高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)矩形葉柵流動(dòng)分離特性

陳忠良，鄭群，姜斌，陳航

（1.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽(yáng)110015）

高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)矩形葉柵流動(dòng)分離特性

陳忠良1，鄭群1，姜斌1，陳航2

（1.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽(yáng)110015）

針對(duì)高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)葉柵流動(dòng)分離問(wèn)題，以某高負(fù)荷氦氣矩形葉柵為研究對(duì)象，采用SST湍流模型加γ?Reθ轉(zhuǎn)捩模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了不同負(fù)荷、彎角及彎高的高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)矩形葉柵的流動(dòng)分離結(jié)構(gòu)和特性。研究結(jié)果表明，馬蹄渦壓力面分支是矩形葉柵角區(qū)集中脫落渦和壁角渦形成的主要原因；隨著攻角和負(fù)荷的增加，葉柵吸力面的分離形式由開(kāi)式分離向閉式分離轉(zhuǎn)化；而采用恰當(dāng)?shù)膹澑吆蛷澖强梢杂行б种屏鲃?dòng)分離，改善高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)端部流動(dòng)狀況，減小流動(dòng)損失。

高負(fù)荷；氦氣壓氣機(jī)；附面層；分離；彎葉片；葉柵

將高溫氣冷堆和氦氣透平循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，是目前國(guó)際研究的熱點(diǎn)［1?2］。氦氣壓氣機(jī)是高溫氣冷堆功能轉(zhuǎn)換的核心部件之一，其氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)一直是其面臨的難點(diǎn)問(wèn)題。為此，德國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、日本等先后啟動(dòng)了各自的研究計(jì)劃［3?6］。我國(guó)部分高校和科研院所也相繼開(kāi)展了相關(guān)研究工作，清華大學(xué)和哈爾濱中船重工第703研究所聯(lián)合建立了HTR?10配套的氦氣透平壓氣機(jī)單級(jí)樣機(jī)試驗(yàn)裝置并進(jìn)行了大量試驗(yàn)，取得了重要的研究成果［7］。王松濤等［8］對(duì)氦氣壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響進(jìn)行了分析，并對(duì)某7級(jí)高壓氦氣壓氣機(jī)進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)。鄭群等在氦氣的流動(dòng)特性［9］、氦氣輪機(jī)循環(huán)分析［10］、高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)葉柵流動(dòng)特點(diǎn)［11］、氦氣壓氣機(jī)與空氣壓氣機(jī)的相似與模化［12］等方面開(kāi)展了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作。

葉柵角區(qū)分離是壓氣機(jī)特別是高負(fù)荷壓氣機(jī)內(nèi)的主要空間分離結(jié)構(gòu)之一，對(duì)葉柵損失性能以及流場(chǎng)穩(wěn)定性具有重要影響。由于工作條件和物性的差別，氦氣壓氣機(jī)內(nèi)的流動(dòng)抗分離能力和旋渦發(fā)展與空氣有很大的區(qū)別，而已有的研究主要集中在氦氣壓氣機(jī)循環(huán)方式和熱力計(jì)算等方面，對(duì)此方面涉及很少。

本文從高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)葉柵內(nèi)渦系結(jié)構(gòu)入手，對(duì)多種不同的高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)矩形葉柵旋渦形態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，研究了葉柵內(nèi)不同渦系、分離流結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況，并分析了葉片端彎對(duì)高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)葉柵端區(qū)流動(dòng)的影響規(guī)律。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算參數(shù)

分別采用彎高10%的直葉柵（STR）、正彎1°葉柵（DHP 1°）、正彎3°葉柵（DHP 3°）、正彎5°葉柵（DHP 5°）進(jìn)行計(jì)算，研究葉片彎角對(duì)高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)矩形葉柵分離結(jié)構(gòu)的影響。

采用正彎3°，彎高為10%（C1為0.1，C2為0.9）的葉柵（DHP 3°?1）和正彎3°，彎高為20%（C1為0.2，C2為0.8）的葉柵（DHP 3°?2）進(jìn)行變攻角計(jì)算，研究不同彎高對(duì)高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)矩形葉柵分離結(jié)構(gòu)的影響。彎葉片的定義及方案參數(shù)見(jiàn)圖1，計(jì)算所采用的彎葉片的α2為0，P1和P2為0.5。

圖1 彎葉片積疊線定義Fig.1 Bowed blade stacking line definition

葉型采用CDA葉型，其中，弦長(zhǎng)為22.40 mm，柵距為18.70 mm，幾何進(jìn)氣角為38.28°，轉(zhuǎn)折角為32.96°，安裝角為18.70°，葉高為44.20 mm。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

本文采用ANSYS CFX 13.0進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算采用SST湍流模型加γ?Reθ轉(zhuǎn)捩模型。采用NUMACA軟件的Autogrid 5模塊劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格采用O4H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)選取湍流模型要求，對(duì)葉片表面邊界層內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行加密，第一層網(wǎng)格厚度為1 μm，保證壁面y+＜1，滿(mǎn)足湍流模型計(jì)算要求。不同的葉型采用同一套計(jì)算網(wǎng)格。為了保證進(jìn)出口流場(chǎng)的均勻性，進(jìn)口段和出口段流場(chǎng)做了相應(yīng)的延長(zhǎng)。單通道的計(jì)算網(wǎng)格如圖2。進(jìn)口給定總溫、總壓、來(lái)流方向和來(lái)流湍流度，出口給定背壓。變攻角計(jì)算時(shí)，保持入口總壓不變，通過(guò)調(diào)整背壓保證入口馬赫數(shù)不變。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computational grid

2 彎角對(duì)葉柵分離結(jié)構(gòu)的影響

2.1 彎角對(duì)葉柵流動(dòng)分離與旋渦結(jié)構(gòu)的影響

在壓氣機(jī)葉柵內(nèi)主要存在以下5種旋渦：馬蹄渦、通道渦、集中脫落渦、壁角渦和尾緣脫落渦。其中，馬蹄渦、通道渦和集中脫落渦是3種主要的渦系結(jié)構(gòu)，對(duì)旋渦尺度和損失的影響均較大，因此，本文從以上渦系結(jié)構(gòu)入手，對(duì)高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)的分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

在前緣到出口位置30%弦長(zhǎng)處，垂直于軸向布置12個(gè)截面，用于分析漩渦的形成和發(fā)展過(guò)程。圖3的截面可以看出通道渦的發(fā)展過(guò)程。在直葉柵中，通道渦從第6個(gè)截面開(kāi)始出現(xiàn)，隨著流動(dòng)的發(fā)展，通道渦尺度變大，渦核逐漸向吸力面靠近，該渦核是發(fā)散型渦核，流線從渦核中心向外延伸。而后渦核核心區(qū)向遠(yuǎn)離壁面方向上升。在尾緣處存在一定的集中脫落渦，以上渦系在葉柵尾緣出口處與主流區(qū)進(jìn)行摻混。

對(duì)比可知，葉片正彎使得馬蹄渦壓力面分支增強(qiáng)，正彎葉柵的通道渦渦核更靠近吸力面，通道渦沿徑向的影響范圍更大，因而增強(qiáng)了端部低能流體向主流區(qū)的遷徙能力，延緩角區(qū)分離。從圖3（b）、（c）可以看出，隨著彎角的增加，端部區(qū)域逐漸由半開(kāi)半閉式分離結(jié)構(gòu)演變?yōu)殚_(kāi)式分離結(jié)構(gòu)。

圖3 i＝0高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)矩形葉柵流動(dòng)分離結(jié)構(gòu)Fig.3 Flow separation structure of high?loaded helium compressor rectangular cascade at zero inci?dence

在直葉柵中，沿吸力面的徑向二次流及端壁橫向二次流動(dòng)在下端壁與吸力面組成的角區(qū)匯合，附面層迅速加厚，使得角區(qū)內(nèi)的附面層容易發(fā)生分離。從圖3（a）和圖4（a）可以看出，隨著攻角的增大，直葉柵通道渦起始位置逐漸向上游移動(dòng)，在i＝5°時(shí)提前到第3個(gè)截面處，馬蹄渦壓力面分支也明顯增強(qiáng)。直葉柵角區(qū)在正攻角時(shí)發(fā)生嚴(yán)重分離，分離產(chǎn)生的旋渦對(duì)通道渦進(jìn)行擠壓，使得通道渦遠(yuǎn)離葉片吸力面，同時(shí)在端區(qū)形成低壓區(qū)，增加了端區(qū)低能流體的卷起尺度。在截面11可以看到一條狹向線（流線聚集）及傾斜線（流線發(fā)散），且傾斜線尺度隨著流動(dòng)發(fā)展逐漸增大。

圖4 i＝5°STR流動(dòng)分離結(jié)構(gòu)Fig.4 Flow separation structure of STR at 5°incidence

從圖4（b）可以看出，葉片前緣附近的流線（流線6）具有較小的流向動(dòng)量，在橫向壓力梯度作用下，發(fā)生偏轉(zhuǎn)較早，在橫向壓力梯度和逆向壓力梯度的共同作用下，在吸力面分離線起始點(diǎn)附近卷起，并沿展向延伸。而對(duì)于距離吸力面壁面較遠(yuǎn)些的流線（流線1～5），具有比流線6更大的流向動(dòng)量，因此可以在流線6下游位置達(dá)到吸力面，受到葉柵表面后半段的強(qiáng)逆壓梯度的影響，發(fā)生明顯回流，回流線與吸力面邊界層的流線發(fā)生相互作用，然后卷起。同時(shí)在馬蹄渦吸力面分支附近的流線（流線7）在橫向壓力梯度的作用下，在尾緣后向吸力面運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)一部分低能流體在與吸力面相互作用后卷起形成旋渦離開(kāi)吸力面。

從圖4（c）可以看出，馬蹄渦壓力面的另一個(gè)分支參與了集中脫落渦的形成和尾緣附近的分離，它們是在到達(dá)尾緣后才回流與吸力面流體進(jìn)行作用，在吸力面上形成分離螺旋點(diǎn)，誘發(fā)了閉式分離的發(fā)生，增加了能量損失，且距離壓力面越遠(yuǎn)的流線（流線1）卷起尺度越大。但對(duì)于流線4，直接從尾緣處向后流動(dòng)，形成壁角渦。

綜合以上，集中脫落渦由端壁附面層、葉柵吸力面附面層和通道渦的一部分流體共同組成，并將大量低能流體帶入主流區(qū)，同時(shí)誘導(dǎo)形成閉式分離結(jié)構(gòu)。因此，集中脫落渦對(duì)高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)矩形葉柵的流動(dòng)和氣動(dòng)性能具有顯著影響。

圖5 i＝5°不同彎角矩形葉柵流動(dòng)分離結(jié)構(gòu)Fig.5 Flow separation structure of high?loaded helium compressor rectangular cascade with different bowed angles（i＝5°）

從圖5可以看出，彎葉片在正攻角下沒(méi)有明顯的分離和徑向移動(dòng)，改善了端部流動(dòng)情況，分離結(jié)構(gòu)從閉式分離轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)式分離結(jié)構(gòu)。從端壁流譜上可以看出，正彎葉片增強(qiáng)了端壁附近的橫向移動(dòng)，同時(shí)前緣馬蹄渦鞍點(diǎn)向壓力面移動(dòng)，這說(shuō)明，正彎葉片改變了端部的攻角情況，使得攻角增大。當(dāng)彎角增大時(shí)，吸力面分離線延伸范圍增加，說(shuō)明彎角的增加，增強(qiáng)了附面層的徑向遷移能力。集中脫落渦卷起尺度變大，集中脫落渦卷起尺度與高度增加，使得損失增加。在葉柵流道后各種渦系進(jìn)行摻混，從圖5可以看出，DHP3°截面12處的通道渦與集中脫落渦摻混程度更加劇烈。

2.2 彎角對(duì)損失分布的影響

直葉柵在正攻角時(shí)，端部存在嚴(yán)重的分離，總壓損失急劇增加，而葉片正彎可以有效消除角區(qū)分離，并改善吸力面分離形態(tài)，使流動(dòng)由閉式分離變?yōu)殚_(kāi)式分離。圖6橫坐標(biāo)i為攻角，縱坐標(biāo)ω?為總的質(zhì)量平均損失系數(shù)，可以看出，正彎葉片可以有效減小高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)葉柵各攻角下的流動(dòng)損失，但彎角增大，會(huì)增加端壁附近的低能流體向葉片中部遷移能力，擴(kuò)大吸力面的分離尺度，使得相同攻角下的損失增加。

圖6 總的質(zhì)量平均損失系數(shù)隨攻角的變化Fig.6 Mass?averaged total pressure loss at differentincidences

圖7 表示葉柵出口50%軸向弦長(zhǎng)位置質(zhì)量平均損失系數(shù)沿徑向分布，其縱坐標(biāo)為相對(duì)葉高。可以看出，葉片正彎減薄了端壁附面層厚度，明顯降低了正攻角下葉柵端部及摻混損失，改善角區(qū)流動(dòng)情況。同時(shí)彎角增大，會(huì)擴(kuò)大端部高損失區(qū)域范圍，圖7（b）可以看出，正彎3°葉柵較正彎1°葉柵損失范圍擴(kuò)大13%，流動(dòng)損失增加。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，正彎3°在各個(gè)攻角下的總壓損失較正彎1°的要高，損失增加的原因主要是彎角增加，附面層低能流體的徑向遷移能力增強(qiáng)，使得吸力面分離區(qū)擴(kuò)大。由于高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)葉片較短，本身流動(dòng)較為復(fù)雜，因此要嚴(yán)格控制彎曲角度。

圖7 質(zhì)量平均損失系數(shù)沿徑向分布Fig.7 Span wise mass?averaged total?pressure loss dis?tribution

3 彎高對(duì)葉柵分離結(jié)構(gòu)的影響

從圖8、9可以看出，2種不同彎高葉柵i＝0時(shí)總壓損失沿徑向的分布基本一致，隨著攻角的增加，彎高20%葉柵的總壓損失要高于彎高10%葉柵相應(yīng)值，從出口處的總壓損失沿徑向的分布可以看出，損失在端部區(qū)域增加明顯，這是因?yàn)殡S著彎高的增加，從葉柵端部指向中部的正壓力梯度增加，端部低能流體向中徑處遷移的作用增強(qiáng)。

圖8 總的質(zhì)量平均損失系數(shù)沿徑向分布Fig.8 Span wise mass?averaged total?pressure loss dis?tribution

由于彎高增加，使得葉片表面“C”型壓力分布更加明顯，端部吸力面壓力增加，中部吸力面壓力下降，端部低能流體徑向遷移能力增加。彎高同樣是影響葉柵流動(dòng)的變化參數(shù)，對(duì)于高負(fù)荷葉柵，本身葉片較短，小的彎角和彎高更適合氦氣工質(zhì)流動(dòng)。

4 結(jié)論

本文從高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)葉柵渦系和分離結(jié)構(gòu)入手，研究了不同負(fù)荷、彎角及彎高的高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)矩形葉柵的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及分離特性，分析了端壁邊界層中流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）高負(fù)荷氦氣葉柵中，馬蹄渦壓力面分支是形成集中脫落渦和壁角渦的主要原因，距離壓力面越遠(yuǎn)的流體卷起高度更大，距離壓力面近的流體，流線不會(huì)與吸力面作用而會(huì)直接流出葉柵流道，這與流體包含的流向動(dòng)量有關(guān)。

2）隨著攻角和葉柵負(fù)荷的增加，高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)葉柵吸力面的分離形態(tài)由開(kāi)式分離向閉式分離轉(zhuǎn)化，集中脫落渦是造成葉柵閉式分離的主要原因且對(duì)壓氣機(jī)損失的影響很大。

3）對(duì)于高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)，葉片本身較短，較小的彎角（DHP 1°）和彎高（10%葉高）可以使葉柵具有更寬的工作范圍，繼續(xù)增大彎角和彎高，會(huì)增加端部低能流體的徑向遷移能力，使分離范圍和分離形態(tài)發(fā)生變化。

4）恰當(dāng)?shù)娜~片彎角和彎高可以有效改善高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)端部流動(dòng)狀況，減少端部低能流體的堆積，減薄角區(qū)附面層厚度，減小端部流動(dòng)損失及吸力面分離尺度，抑制通道渦及集中脫落渦的發(fā)展，減小分離范圍。

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Flow separation characteristics of rectangular cascade for a highly?loaded helium compressor

CHEN Zhongliang1，ZHENG Qun1，JIANG Bin1，CHEN Hang2
（1.College of Power＆Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.AVIG Shenyang Engine De?sign and Research Institute，Shenyang 110015，China）

Flow separation has great influence on high?loaded helium compressors.In this paper，high?loaded heli?um compressor rectangular cascades with different loads，bowed angles and bowed heights were studied to under?stand the flow separation structure in the cascades.The SST turbulence model and γ?Reθtransition model were used in numerical simulation.The results showed that the pressure?side leg of horseshoe vortex results in the generation of concentrated shed vortex and corner vortex at the corner of the rectangular cascade.Open separated flow will trans?form into closed separated flow with the increase of attack angles and loads.Flow separation will be suppressed in the cascade as well as the pressure loss will drop by using proper bowed angle and height.

high?loaded；helium compressor；boundary layer；flow separation；bowed blade；cascades

10.3969／j.issn.1006?7043.201401050

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1518.010.html

TK26

A

1006?7043（2015）03?0343?05

2014?01?15.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015?01?09.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51476039）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（HEUCF140303）.

陳忠良（1990?），男，碩士研究生；鄭群（1962?），男，教授，博士生導(dǎo)師.

鄭群，E?mail：zhengqun＠hrbeu.edu.cn.