漸縮式射流縫對靜子葉柵流場性能影響的數值研究

皋天一，張國臣，徐志暉，劉鵬程

(沈陽航空航天大學航空發動機學院遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室，沈陽 110136)

1 引言

壓氣機作為航空發動機的核心組成部件，提高其總增壓比、效率和穩定工作范圍等一直是國內外學者的研究熱點[1]?，F階段壓氣機設計持續向高負荷、高增壓比以及較寬廣的穩定工作范圍方向發展，但高負荷就意味著壓氣機內部流動更為復雜，甚至引起壓氣機效率降低和穩定工作范圍下降[2]。通常，造成壓氣機內部流動失穩的主要原因，有氣流分離、泄漏流、激波/附面層干涉等多種復雜機制[3]。壓氣機葉柵在大攻角或高負荷情況時，氣流受較大的逆壓力梯度影響，葉片表面易出現附面層分離的現象，且隨著來流攻角的增大分離區也增大，而葉片表面附面層分離會使葉柵通道氣流堵塞，阻礙主流流動，導致壓氣機流量減小，最終造成壓氣機流動損失及內部流動失穩[4]。

為控制葉片表面附面層分離，對葉片進行從吸力面到壓力面的開縫處理，利用葉型兩面之間的壓差形成高速射流，向吸力面分離區低能流體注入能量，從而起到吹除附面層、降低流動損失的作用[5]。張相毅等[6]對NASA67風扇葉片進行研究，提出從葉片壓力面到吸力面開孔射流以延緩葉片尾緣氣流分離的技術，并通過數值計算的方法初步表明開孔射流能有效改善風扇葉片流場，提高壓氣機的性能和穩定工作范圍。曹朝輝等[7]進行了某葉型開縫前后葉柵特性的數值研究，發現開縫射流能夠改善葉柵表面靜壓分布，從而增大氣流的轉折能力，降低葉柵總壓損失；同時也指出，對于開縫射流的結構還有待進一步研究。周敏等[8]研究發現，在葉片尾緣80%～94%葉高位置進行開縫處理，開縫射流對葉片壓力面附面層有一定的抽吸作用，并且射流還可以控制吸力面附面層內氣流由葉根向葉尖潛移，從而防止低能流體在葉尖堵塞。吳培根等[9]研究了槽道出口位置對葉柵性能的影響，得出了對于大彎度、高負荷葉型，在大攻角分離情況下，槽道出口最佳位置在葉型吸力面中部附近的結論。胡家國等[10]利用葉尖開縫射流進行壓氣機擴穩研究，發現射流縫的抽吸作用能減小葉尖間隙泄漏，從而擴寬壓氣機的穩定裕度，雖性能損失與擴穩效果負相關，但峰值效率的下降仍在合理范圍內。王如根等[11]提出一種弧線形縫隙射流的方法，結合實驗得出該射流能夠抑制葉柵內復雜的端壁二次流，使出口流場更加均勻的結論，對進一步研究射流縫對葉柵流場影響的作用機理提供了新的思路。唐雨萌等[12]設計了一種雙縫射流結構，通過比對單、雙射流葉柵與原葉柵的流動特性發現，引入的第二個射流縫結構可以進一步推遲分離，降低損失，起到接力的效果。孫槿靜等[13]發現在葉片根部開縫可有效控制角區分離，減小葉柵損失，增大其擴壓能力。Ramzi 等[14]就不同射流縫結構對葉柵性能的影響進行了歸納總結，深入探究了葉柵射流的作用機理。Hu等[15]采用數值方法，結合旋渦結構模型，研究了葉柵射流的作用機理，以及葉柵射流對葉柵通道流場結構的影響，闡釋了射流對尾緣和角區分離的作用機制。

分析公開文獻發現，對射流縫的研究大多是針對等截面積的平行縫，關于射流縫通道形狀對葉柵性能的影響還需進一步探索[16-17]。為此，在上述研究基礎上，本文對射流縫進出口截面積比例進行調整，設計了一種漸縮式射流縫，對不同攻角和不同來流馬赫數下的葉柵通道進行了數值仿真，并與等截面積的平行式射流縫進行對比，研究其對葉柵流場特性的影響，以及對靜子葉柵流動損失的控制效果。

2 研究對象及方法

研究對象為某型壓氣機靜子葉柵。在葉柵壓力面與吸力面之間開漸縮式射流縫，利用葉型壓力面與吸力面之間的壓力差產生射流，通過漸縮式通道使射流進一步加速，提升射流效果。來流攻角較大時，葉片吸力面出現大尺度的附面層分離，利用葉柵射流可以在射流縫出口處向附面層內低能流體團注入能量，起到抑制附面層分離、降低流動損失的作用。如圖1 所示，葉柵射流縫出口相對位置在葉柵弦長50%處。漸縮式射流縫出口寬度0.50 mm，入口寬度1.00 mm；平行式射流縫進出口寬度均為0.75 mm。定義射流縫靠近前緣的直線斜率為射流縫斜率，表征射流縫的傾斜程度，本文射流縫斜率約為1.3。兩種射流縫結構高度均為150.00 mm，與葉高長度相同。

圖1 原型葉柵與開縫葉柵Fig.1 Prototype cascade and cascade with slot

模型建立與網格劃分采用NUMECA 的AutoGrid5 和IGG 模塊。對射流縫進、出口位置網格進行加密處理，射流縫進出口與葉片吸力面、壓力面采用非匹配連接，網格總數約為120 萬。采用NUMECA 的Fine/Turbo 流場求解器進行三維葉柵數值計算。計算邊界條件給定進口總壓、總溫及進口氣流角，平均出口靜壓，固體壁面為絕熱無滑移邊界條件。射流縫葉柵三維結構及網格結構如圖2所示。

圖2 射流縫葉柵三維結構及網格示意圖Fig.2 3D structure and mesh structure of slotted cascade

在之前的工作中，分別對該靜子葉柵進行了實驗測量和數值模擬，圖3給出了弦長方向上，靜子葉柵表面等熵馬赫數實驗結果與數值模擬結果的對比[18]。圖中，x/b為實驗測量點沿弦向的相對位置?？煽闯觯瑪抵的M結果與實驗結果變化趨勢一致，雖實驗值略高于數值模擬值，但整體誤差較小。誤差產生的原因為，數值模擬對流動模型進行了簡化處理，采用理想氣體模型，忽略了黏性。本文采用相同的數值模擬方法對葉柵開縫展開數值研究，采用S-A湍流模型[19-20]和中心差分離散格式。

圖3 葉柵弦長方向表面等熵馬赫數數值模擬與實驗結果的對比[18]Fig.3 Comparison of isentropic Mach number distribution between numerical and experimental data along chord direction[18]

3 結果與討論

總壓損失系數-ω作為衡量葉柵流場流動損失大小的參數[21]，可以有效反應葉柵流動損失情況，其定義為：

圖4給出了攻角i為0°、15°和-5°時，葉柵通道出口平均總壓損失系數隨來流馬赫數的變化。圖中，Main為來流馬赫數，Prototype表示原型葉柵，Convergent Slot表示漸縮式射流縫葉柵，Parallel Slot表示等截面積平行式射流縫葉柵?？煽闯?，當攻角為0°和-5°時，帶射流縫結構的葉柵通道與原型葉柵通道相比，葉柵尾緣處總壓損失系數均有所增大。這兩種攻角下，原型葉柵流場性能較好，流動損失主要來源于葉型損失；開縫后射流與主流摻混反而使損失增大。但兩種帶射流縫結構相比，平行式射流縫的總體損失相對較高。當攻角為15°時，帶射流縫的葉柵出口總壓損失明顯降低。這是因為大攻角情況下，葉片表面附面層分離帶來較大的流動損失，此時開縫射流能向附面層內低能流體注入大量能量，從而改善葉柵流動，使損失大幅降低。這說明射流縫在大攻角的情況下更能起到良好的流動控制作用。相比于平行式射流縫，漸縮式射流縫的控制效果明顯更優。這是由于馬赫數小于1.0時，漸縮式通道結構能夠起到加速氣流的作用，使射流縫出口流速更大，控制效果更明顯。

圖4 總壓損失系數隨來流馬赫數和進氣攻角變化曲線Fig.4 Total pressure loss coefficient with different inflow Mach number and incidence angle

圖5～圖7 分別給出了來流馬赫數為0.6，攻角為0°、15°和-5°時50%葉高截面馬赫數分布云圖?？梢钥闯?，當攻角為0°時，葉柵通道流場較好，整體速度均勻，吸力面尾緣處出現很小范圍的附面層增厚現象，總體損失較小。原型葉柵與漸縮式射流縫葉柵通道附面層分離區變化不明顯，漸縮式射流縫葉柵吸力面高速區略小一些，速度等值線略微前移，流過葉柵通道的流體速度有所降低。這是由于在0°攻角時吸力面和壓力面之間壓差較小，射流速度較低，與主流摻混后拉低了整體流速。平行式射流縫帶來的損失則更為明顯，摻混后吸力面附面層增厚，尾跡區明顯增大。說明漸縮式通道對射流的加速作用在分離較小時起到了更明顯的控制作用，有效降低了低速射流帶來的額外損失。

圖5 葉柵通道中部馬赫數分布云圖(i=0°，Main=0.6)Fig.5 Mach number distribution at the middle of cascade passage(i=0°，Main=0.6)

圖6 葉柵通道中部馬赫數分布云圖(i=15°，Main=0.6)Fig.6 Mach number distribution at the middle of cascade passage(i=15°，Main=0.6)

圖7 葉柵通道中部馬赫數分布云圖(i=-5°，Main=0.6)Fig.7 Mach number distribution at the middle of cascade passage(i=-5°，Main=0.6)

當攻角為15°時，葉片吸力面出現大尺度的附面層分離，形成了較大面積的低速區，造成葉柵通道氣流堵塞，相對流通面積減小，氣流速度大幅度降低。在射流作用下，漸縮式射流縫葉片吸力面附面層厚度明顯變薄，通過葉柵通道氣流整體流速明顯提升。這是由于大攻角下葉型兩面壓差較大，射流出口速度更高，且射流通過收斂通道后速度進一步增加，與主流摻混后向附面層內低能流體注入能量，使葉柵通道主流流速增加，流場性能得到改善，損失降低。平行式射流縫也能起到改善流動的效果，葉柵出口低速區有所減小，但由于平行式射流縫在相同壓差時對氣流的加速作用明顯弱于漸縮式射流縫，起到的控制效果有限。

當攻角為-5°時，原型葉柵的流動效果較好，主要損失源于壓力面附面層分離。而開縫葉柵通過射流縫能將壓力面附面層內的低能流體吸入，不過由于射流流速低于主流流速，在吸力面與主流摻混后反而引起了吸力面氣流分離，雖延緩了葉片壓力面分離，卻導致吸力面分離加重，整體流速降低，損失有所增大。同樣，因漸縮式通道的加速作用，其帶來的損失也小于平行式射流縫葉柵結構的。

圖8～圖10給出了原型與兩種射流縫結構葉片吸力面極限流線與靜壓分布。攻角為0°時，氣流流過漸縮式射流縫葉柵后，靜壓升高，此時葉片表面附面層未發生大尺度分離，端壁附面層分離是損失產生的主要原因。在端壁效應的影響下，氣流沿葉高方向潛移，在角區匯聚，分離程度有所加強，此時受橫向逆壓力梯度的影響，氣流向葉片中部流通能力減弱，使得流場惡化，整體損失有所增大。對于平行式射流縫，低速流團與主流的摻混導致葉片吸力面分離提前，是流場惡化的主要原因。攻角為-5°時，與攻角為0°時類似，漸縮式射流縫角區分離略有增大，平行式射流縫葉柵吸力面分離點向前緣移動，使損失略有增大。而攻角為15°時，角區葉型表面附面層分離帶來的損失遠大于端壁附面層的，漸縮式射流使整個葉高范圍內的流場趨于均勻變化，顯著改善了角區流動分離，有效抑制了氣流沿葉高方向的潛移；平行式射流縫雖也使角區分離減弱，但其作用效果明顯低于漸縮式射流縫結構的?？梢缘贸觯淞骺p結構在加速附面層內流體流動的同時，還能起到抑制葉柵角區分離的作用，從而降低整體損失，減弱葉柵通道內二次流動和旋渦結構；但葉片表面分離較小時，射流對角區分離的控制效果不夠理想。

圖8 葉柵吸力面極限流線與靜壓分布(i=0°，Main=0.6)Fig.8 Limiting streamlines and static pressure distribution of cascade suction surface(i=0°，Main=0.6)

圖9 葉柵吸力面極限流線與靜壓分布(i=-5°，Main=0.6)Fig.9 Limiting streamlines and static pressure distribution of cascade suction surface(i=-5°，Main=0.6)

圖10 葉柵吸力面極限流線與靜壓分布(i=15°，Main=0.6)Fig.10 Limiting streamlines and static pressure distribution of cascade suction surface(i=15°，Main=0.6)

圖11 給出了不同攻角下原型與兩種射流縫結構葉柵通道出口馬赫數沿徑向的分布曲線。圖中，橫坐標采用徑向長度的歸一化表示。可以明顯看出，當攻角為0°時，漸縮式射流縫結構對葉柵出口流速有一定的提升作用，而平行式射流縫葉柵尾緣馬赫數有所降低，尾跡區明顯增大(圖5(c))，說明漸縮式通道對流體的加速作用在攻角為0°時帶來的損失更低，并且使尾緣處速度有轉變均勻的趨勢，也能進一步降低尾跡摻混損失。攻角為15°時，由于附面層分離尺度較大，尾跡區明顯增大(圖6)，速度分布更不均勻，漸縮式射流縫使尾緣處速度大幅提高，平行式射流縫葉柵尾緣馬赫數也有所增大，但不明顯，說明漸縮式射流縫對抑制壓氣機葉柵流動分離起著積極作用。攻角為-5°時，分離區速度降低明顯，射流縫使尾緣處速度波動增大，但漸縮式射流縫帶來的損失遠低于平行式射流縫的。

圖11 不同進氣攻角下葉柵通道出口徑向馬赫數分布Fig.11 Outflow radial Mach number distribution of cascade passage with different incidence angle

圖12 給出了不同攻角下原型與兩種射流縫結構葉柵出口沿葉高方向的總壓恢復系數曲線。圖中，橫坐標為總壓恢復系數，縱坐標采用沿葉高方向高度的歸一化表示。可以看出，當攻角為0°時，由于附面層分離區域很小，所以整體擴壓能力未受到很大影響，總壓恢復系數較高。原型葉柵在葉高中部總壓波動較大，為氣流分離使速度變化不均勻所致。帶有射流縫的葉柵通道由于附面層增厚導致總壓下降，但其能讓尾緣處速度分布均勻，從而使葉高方向總壓趨于均勻變化。當攻角為15°時，因附面層分離嚴重，葉柵通道嚴重堵塞，在射流作用下，葉柵通道的堵塞得到緩解，擴壓能力提升，總壓損失顯著改善，并使沿葉高方向的總壓趨于均勻變化，起到了降低損失、提高葉柵性能的作用。相比較，平行式射流縫總壓變化波動較大且變化不均勻，漸縮式射流縫能使葉柵尾緣總壓變化趨于穩定。當攻角為-5°時，與攻角為0°時的類似，兩種射流縫總壓損失均有所提高(圖4(c))，但漸縮式射流縫的損失比平行式射流縫的略小。

圖12 不同進氣攻角下葉柵通道出口葉高方向總壓恢復系數曲線Fig.12 Outflow total pressure recovery coefficient of the cascade passage along the blade height direction with different incidence angle

4 結論

為降低壓氣機對靜子葉柵損失，設計了一種漸縮式射流縫葉柵，并與傳統平行式射流縫葉柵進行對比。對原型葉柵與開縫葉柵，在來流馬赫數0.3～0.6、攻角分別為0°，15°和-5°時、進行數值模擬對比分析，得到如下結論：

(1) 射流縫對流場性能的影響主要體現在兩方面，一是對壓力面附面層的抽吸作用，二是對吸力面附面層的吹除作用。當葉片表面分離較小時，葉柵通道流場較好，射流速度較低，不足以吹除吸力面的低能流體，與主流摻混后反而引起額外損失。當葉片表面分離較大時，葉柵通道嚴重堵塞，此時兩種射流縫結構均能發揮良好的抽吸與吹除作用，大幅減輕葉柵通道堵塞，提高流場性能。

(2) 葉柵開縫射流能有效改善角區分離，在全葉高范圍內對氣流沿葉高方向的潛移起到控制作用，使近壁端氣流趨向均勻變化，對提高葉柵流場性能有積極影響。

(3) 漸縮式射流縫結構對射流具有二次加速作用，使射流縫出口流速進一步提高，作用于葉柵流場時，不僅在分離較大時起到的流動控制效果比等截面積的平行式射流縫結構的好，而且在分離較小時能有效降低低速射流帶來的額外損失。

(4) 漸縮式射流縫能夠有效改善葉柵出口流場性能，使葉柵通道出口參數趨于均勻變化，降低葉柵摻混損失，從而提高葉柵性能。

(5) 葉柵漸縮式射流縫能夠有效改善流場結構，相比于平行式射流縫具有更好的流動控制效果，但其在零攻角、負攻角下帶來的損失也不容忽視。在未來的研究中，如何控制零攻角、負攻角下的總壓損失，將是主要研究方向。此外，深入研究漸縮式射流縫最佳進出口截面積比例、出口相對位置以及射流縫斜率，對提高葉柵流場性能將有積極影響。