，将上述串列叶片叶型设定为基准叶型，命名为A2方案。确定此方案为基准方案的前提是，分析了此方案在来流马赫数为0.8时的流动状态，经过提取后的气动参数可以发现：串列叶栅端壁处的流动分离基本得到了控制；在设计点的总体D因子水平在0.6左右；前后排的D因子分配处在基本合理的情况下(设计点控制在0.45-0.5之间，且前排略低)。以上条件符合在目前的认知范围内串列叶片的一些基本设计原则。所以将其视为串列叶栅基准方案。当来流马赫数为0.8时，整个叶栅在流动过程中，叶片部分位置处的马赫数水平会超过1，而整个研究过程中所面临的环境是跨音速的。进口气流角基本在49—59度之间。通过数值模拟结果来看，A2基准叶型的零度攻角度基本处在进口气流角为51度左右，既研究范围在攻角度数为-2°—8°，每两度间隔一次，分析串列叶片在此工作条件下的流动特性，而由于当负攻角过小会产生流动堵塞，所以当进口气流角小于48度时，迭代计算便无法进行了。

从图2攻角D因子特性曲线可以看出，随着攻角的逐渐增大，D因子的的主要变化趋势也是随攻角一同增大，但在负攻角及4°之前的攻角范围内，D因子随着攻角的增大而增大。而在相对较大的攻角时，4°—8°范围内D因子呈下降趋势，而在8°到10°攻角则又上升。这是因为从D因子的主要影响因素来看，此时的马赫数大小和叶型几何角确定，攻角越大，叶片气动负荷更高，D因子变大。

图2 D因子攻角特性

图3 损失攻角特性

图4 -2°，0°，4°攻角下前排叶片单独工作与串列条件下D因子

总压损失是衡量串列叶片气动性能的一个重要参数。分离区，激波损失，尾迹损失的存在都会影响总压损失系数。通常从两个方面分析攻角-损失特性：一是最小损失；二是可用攻角范围。从图3攻角损失特性可以看出，当处于负攻角状态下时的损失水平较高，进入正攻角后的损失水平上升比较明显，在0°时处于最小的损失水平。这是因为，叶片在0°时处于设计点状态，叶片内部的流动状态良好，此时产生的流动分离现象并不明显。而伴随着攻角的增大，来流方向的改变引起了流动状态的改变，攻角越大，叶片不仅产生流动分离的现象，激波损失和掺混损失的也会随之增大，导致叶片整体的损失水平升高。

以上时串列静子叶片基准方案的基本流动特性情况。由于串列叶片结构的特殊性，需要探索串列叶片内部的流动机理。在此需要对串列叶片的前排和后排叶片进行单独工作时的流动特性分析，探索前后排叶片之间的影响规律。而由于是串列静子叶片，所以端壁区和主流区的差异也需要着重分析。

4 前排叶片单独工作与串列条件下的流动特性

在此选定了基准串列叶片的三个攻角状态-2°，0°，4°，通过在这三个攻角状态下对前排独立叶片和后排独立叶片单独工作时的流动进行一维流动分析和流场特性分析，提取具体的气动参数和叶片流场图，来判断前后排叶片在单独工作时的流动特性与在串列条件下的流动情况是否有明显的区别。

图5 -2°，0°，4°攻角下前排独立叶片与串列前排叶片损失

图4为串列状态下前排叶片与前排独立叶片各攻角状态下D因子展向分布对比，由图可知在各种攻角状态下，二者的D因子变化趋势基本一致，变化趋势都是D因子会伴随着叶高位置的增长而增大，进入端壁区后变化有明显的增大趋势。这是由于在端壁区叶片表面流动分离现象比较明显，所以D因子会增大。同时在所有攻角范围内，前排独立叶片的D因子始终略小于串列条件下的前排叶片D因子，这是因为在流动过程中，前排叶片叶表会产生不同的速度区域，在叶片前缘会出现流速较高的高速区，而在经过叶片最高点后流速下降，在叶片后缘形成了的低速区，当流速较低时，叶片表面的D因子水平就会较低。而串列条件下的前排叶片在工作时，由于后排叶片的存在，前排叶片尾缘与后排叶片前缘形成了具有一定通道面积的间隙，气流流经此间隙后产生了狭缝气流，而狭缝气流流速较高，吹除了前排叶片尾缘的低能区，所以串列条件下的前排叶片尾缘处的低能区面积较小，D因子水平较高。由此说明，前排叶片独立工作时所能承载的气动负荷更小，类似于传统的压气机单列叶片。而在串列条件下，串列叶片会增大整体的气流折转角，能承载的气动负荷更高。

图5为各攻角状态总压损失对比，由图可知，在各个攻角状态下，两种叶片损失变化趋势基本相同，而损失的大小存在较小的差距。在各攻角状态下，主流区和端壁区范围内串列条件下的前排叶片产生的总压损失水平更低一些，但存在的差距并不明显。这说明前排叶片的损失情况受到后排叶片的影响较小，所以前排叶片单独工作时在尾缘部位产生的低速区面积与串列条件下的接近，并且速度范围差别不大。

图6 前排叶片单独工作与串列条件下各个攻角主流区与端壁区的马赫数云图

如图6所示为前排叶片单独工作与串列条件下各个攻角主流区与端壁区的马赫数云图对比。从图中可以看出，主流区范围内的云图整体比较接近，没有明显的流速差异。在端壁区范围中，前排叶片独立工作时各攻角状态下叶片尾缘部分的低速区的面积稍大于在串列条件下的前排叶片，这也是在上述过程中D因子水平和损失水平存在差异的表现，但整体范围内流动状态还是比较类似的。

综合上述分析，前排叶片流动特性的变化包括这两个方面：第一，由与后排势作用的影响，前排压力面尾缘附近速度降低，气动负荷明显提高；第二，在较大的正攻角条件下，缝隙射流所裹挟的高能流体抑制了前排叶片尾缘附近尾迹的厚度，因此损失略有降低；

5 后排叶片单独工作与串列条件下的流动特性对比

在进行仿真后排独立叶片时应注意，应保证后排叶片单独工作时的进出口条件与后排叶片在串列条件下工作时的进出口条件吻合。

如图7所示为后排独立叶片与串列条件下后排叶片的D因子的展向分布对比。在主流区时的D因子变化基本处于同一状态。逐渐进入端壁区后，二者D因子变化幅度较大，这是因为在主流区范围的流动状态比较稳定，进入端壁区后叶片表面产生了流动分离的现象，叶表的流动比较复杂，叶片的载荷较高，D因子水平上升。而在极度靠近端壁时，此时位于分离区内，流速很低，D因子下降。二者对比来看，当攻角在负攻角和零度攻角时，串列条件下后排叶片的D因子水平更高。而攻角逐渐增大时，后排独立叶片的D因子水平更高。这是因为，在攻角较大时，后排叶片独立工作是没有前排叶片存在，叶片表面的附面层直接在后排叶片上开始发展，叶片表面的流速较高，所以D因子较大。

图7 -2°，0°，4°攻角下后排叶片单独工作与串列条件D因子

图8 -2°，0°，4°攻角下后排独立叶片与串列后排叶片损失

图8表明了后排独立叶片的总压损失与串列后排叶片的区别。通过对二者的对比，串列条件下的后排叶片损失基本都小于后排独立叶片的损失。这是因为当前排叶片存在时，前后排叶片之间会产生狭缝气流，降低了后排叶片附面层的厚度，防止发生附面层分离，流动损失降低。而整体来看，主流区产生的流动损失明显小于端壁区，这是因为在端壁区产生流动分离现象，导致了流动分离损失的增大，所以总的损失增大。

从马赫数云图也可以清晰地观察出两种条件下后排叶片的流动状态差异。图9是后排叶片单独工作与串列条件下各攻角主流区与端壁区的马赫数云图对比。

图9 后排叶片单独工作与串列条件下在-2°，0°，4°攻角流场图

从图9可以看出，在主流区部分，就后排叶片个体而言，所有攻角范围内，在叶片吸力面前缘存在一部分高能区，由于这部分区域的存在，叶栅通道形成了速度梯度，使得叶片尾缘部分产生了低速区，最后形成了低速的尾迹流，整个叶片表面上流动速度并不均匀。在负攻角状态下的低能区要比在零攻角和4°攻角下的低能区面积大一些，这是由于攻角特性的影响，在负攻角下的流动状态较差，攻角逐渐增大后产生的流动分离也会变大；而对比后排叶片与串列条件的后排叶片来看，串列后排叶片吸力面的高能区面积很小，在攻角加大后叶表的高能区甚至消失了，此时吸力面上的流速相对低很多。这是因为串列叶片之间的狭缝气流吹除了前排叶片尾缘的低速区，使得附面层在后排叶片表面重新发展。串列条件下后排叶片表面前半段的流速比较均匀，叶栅通道内的速度梯度较小；在端壁区范围内，后排叶片单独工作时，叶片吸力面前缘的高能区十分明显，而在叶片后缘部分产生了比主流区面积更大的低速区域，这是因为在端壁区叶片表面存在的流动分离现象更明显。而串列条件的后排叶片尾缘部分的低速区域比独立后排叶片的低速区更明显，这是因为此时后排叶片表面的附面层已经得到充分发展且产生了严重的流动分离现象。

综上所述，后排叶片在单独工作时和串列条件下的流动状态存在比较明显的差异，主要体现在：随来流攻角的增加，前排叶片尾迹变厚，前排叶片尾迹的扩散影响后排扩压过程更加明显；缝隙射流裹挟的高能流体对后排近端壁低能流体的吹除作用，抑制了后排端壁分离的尺度。