葉片安裝角度異常對靜子葉柵性能及流場結構的影響

皋天一，張國臣，尚懷遠，徐志暉，劉鵬程

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

壓氣機內部流場結構復雜，存在著湍流轉捩、激波等流動現象，易出現較大尺度的旋渦運動和激波/尾跡/邊界層干涉引起的損失[1-3]。為擴大壓氣機的穩定工作范圍，研究人員提出了多種流動控制手段，如合成射流[4]、等離子體激勵[5-6]、附面層抽吸[7]、葉尖微噴氣[8-9]、機匣處理[10-11]和葉片開縫[12-13]等。可旋靜子葉片也是航空發動機防喘的主要措施之一。在非設計點工況下工作時，壓氣機容易進入“前喘后堵”的不穩定工作狀態。通過調節可旋靜子葉片安裝角度，能夠使動葉進口氣流攻角滿足或接近設計值，從而改善壓氣機非設計工況流場性能，使發動機能在啟動、慢車等狀態下穩定工作[14-15]。黃愛華[16]介紹了靜子葉片安裝角調節規律，并通過調節靜子葉片安裝角增加轉子的轉速裕度，降低機械負荷，延長發動機壽命；張健等[17]設計了調節第一和第三級靜子安裝角度的聯合方案，通過試驗的方法找到了最佳角度組合，使壓氣機絕熱效率提高了7.4%，穩定工作裕度提升了13%；李曉麗等[18]研究發現，因加工誤差導致壓氣機各級葉片安裝角整體偏大時，壓氣機總壓比和效率與原型分別相差6.459%和0.218 9%；張永新等[19]研究發現，通過適當調整出口導流葉片安裝角可以有效降低轉子后的壓力擾動，改善流場。

目前，研究人員對靜子安裝角調節的研究大多集中在正常情況下的調節，當調節靜子安裝角時，如果某個葉片調節機構卡死導致安裝角調節異常，會導致整個葉柵流場周期性遭到破壞，造成通道堵塞，對相鄰葉柵通道流場性能也會產生影響，嚴重時會引起葉片劇烈振動，甚至疲勞破壞。所以，研究靜子安裝角度異常對流場性能的影響很有必要。

在實際工程中，安裝角異常的葉片數目往往難以預估，本文對某單個靜子葉片安裝角調節異常進行數值研究，分析其對自身及相鄰葉片通道流場性能的影響，得到了靜子安裝角調節不同角度對葉柵流場結構及性能的影響。

1 研究對象及方法

研究對象為可調靜子葉片，網格劃分采用NUMECA軟件中Autogrid5模塊。由于葉片安裝角異常時主要影響到其相鄰兩個葉柵通道的流場性能[19]，所以本文共建立5個葉柵通道，采用O4H網格拓撲結構，單個葉片通道內網格數約為80萬，模型總網格數約為400萬，如圖1所示。本文定義從上到下5個葉片分別為葉片1～5，其中葉片3為安裝角異常的葉片。規定安裝角順時針旋轉為正方向，本文設計6種不同安裝角調節方案，調節度數分別為±1°，±5°，和±10°，如圖2所示，分別以方案1～6命名。

圖1 計算域網格結構示意圖

數值計算采用FINE-Turbo的Euranus求解N-S方程，選用S-A模型，網格數與湍流模型的無關性在文獻[21]中已得到充分驗證，本文采用相同的數值方法進行研究。在邊界條件的設定上，進口給定總溫，通過調節進口總壓控制來流馬赫數，調節進口氣流角控制進氣攻角；出口給定平均出口靜壓；壁面采用絕熱無滑移邊界條件。圖3給出了實驗數據與數值計算數據50%葉高葉片表面等熵馬赫數的對比圖，由圖可知，仿真數據與實驗數據吻合較好，存在細微差別的原因是數值計算采用理想氣體與絕熱無滑移邊界條件，綜合考慮到實驗儀器與測量帶來的誤差，認為本文采用的數值方法是可信的。

圖2 安裝角不同調節角度示意圖

圖3 葉片3表面等熵馬赫數仿真與實驗對比圖

2 結果分析

為較好地反應葉柵流場性能，衡量葉柵流動損失，本文根據文獻[22]定義總壓損失系數如下

(1)

2.1 0°攻角時葉柵流場分析

圖4給出了不同安裝角調節角度與原葉柵出口平均總壓損失系數隨馬赫數變化的曲線圖。由圖4可知，安裝角調節±1°時，葉柵通道出口總壓損失系數與原型曲線基本吻合，對流場性能影響較小；安裝角調節±10°時，總壓損失系數均明顯增大，葉柵流場性能降低明顯，隨著來流馬赫數增大，損失逐漸升高；安裝角調節-5°，來流馬赫數小于0.5時，對流場影響較小，來流馬赫數大于0.5時，損失明顯升高；安裝角調節+5°時，整體總壓損失均有所降低，總體上總壓損失隨著來流馬赫數的增大而提高。

圖5給出了來流馬赫數Ma=0.6時，各工況葉高中部馬赫數分布云圖。由圖5可知，當進口氣流角不變，安裝角逆時針調節時，相當于葉片3進氣攻角為負；安裝角順時針調節時，相當于葉片3進氣攻角為正。安裝角調節±1°時(圖5b和圖5e)，對流場結構的影響較小，與原型葉柵流場較為相似。隨著安裝角逆時針旋轉角度變大，葉片3壓力面表面開始發生附面層分離的現象，如圖5c和圖5d所示。此時由于葉片3安裝角的改變，使葉片3與葉片2之間的葉柵通道入口截面積增大，出口截面積減小，形成了收縮通道，使通道內氣流加速，起到了吹除葉片3吸力面附面層、推遲分離的作用，隨著葉片3逆時針旋轉角度變大，吸力面分離逐漸減弱；而葉片3與葉片4之間形成擴張的葉柵通道使氣流減速增壓，低速流體在葉片3壓力面不斷積累，隨著葉片3逆時針旋轉角度變大，壓力面氣流分離加劇，葉柵流場結構受到破壞，流場性能明顯降低。如圖5g所示，當葉片3順時針旋轉時，葉片2與葉片3之間形成的擴張通道使葉片3吸力面分離逐漸加重，損失逐漸增大，嚴重影響葉柵流場性能；而葉片3與葉片4之間形成的收縮通道，使葉片3吸力面分離減弱。但安裝角為+5°時，如圖5f所示，葉片通道損失未增反降，與安裝角為0°時相比，葉片2和葉片4尾跡區面積明顯減小。分析認為，安裝角調整+5°時，葉片3雖然在正攻角下工作，但葉型設計本身具有穩定工作攻角范圍，在該范圍內葉柵均能維持較高流場性能，受到攻角變化帶來的影響較小，而葉片3與葉片4之間的收縮通道使氣流加速，削弱了葉片4吸力面氣流分離，從而降低了整體損失，使葉柵流場性能得到一定提高。

圖4 總壓損失系數隨馬赫數變化曲線圖

圖5 Ma=0.6時50%葉高處馬赫數分布云圖

圖6給出了葉柵通道入口馬赫數為0.6、葉片3安裝角調節不同角度時，葉片1～5表面等熵馬赫數分布曲線圖。由于安裝角調節0°時，葉片1～5葉片表面等熵馬赫數相同，所以圖6中僅繪制出一條曲線作為參照，用基線表示。由圖6可知，安裝角調節±1°時(圖6a和圖6d)，5個葉片表面等熵馬赫數變化較小，基本與原型曲線吻合，但+1°時葉片4表面流速有所增大，原因是調節葉片3安裝角會使相鄰葉片進口氣流角發生變化。安裝角調節-5°和-10°時(圖6b和圖6c)，葉片3表面壓力面等熵馬赫數明顯降低，吸力面略有提高，這是由于安裝角負角度調節在相鄰葉柵通道形成的收縮與擴張通道分別對氣流起到加速與減速作用，調節-5°時對相鄰葉片影響較小，而調節-10°時葉片4的流速也有所降低。安裝角調節+5°時(圖6e)，葉柵通道流通性較好，除葉片4外，其余4個葉片表面等熵馬赫數均有所提升，發現靠近前緣區域速度增幅明顯，認為調節葉片安裝角度對進氣角有一定影響。安裝角調節+10°時(圖6e)，葉片3表面整體流速下降，相鄰葉片流速均有所下降，此時葉柵流場結構遭到較大程度地破壞，流場性能大幅降低。

圖6 葉片表面等熵馬赫數分布曲線圖(Ma=0.6)

上述分析認為葉片安裝角角度變化對進氣角有一定影響。圖7給出了安裝角調節不同角度時，葉柵通道距離前緣點5mm處進氣角變化曲線圖。由圖7可知，當葉片安裝角逆時針調節時(圖7a)，隨著角度增大，葉片1和葉片2前緣氣流角逐漸增大。由于計算在0°攻角條件下進行，此時相當于正攻角不斷增大，而葉片3～5的前緣氣流角逐漸減小，相當于負攻角不斷減小，但整體變化趨勢保持一致；而當葉片安裝角順時針調節時(圖7b)，葉片前緣氣流角變化較不規則，安裝角調節+5°時，對流場的擾動使葉片3進口氣流角增大，對相鄰葉柵通道產生的影響使流場整體性能得到了提升。但安裝角調節+10°時，對流場影響較大，前緣氣流角變化規律與安裝角調節+1°和+5°相反，這也是其流場性能惡化的主要原因之一。

圖8給出了安裝角不同調節角度葉柵通道出口流速變化曲線。由圖8可知，所有調節角度下，葉片1和葉片5出口氣流流速下降較小，說明當葉片安裝角發生變化時，主要影響到相鄰兩葉片通道的流場性能。當安裝角調節±10°時，葉片表面大尺度的附面層分離導致葉柵出口流速大幅下降，流場結構遭到破壞使速度分布不均勻；安裝角調節-5°時，葉片3和葉片4出口流速有所下降；安裝角調節+5°時，葉片2～4出口流速略有提升，整體趨于均勻變化；安裝角調節±1°對出口流速影響均較小。

圖9給出了不同安裝角調節角度下，葉柵通道出口平均氣流轉折角對比圖。分析發現安裝角異常調節在0°到負角度范圍，隨著負角度增大，平均氣流轉折角逐漸變小，說明隨著負攻角的增大，葉柵擴壓能力逐漸下降，流場性能也明顯降低。而在0°到正角度范圍，安裝角調節1°時，平均氣流轉折角幾乎無變化；安裝角調節10°時，平均氣流轉折角顯著降低，此時葉片表面發生較大尺度的氣流分離現象，葉柵性能顯著降低；而安裝角調節5°時，平均氣流轉折角增大，說明此時葉柵整體性能有所提高，擴壓能力增強，與上文分析一致。

綜合分析發現，安裝角調節±1°時，對流場結構改變較小，流場性能幾乎未受到影響；安裝角調節-5°和±10°時，葉片表面出現較大尺度附面層分離現象，葉柵通道出口流速下降明顯，葉片2-葉片4受影響較大；而安裝角調節+5°時，葉柵通道進口氣流角增大，流場結構得到改善，性能有所提高。

圖7 Ma=0.6時葉柵前緣氣流角變化曲線圖

圖8 Ma=0.6時葉柵出口流速變化曲線圖

2.2 5°攻角時葉柵流場分析

為驗證研究結果的普適性，本文對上述各工況在來流馬赫數Ma=0.6、來流攻角為5°時進行了數值計算，得到葉柵流場性能及流場結構，深入分析安裝角變化對葉柵性能的影響。

圖10給出了安裝角調節不同角度時，葉柵通道出口平均總壓損失系數分布圖。安裝角調節角度較大時(±10°)，平均總壓損失系數明顯增大，葉柵性能顯著降低，說明在安裝角調節角度偏大時，流場性能受攻角變化影響較小，此時葉片表面氣流分離形成的大面積低速區使葉柵通道嚴重堵塞，出口流速大幅下降。而安裝角調節范圍較小時(±1°)，受到攻角變化的影響也較小，此時平均總壓損失系數略微上升，葉柵通道流通性較好，總體損失較低。安裝角調節+5°時，平均總壓損失有所提高，這與來流0°攻角時得到的結論相反，此時由于葉片安裝角旋轉角度與來流攻角增大角度方向相同，相當于進一步增大了來流攻角，使葉片表明分離加劇，導致葉柵總體性能下降。來流0°攻角，安裝角調節-5°(圖4a)時，總壓損失大幅提升，但來流攻角為5°時，總壓損失提升幅度較小。這是因為，安裝角調節為負時相當于逆時針旋轉葉片，而來流攻角增大的角度與其逆時針旋轉的角度可相互抵消，此時中間葉片近似于在來流攻角為0°的狀態下工作。損失仍有上升的原因是相鄰葉片產生的擴張通道對氣流減速作用的影響。

圖9 Ma=0.6時葉柵出口平均氣流轉折角

圖10 i=5°時平均總壓損失系數分布圖

由圖11葉高50%處葉柵通道馬赫數分布圖可以看出，安裝角調節0°時，對比圖5a和圖11a，發現葉柵整體流動較好，流場內速度較為均勻，尾跡區面積較小，說明葉柵本身具備一定的穩定攻角范圍。安裝角調節±1°時(圖11b和圖11e)，與來流攻角0°時較為相似，葉柵流場結構未發生明顯變化，但與圖5b和圖5e相比，發現相鄰葉片的尾跡區面積均略微有所增大；安裝角調節-5°時(圖11c)，葉片3近似相當于在0°攻角下工作，其尾跡區面積有略微減小，但葉片4尾跡區面積明顯拉長，雖然葉型本身具備一定的穩定攻角范圍，但此時葉片3和葉片4之間形成的擴張通道使主流流速降低，葉片4吸力面分離程度增大；安裝角調節+5°時(圖11f)，相當于葉片3在更大的正攻角下工作，導致其吸力面表面氣流分離加劇，葉柵總體損失有所上升；圖11d為安裝角調節-10°，由前文分析可知，安裝角逆時針調節可抵消一部分正攻角的角度，此時與來流0°攻角流場結構(圖5d)較為相似；而安裝角調節+10°(圖11g)時，葉片2和葉片3表面均發生大尺度的附面層分離現象，二者尾跡區相互摻混引發更大尺度的旋渦結構，導致葉片2、葉片3之間的葉柵通道嚴重堵塞，葉柵性能嚴重下降。

圖11 i=5°時50%葉高處馬赫數分布云圖

3 結論

本文研究對象為壓氣機靜子葉片，共模擬5個葉柵通道，研究了中間葉片安裝角調節不同角度時對葉柵流場性能的影響，得到如下結論：

(1)安裝角調節角度較小時，葉柵通道總損失與原型差別不大，對葉柵流場性能影響較小；安裝角調節角度增大時，葉片表面發生大尺度的附面層分離現象，流場結構遭到破壞，總壓損失增大，流場性能下降；

(2)調節葉片安裝角時，會使相鄰葉片形成收縮或者擴張通道，對葉片2和葉片4的流場性能影響較大，對葉片1和葉片5流場性能影響較小；

(3)安裝角變化使葉片前緣氣流角發生改變，逆時針調節葉片安裝角時，葉片1和葉片2進口氣流角增大，葉片3～5進口氣流角減小，順時針調節葉片安裝角時，進氣角變化不規律，流場結構較為紊亂；

(4)來流正攻角時，安裝角調節范圍較小或過大時，葉柵流場變化與來流0°攻角規律一致，但在一定范圍內，順時針調節葉片安裝角相當于增大攻角，逆時針調節安裝角能夠抵消一部分攻角作用。

當壓氣機某一葉片安裝角調節異常時，會破壞流場結構，使其不能在設計狀態下工作，對壓氣機穩定性和可靠性造成不良影響。本文對0°和5°攻角下單個葉片安裝角調節不同角度進行計算分析，未來還將在不同來流攻角下調節葉片安裝角的研究，使結論更充分。