粗糙度對(duì)高/低雷諾數(shù)跨聲壓氣機(jī)性能的影響

楊榮菲，黃 進(jìn)，楊小平，向宏輝，葛 寧

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016；2.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川江油621703)

粗糙度對(duì)高/低雷諾數(shù)跨聲壓氣機(jī)性能的影響

楊榮菲1，黃 進(jìn)1，楊小平2，向宏輝2，葛 寧1

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016；2.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川江油621703)

以跨聲壓氣機(jī)Stage 35為研究對(duì)象，針對(duì)地面、20 km高空兩種雷諾數(shù)工況，數(shù)值研究了轉(zhuǎn)子壓力面、吸力面、整個(gè)葉片分別為光滑及5μm、20μm、45μm粗糙度時(shí)壓氣機(jī)的性能變化。結(jié)果表明：吸力面粗糙度較壓力面粗糙度對(duì)壓氣機(jī)性能的影響更大；粗糙度對(duì)低雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能的影響小于高雷諾數(shù)壓氣機(jī)；相較于粗糙度總是惡化高雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能，在低雷諾數(shù)工況，小幅值粗糙度能改善壓氣機(jī)性能，而大幅值粗糙度惡化壓氣機(jī)性能。當(dāng)粗糙度為5μm時(shí)，壓氣機(jī)峰值效率最大增量為0.79%。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；跨聲壓氣機(jī)；表面粗糙度；低雷諾數(shù)；高雷諾數(shù)；氣動(dòng)性能；數(shù)值模擬

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，腐蝕、磨損及污垢堆積引起葉片表面粗糙度大幅增加，壓氣機(jī)氣動(dòng)性能衰減。而飛行高度增加使壓氣機(jī)進(jìn)口雷諾數(shù)下降，也會(huì)惡化壓氣機(jī)性能。因此，有必要研究不同雷諾數(shù)下粗糙度對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

粗糙度通常指加工或污染表面的幾何不平度，用中心線平均粗糙度Ra值表示，而流體力學(xué)粗糙度一般用當(dāng)量砂礫粗糙度ks描述。Bons[1]總結(jié)獲得ks=(2.0～10.0)Ra；Koch等[2]指出壓氣機(jī)污染粗糙度滿足關(guān)系式ks=6.2Ra，本文將采用此式計(jì)算。

Back等[3]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ks=12～850 μm的平面葉柵落后角及損失隨粗糙度的增加而增加。Gbadebo等[4]在靜子吸力面覆蓋Ra=25 μm砂紙，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粗糙度位于前緣至吸力面峰值速度之間時(shí)壓氣機(jī)性能顯著降低，而位于峰值速度下游時(shí)其影響可以忽略。Chen等[5]在低速高負(fù)荷平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，研究了葉片覆蓋不同面積及粗糙度砂紙(Ra=150、44 μm)的工況，發(fā)現(xiàn)粗糙度使分離流再附，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)工況葉柵損失降低，與文獻(xiàn)[3-4]的結(jié)果矛盾，這是因?yàn)榇颂幋植诙雀笄颐黠@改變了葉型幾何所致。為獲得不同雷諾數(shù)下粗糙度對(duì)葉柵性能的影響，Leipold等[6]實(shí)驗(yàn)研究了Re=(3～10)×105工況下的高速高載荷光滑葉柵(Ra=0.70 μm)及粗糙葉柵(Ra=11.15 μm)，發(fā)現(xiàn)葉柵損失隨雷諾數(shù)的增加而增加，粗糙葉柵較光滑葉柵損失更大，且隨著雷諾數(shù)的增加，粗糙葉柵損失在低雷諾數(shù)下增加較慢而在高雷諾數(shù)下增加劇烈，葉柵損失主要來(lái)源于粗糙度引起的層流分離泡減小及湍流分離增加。Back等[7]實(shí)驗(yàn)觀察了Re= (3.0～6.4)×105、Ra=0.38～2.89 μm，以及粗糙度位于壓力面、前緣、吸力面自前緣開(kāi)始至不同弦長(zhǎng)位置處的平面葉柵，發(fā)現(xiàn)壓力面及葉片前緣粗糙度對(duì)葉柵性能無(wú)影響，吸力面粗糙面積小于20%時(shí)，葉柵損失基本不受雷諾數(shù)影響，吸力面粗糙面積大于20%時(shí)，隨著粗糙面積的增加，損失隨雷諾數(shù)增加的速率變大。更進(jìn)一步，Ju等[8]采用LDV技術(shù)，測(cè)量了平面葉柵吸力面前緣至2%弦長(zhǎng)處ks=100 μm時(shí)吸力面邊界層速度及葉柵損失。當(dāng)Re=(2.1～3.8)×105時(shí)，前緣分離泡尺寸及湍流邊界層再附后的湍流水平降低，葉柵損失降低；而當(dāng)Re=(4.5～6.4)×105時(shí)，前緣粗糙度降低了軸向正壓力梯度，使湍流邊界層提前分離，葉柵損失急劇增加。

針對(duì)跨聲速壓氣機(jī)，國(guó)內(nèi)外也開(kāi)展了粗糙度影響的研究。Suder等[9]在Rotor 37轉(zhuǎn)子葉片表面分別增加0.025 mm厚的光滑涂層(Ra=0.254～0.508 μm)及粗糙涂層(Ra=2.54～3.18 μm)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粗糙度增加使壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率、壓比分別下降了6%和9%，而葉片厚度增加導(dǎo)致壓氣機(jī)性能衰減僅為粗糙葉片引起壓氣機(jī)性能衰減值的一半，壓氣機(jī)性能衰減來(lái)源于激波與增厚邊界層作用引起的流動(dòng)堵塞增加和擴(kuò)散能力下降。陳紹文等[10]指出，增加壁面粗糙度對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍影響不大，而增加葉片厚度減小了穩(wěn)定工作范圍。以Stage 37為數(shù)值研究對(duì)象，Morini等[11]發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)子表面Ra從0.16 μm增至12.1 μm，壓氣機(jī)流量、壓比、效率下降，效率損失主要來(lái)源于流動(dòng)堵塞增加，粗糙度自身產(chǎn)生的損失對(duì)效率影響很小。Morini等[12]還發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子粗糙度對(duì)壓氣機(jī)性能的影響大于靜子，吸力面粗糙度的影響大于壓力面。Aldi等[13]數(shù)值觀察了轉(zhuǎn)子Ra從0.81 μm到6.45 μm展向線性變化工況，發(fā)現(xiàn)粗糙度分布改變了壓氣機(jī)葉片載荷分布。Chen等對(duì)Stage 35數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子Ra從8.06 μm增至16.12 μm時(shí)，壓氣機(jī)性能衰減加劇[14]；當(dāng)粗糙度靠近轉(zhuǎn)子端部時(shí)性能惡化程度增加，葉片前緣附近粗糙度較尾緣附近粗糙度對(duì)性能影響大，某些位置的粗糙度能一定程度改善壓氣機(jī)性能[15]。上述粗糙度研究都是針對(duì)地面高雷諾數(shù)工況，而粗糙度對(duì)低雷諾數(shù)跨聲壓氣機(jī)性能影響的研究很少。Chen等[14]數(shù)值觀察了轉(zhuǎn)子表面Ra=16.12 μm時(shí)跨聲壓氣機(jī)的高空性能，相較于高雷諾數(shù)工況，粗糙度引起低雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能衰減較少，但作者并未給出粗糙度影響低雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能的機(jī)理。同時(shí)，不同尺寸、位置的粗糙度對(duì)低雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能的影響及機(jī)理，是否等同于粗糙度對(duì)高雷諾數(shù)壓氣機(jī)的影響，此方面研究也未見(jiàn)報(bào)道。

對(duì)此，本文研究粗糙度大小、位置對(duì)其高/低雷諾數(shù)跨聲壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響，以期為受污染跨聲壓氣機(jī)的性能預(yù)估提供一定支撐。

2 數(shù)值計(jì)算方法

以NASA Stage 35壓氣機(jī)作為研究對(duì)象。其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速17 188 r/min，動(dòng)/靜葉片數(shù)及展弦比分別為36/46和1.19/1.26，轉(zhuǎn)子葉尖間隙為0.2%葉高，詳細(xì)幾何參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。

計(jì)算網(wǎng)格采用Numeca/Autogrid5軟件自動(dòng)生成，葉片表面及機(jī)匣/輪轂處固壁加密，第一層網(wǎng)格距壁面30 μm，對(duì)應(yīng)高雷諾數(shù)下y+≈2.53，總網(wǎng)格數(shù)58萬(wàn)。

數(shù)值計(jì)算采用Numeca/Fine軟件，選用真實(shí)大氣、低雷諾數(shù)Spalart-Allmaras湍流模型。當(dāng)進(jìn)口湍流度高達(dá)5%時(shí)，壓氣機(jī)內(nèi)流動(dòng)近似全湍流。Sonoda等[17]基于全湍流假設(shè)，數(shù)值研究了一臺(tái)低雷諾數(shù)小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的跨聲壓氣機(jī)，數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合很好。因此，本文給定進(jìn)口湍流度為5%，不考慮轉(zhuǎn)捩問(wèn)題。

對(duì)于粗糙壁面流動(dòng)，如果粗糙度特征高度相較邊界層外層高度足夠小，則粗糙度對(duì)流動(dòng)的影響被限制在近壁粘性子層中，此時(shí)粗糙壁面邊界層外層流動(dòng)與光滑壁面外層流動(dòng)相似[18]。在此假設(shè)下，粗糙度對(duì)流動(dòng)的影響可通過(guò)簡(jiǎn)單修改壁面函數(shù)得到[19]：

進(jìn)口按照實(shí)驗(yàn)條件給定總溫、總壓、軸向進(jìn)氣，固壁絕熱無(wú)滑移，單通道采用周期性邊界，轉(zhuǎn)靜交界面采用摻混平面，出口截面給定靜壓。改變出口靜壓獲得壓氣機(jī)從堵塞到失速的不同工作點(diǎn)。

圖1給出Stage 35在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速地面工況、光滑葉片的數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)特性對(duì)比。相較實(shí)驗(yàn)值，計(jì)算總壓比略微偏小、等熵效率符合較好。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的堵點(diǎn)流量分別為20.95 kg/s、20.77 kg/s，相對(duì)誤差0.86%；實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的最大效率分別為84.5%、84.2%，相對(duì)誤差0.35%。由于最大誤差小于3%，且本文針對(duì)粗糙度開(kāi)展對(duì)比性研究，不同方案的網(wǎng)格及數(shù)值方法相同，方案對(duì)比過(guò)程中數(shù)值計(jì)算誤差可以消除，故認(rèn)為上述數(shù)值方法可行。

3 粗糙度研究方案

以Stage 35設(shè)計(jì)點(diǎn)平均進(jìn)氣速度、轉(zhuǎn)子中徑弦長(zhǎng)為特征參數(shù)，計(jì)算海平面及高空壓氣機(jī)進(jìn)口雷諾數(shù)分別為1.088×106、0.860×105，分別對(duì)應(yīng)高、低雷諾數(shù)工況。

選取ks分別為5 μm、20 μm、45 μm。Roberts等[20]指出，轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)拋光后ks=3.10～3.70 μm，精拋光后ks=0.775 μm。Syverud等[21]對(duì)GE J88-13發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓氣機(jī)進(jìn)行鹽水吞入實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)葉片表面深度污染后粗糙度尺寸ks/c=(0.06～1.10)×10-3，以Stage 35轉(zhuǎn)子葉中弦長(zhǎng)為特征參數(shù)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子表面粗糙度ks=3.30～61.16 μm。Melino等[22]通過(guò)數(shù)值計(jì)算及理論推導(dǎo)，獲得了壓氣機(jī)工作時(shí)間與葉片表面粗糙度的關(guān)系，表明壓氣機(jī)工作1 650 h后葉片表面ks=30 μm。因此，本文選取的5 μm可看作葉片表面低污染，而20 μm、45 μm分別對(duì)應(yīng)葉片表面中度污染和深度污染。

表1 不同雷諾數(shù)下的數(shù)值計(jì)算方案Table 1 Calculation cases at high/low Reynolds number

文獻(xiàn)[12]認(rèn)為，粗糙轉(zhuǎn)子對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響大于粗糙靜子。故本文僅在轉(zhuǎn)子吸力面、壓力面及整個(gè)葉片覆蓋粗糙度。表1給出了粗糙度大小、位置及雷諾數(shù)改變所對(duì)應(yīng)的20種數(shù)值計(jì)算方案。表中：High-Re、Low-Re分別代表發(fā)動(dòng)機(jī)海平面和高空工況，PS、SS、All分別表示在壓力面、吸力面、整個(gè)葉片疊加粗糙度，5 μm等數(shù)值表征粗糙度水平。

4 粗糙度對(duì)高雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能的影響

圖2為轉(zhuǎn)子表面粗糙及光滑時(shí)高雷諾數(shù)壓氣機(jī)特性計(jì)算結(jié)果，橫坐標(biāo)為無(wú)量綱流量。可見(jiàn)，粗糙度大小及位置對(duì)壓氣機(jī)性能影響顯著。相較于葉片表面光滑情況，當(dāng)粗糙度位于壓力面時(shí)，壓氣機(jī)的壓比基本不變，效率隨粗糙度增加而小幅下降；當(dāng)粗糙度位于吸力面時(shí)，壓氣機(jī)壓比、效率隨粗糙度增加而急劇下降；吸力面粗糙度對(duì)壓氣機(jī)性能的影響比壓力面粗糙度的大，此結(jié)論與文獻(xiàn)[12]的結(jié)果一致。當(dāng)整個(gè)葉片粗糙時(shí)，壓氣機(jī)性能為壓力面與吸力面粗糙度影響的綜合，并接近吸力面粗糙度下的壓氣機(jī)特性線。因此，下文僅針對(duì)壓力面/吸力面粗糙度工況，分析粗糙度對(duì)壓氣機(jī)性能影響的流動(dòng)機(jī)理。

當(dāng)粗糙度位于壓力面時(shí)，從圖3(a)中壓氣機(jī)峰值效率點(diǎn)50%葉高壁面靜壓分布曲線可看出，不同粗糙度下葉片載荷近似為常數(shù)，導(dǎo)致圖2(a)中壓力面粗糙度對(duì)壓比影響很小。圖4對(duì)比了葉片光滑及壓力面粗糙度45 μm時(shí)壓氣機(jī)峰值效率點(diǎn)轉(zhuǎn)子出口截面相對(duì)總壓，圖中黑線為轉(zhuǎn)子尾緣。可見(jiàn)，壓力面粗糙度明顯增加了壓力面尾跡寬度，這與文獻(xiàn)[7]中壓力面粗糙度通過(guò)加強(qiáng)湍流摻混來(lái)增加葉柵尾跡寬度的現(xiàn)象一致。尾跡寬度增加使轉(zhuǎn)子出口摻混損失增加，壓氣機(jī)效率小幅下降(圖2(b))。

當(dāng)粗糙度位于吸力面時(shí)，由圖3(b)可看出，隨著粗糙度的增加，壓力曲線所包圍的有效面積減小，對(duì)應(yīng)葉片載荷減小、壓氣機(jī)壓比降低(圖2(a))；葉片前緣附近載荷逐漸增加、葉片后半部分載荷逐漸降低，葉片總載荷降低主要來(lái)源于葉片后半部分載荷的減少，這與文獻(xiàn)[12]獲得的粗糙葉片載荷降低主要來(lái)源于轉(zhuǎn)子前緣載荷減少的結(jié)論相矛盾，其原因?yàn)槲墨I(xiàn)[12]針對(duì)遠(yuǎn)離峰值效率點(diǎn)的等壓比工作點(diǎn)分析，與此處流動(dòng)并不相似。

圖3(b)中葉片最大負(fù)荷點(diǎn)、吸力面激波位置隨粗糙度增加而逐漸前移，葉片載荷前移使葉片后半部分流動(dòng)在逆壓力梯度下更易分離。從圖5中壓氣機(jī)峰值效率點(diǎn)吸力面極限流線圖也可看出，相較光滑葉片，粗糙葉片輪轂分離點(diǎn)前移、分離范圍增大，導(dǎo)致相應(yīng)的分離損失增大。同時(shí)，葉片前緣負(fù)荷增加使轉(zhuǎn)子前緣附近泄漏流增大，發(fā)展至尾緣附近葉尖泄漏渦面積增大，這從圖5中葉尖附近分離區(qū)增大也可看出，從而增加了葉尖泄漏損失。另一方面，葉片吸力面激波位置前移使激波-邊界層作用提前，導(dǎo)致粗糙葉片較光滑葉片尾緣邊界層厚度增加、損失增加。因此，吸力面粗糙度引起的三維分離損失、葉尖泄漏損失、激波-邊界層作用下的邊界層損失的增大，是造成高雷諾數(shù)壓氣機(jī)效率大幅下降的主要原因。

5 粗糙度對(duì)低雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能的影響

圖6為葉片光滑及粗糙時(shí)低雷諾數(shù)跨聲壓氣機(jī)特性線的數(shù)值結(jié)果。與圖2高雷諾數(shù)情況對(duì)比可知，低雷諾數(shù)下粗糙度對(duì)壓氣機(jī)性能影響較小。粗糙葉片對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，為壓力面/吸力面粗糙度影響的綜合。當(dāng)粗糙度位于壓力面時(shí)，壓氣機(jī)壓比基本不隨粗糙度變化，壓氣機(jī)效率在低粗糙度下稍微上升，且效率改善量隨粗糙度增加而逐漸減小；當(dāng)粗糙度位于吸力面時(shí)，壓氣機(jī)壓比及效率隨粗糙度的增加先增加后降低，并最終惡化壓氣機(jī)性能。此現(xiàn)象與文獻(xiàn)[14]中粗糙度惡化低雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能的結(jié)論相矛盾，這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[14]中的粗糙度為100 μm，遠(yuǎn)大于本文中的最大粗糙度，而本文計(jì)算方案中使壓氣機(jī)性能改善的粗糙度約為5 μm，大幅值粗糙度45 μm也使低雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能惡化。

圖7給出了壓力面/吸力面粗糙度時(shí)壓氣機(jī)峰值效率點(diǎn)葉中表面壓力分布。首先對(duì)比葉片光滑時(shí)高低雷諾數(shù)轉(zhuǎn)子葉中截面壓力分布(圖3及圖7)：高雷諾數(shù)工況時(shí)葉片最大負(fù)荷位于50%弦長(zhǎng)附近，吸力面激波位于45%弦長(zhǎng)處、激波下游為湍流分離邊界層；而低雷諾數(shù)工況時(shí)葉片最大負(fù)荷位于葉片前緣，吸力面激波前移至25%軸向弦長(zhǎng)處，激波下游先出現(xiàn)分離泡然后發(fā)生湍流分離。這些流動(dòng)特征使低雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能較高雷諾數(shù)工況急劇下降，峰值效率下降5.92%。因此，低雷諾數(shù)與高雷諾數(shù)壓氣機(jī)葉片表面壓力分布不同，造成粗糙度影響高/低雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能的機(jī)理不同。

當(dāng)粗糙度位于壓力面時(shí)，圖7(a)中不同粗糙度下葉片總載荷近似不變，對(duì)應(yīng)壓氣機(jī)壓比對(duì)壓力面粗糙度不敏感(圖6(a))。圖8對(duì)比了不同粗糙度下壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子出口截面相對(duì)總壓。可見(jiàn)，相較于光滑葉片，當(dāng)壓力面粗糙度從5 μm增至45 μm時(shí)，壓力面尾跡先變薄后增厚，與圖6(b)中壓氣機(jī)效率先小幅上升后小幅下降的趨勢(shì)相同。轉(zhuǎn)子尾跡寬度變化的原因分析如下：圖7(a)中葉片前半部分壓力面的逆壓力梯度使光滑葉片壓力面出現(xiàn)分離泡，而壓力面粗糙度增強(qiáng)了流動(dòng)抵抗逆壓力梯度的能力、使得分離泡減小，有利于壓力面?zhèn)任槽E變窄；另外，葉片后半部分粗糙度加強(qiáng)湍流摻混使壓力面尾跡變寬，這兩個(gè)因素共同影響尾跡寬度，進(jìn)而影響壓氣機(jī)效率。

當(dāng)粗糙度位于吸力面時(shí)，相較光滑葉片，圖7(b)中葉片平均載荷隨粗糙度的增加先增加后降低，與圖6(a)中壓比的變化特征相同。

從圖7(b)可看出，相較于光滑葉片，小尺寸粗糙度如5 μm時(shí)，吸力面激波位置后移，波后分離泡長(zhǎng)度減小；大尺寸粗糙度如20 μm時(shí)，吸力面激波位置前移，波后分離泡長(zhǎng)度增加，且隨粗糙度增加變化較慢。由于跨聲轉(zhuǎn)子吸力面激波位置影響端壁三維分離區(qū)大小，激波位置后移時(shí)三維分離區(qū)減小，反之增大。圖9中吸力面表面極限流線也證明了此現(xiàn)象，故激波引起的三維分離損失是影響壓氣機(jī)效率變化的一個(gè)原因。另外，吸力面流動(dòng)在低雷諾數(shù)下易分離，小幅粗糙度有利于抵抗流動(dòng)分離，使葉片吸力面前半部分邊界層較薄(圖10(b))，激波-邊界層作用后邊界層厚度較光滑葉片減小。因此，吸力面小幅值粗糙度下壓氣機(jī)效率大幅增加歸因于三維分離區(qū)減小，吸力面邊界層變薄、分離泡縮短。而當(dāng)吸力面覆蓋較大尺寸粗糙度時(shí)，一方面大尺寸粗糙度增加了邊界層湍流水平使吸力面激波上游的邊界層較厚，激波位置前移；另一方面當(dāng)邊界層厚度達(dá)到一定水平后邊界層厚度對(duì)粗糙度敏感性降低，并隨粗糙度增加緩慢增加，導(dǎo)致激波前移量較小，從而使激波相關(guān)的三維分離、激波-邊界層作用損失隨著粗糙度緩慢增加。故大幅值粗糙度下，壓氣機(jī)效率隨著粗糙度的增加而緩慢下降。

為量化粗糙度大小、位置對(duì)高/低雷諾數(shù)跨聲壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響，圖11給出了不同粗糙度下壓氣機(jī)峰值效率點(diǎn)效率、壓比變化量。其中，壓氣機(jī)效率、壓比變化量都以光滑葉片高雷諾數(shù)工況下的峰值效率工況為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，效率變化量為絕對(duì)差值，壓比變化量為相對(duì)差值。可見(jiàn)，高雷諾數(shù)工況下，粗糙度對(duì)壓氣機(jī)性能的影響不可忽略。當(dāng)整個(gè)葉片進(jìn)入深度污染、表面粗糙度達(dá)45 μm時(shí)，壓氣機(jī)效率、壓比分別下降5.98%和6.15%。即使在少量污染、表面粗糙度為5 μm時(shí)，壓氣機(jī)最大效率下降量仍高達(dá)1.79%、壓比下降1.41%。這意味著為保證跨聲壓氣機(jī)低空性能，必須在發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)工作一段時(shí)間后對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行清洗。與高雷諾數(shù)工況不同，深度污染、大幅值粗糙度對(duì)低雷諾數(shù)壓氣機(jī)性能的影響很小，且存在臨界粗糙度，當(dāng)葉片表面粗糙度小于此臨界值(本文為20～45 μm)時(shí)壓氣機(jī)效率上升，反之壓氣機(jī)效率下降。在光滑葉片與臨界粗糙度之間，還存在著一個(gè)最佳表面粗糙度，使壓氣機(jī)效率最高。在本文低雷諾數(shù)算例中，最佳表面粗糙度為5 μm，對(duì)應(yīng)峰值效率最大增量為0.79%、壓比最大增加量為1.41%，這意味著低雷諾數(shù)工況葉片表面并不是越光滑越好。因此，為保證壓氣機(jī)在不同雷諾數(shù)下都有高的氣動(dòng)性能，需在整個(gè)葉片表面覆蓋5 μm以下的加工粗糙度。

6 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了粗糙度大小、位置對(duì)高/低雷諾數(shù)跨聲壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 相較于壓力面粗糙度，吸力面粗糙度對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響更大。

(2) 高雷諾數(shù)工況下壓氣機(jī)性能隨粗糙度的增加而顯著降低；低雷諾數(shù)工況下存在臨界粗糙度水平，粗糙度大于此值時(shí)壓氣機(jī)性能衰減，粗糙度小于此值時(shí)壓氣機(jī)性能改善。

(3) 粗糙度對(duì)壓氣機(jī)壓比的影響來(lái)源于葉片載荷變化。壓力面粗糙度對(duì)壓氣機(jī)載荷分布無(wú)影響，而吸力面粗糙度對(duì)載荷分布影響顯著。

(4) 壓力面粗糙度通過(guò)改變尾跡寬度來(lái)影響壓氣機(jī)效率，高雷諾數(shù)工況下尾跡寬度變化與壓力面湍流摻混相關(guān)，而低雷諾數(shù)工況下尾跡寬度變化還受壓力面分離泡影響。吸力面粗糙度通過(guò)改變高雷諾數(shù)工況葉片前半部分負(fù)荷、低雷諾數(shù)工況葉片前半部分邊界層厚度來(lái)影響激波位置，進(jìn)而影響與激波位置相關(guān)的三維分離損失、激波-邊界層作用損失，同時(shí)葉片負(fù)荷變化還改變了葉尖泄漏損失，最終改變壓氣機(jī)效率。

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Effect of roughness on high/low Reynolds num ber transonic com p ressor perform ance

YANG Rong-fei1，HUANG Jin1，YANG Xiao-ping2，XIANG Hong-hui2，GE Ning1
(1.Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power Systems，College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Key Laboratory on Aero-engine Altitude Simulation Technology，AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

The NASA Stage 35 was used as the case study geometry.Compressor performance curves and flow structure were obtained through numerical simulation with smooth rotor and roughened rotor at two dif?ferent Reynolds number.The roughened rotor contained cases of various roughness of 5 μm,20 μm and 45 μm imposed on suction surface,pressure surface and entire blade respectively.And the high Reynolds num?ber condition was correspond to sea level while the low Reynolds number condition was obtained at high al?titude of 20 km.The results show that suction surface roughness has much more influence on compressor performance than pressure surface roughness.And the compressor performance changes greater at high Reynolds number than that at low Reynolds number under the influence of surface roughness.At high Reyn?olds number,the compressor performance usually decreases with increasing roughness.However,at low Reynolds number,the compressor performance can improve with small surface roughness while it worsens at high surface roughness.When the compressor rotor is roughened with 5 μm,the maximum increment of compressor peak efficiency reaches 0.79%.

aero-engine；transonic compressor；surface roughness；low Reynolds number；high Reynolds number；aerodynamic performance；numerical simulation

V231.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

：1672-2620(2017)02-0037-08

2016-10-20；

：2017-04-09

中國(guó)航空科學(xué)基金(20141052012)

楊榮菲(1982-)，女，湖北武漢人，講師，博士，主要從事葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)研究。