黃 磊，余華蔚，吳艷輝

(1.中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西西安710072)

1 引言

軸向傾斜縫機(jī)匣處理因具有顯著擴(kuò)大壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的能力而受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。早期采用的測(cè)量技術(shù)及流場(chǎng)顯示技術(shù)分析這些復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象仍有很大的不足，使得以前的實(shí)驗(yàn)研究往往局限于獲得總體性能或者基元級(jí)性能參數(shù)，或者比較不同處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)的擴(kuò)穩(wěn)效果優(yōu)劣。至今為止，人們對(duì)該形式機(jī)匣處理影響壓氣機(jī)性能及流場(chǎng)的機(jī)制尚未完全清楚。

隨著計(jì)算流體力學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外一些學(xué)者開始嘗試對(duì)軸向傾斜縫機(jī)匣處理進(jìn)行數(shù)值模擬。從目前縫式機(jī)匣處理數(shù)值模擬的相關(guān)文獻(xiàn)可知，對(duì)其流動(dòng)機(jī)理相關(guān)研究工作做得比較多[1～5]，而對(duì)傾角變化對(duì)性能的影響做的研究較少。

傾角是處理機(jī)匣設(shè)計(jì)過程中一個(gè)很重要的參數(shù)，會(huì)影響效率、壓比和裕度等重要指標(biāo)。本文采用定常數(shù)值方法模擬某單級(jí)跨聲速風(fēng)扇流動(dòng)，探索機(jī)匣處理徑向傾角變化對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場(chǎng)及性能影響的流動(dòng)機(jī)理。

2 單級(jí)風(fēng)扇及處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)

本文的研究載體為某單級(jí)跨聲速風(fēng)扇，由一排轉(zhuǎn)子和一排靜子組成。

本文的兩種處理機(jī)匣除徑向傾角有所不同外，其余結(jié)構(gòu)完全一致。其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)示意見圖1，計(jì)算網(wǎng)格見圖2。

表1 處理機(jī)匣設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of casing treatment

3 數(shù)值計(jì)算方法

使用CFD軟件NUMECA進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。具體計(jì)算方法為：結(jié)合Spalart-Allmaras湍流模型，并采用有限體積中心差分格式對(duì)三維雷諾時(shí)均Navi?er-Stokes方程進(jìn)行求解；采用顯式四階龍格庫塔法時(shí)間推進(jìn)以獲得數(shù)值解，同時(shí)加入二階和四階人工粘性項(xiàng)來消除數(shù)值計(jì)算過程中的偽數(shù)值振蕩。使用多重網(wǎng)格法、局部時(shí)間步長等措施加速計(jì)算。

對(duì)于縫式處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)，由于其非軸對(duì)稱性，因此計(jì)算中采用分區(qū)網(wǎng)格技術(shù)。處理機(jī)匣與轉(zhuǎn)子通道間的交接面處理為滑移面，滑移面兩側(cè)采用超線性插值的方法進(jìn)行參數(shù)傳遞。

兩種帶處理機(jī)匣的計(jì)算總網(wǎng)格數(shù)都約為138萬。計(jì)算邊界條件為：固體壁面為絕熱無滑移邊界條件；進(jìn)口延伸段設(shè)為總壓、總溫分布方式，沿軸向進(jìn)氣；靜子延伸段出口設(shè)為平均靜壓方式。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 總性能分析

數(shù)值計(jì)算在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速30 000 r/min下進(jìn)行。圖3給出了100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下實(shí)壁機(jī)匣、機(jī)匣1、機(jī)匣2的特性曲線對(duì)比。從圖中看，帶處理機(jī)匣的近堵點(diǎn)流量要略小于原型風(fēng)扇的近堵點(diǎn)流量。帶處理機(jī)匣后，擴(kuò)大了其穩(wěn)定工作范圍。

運(yùn)用裕度改進(jìn)量公式進(jìn)行計(jì)算，100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下機(jī)匣1、2對(duì)原型風(fēng)扇級(jí)性能的改變?nèi)绫?所示：機(jī)匣1的裕度改進(jìn)量為3.55%，效率下降了3.9%；機(jī)匣2裕度改進(jìn)量為3.67%，效率下降了3.5%。

表2 100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下機(jī)匣1、2對(duì)原型風(fēng)扇級(jí)性能的改變Table 2 Impact of treated casings on fan performance at 100%design speed

4.2 機(jī)匣1、2對(duì)流場(chǎng)影響的分析

圖4對(duì)比了機(jī)匣1、2相對(duì)于實(shí)壁機(jī)匣近失速時(shí)刻葉頂?shù)南鄬?duì)馬赫數(shù)云圖。由于實(shí)壁機(jī)匣的近失速工況流量是堵塞工況流量的99.8%，故選取各個(gè)機(jī)匣相應(yīng)工況時(shí)，同樣按照堵塞工況流量99.8%對(duì)應(yīng)工況選取，下同。從圖中看，兩種機(jī)匣的激波位置都向葉片尾緣移動(dòng)，這也是兩種機(jī)匣都能擴(kuò)穩(wěn)的原因之一。另外，兩者的變化不大，從葉頂吸力面分離角度來說，機(jī)匣1作用更明顯，分離更小，而機(jī)匣2作用的范圍略小，分離要大些。但機(jī)匣1處理后，葉頂流道相對(duì)馬赫數(shù)為1的等值線相對(duì)較直，接近于正激波；而機(jī)匣2的葉頂流道相對(duì)馬赫數(shù)為1的等值線偏斜，造成的損失相對(duì)較小。另外，機(jī)匣2的靜子葉頂損失也要小些。

圖5給出了約99%葉高處S1流面上的相對(duì)速度矢量對(duì)比。從圖中看，兩種機(jī)匣的流動(dòng)分離現(xiàn)象與圖4中的一致。實(shí)壁機(jī)匣時(shí)，在葉片通道內(nèi)有兩處速度很低的區(qū)域(圖5(a)中A、B兩個(gè)圓形標(biāo)注區(qū))，這兩處區(qū)域有逆流和二次流出現(xiàn)，其高低速度交接面近似垂直軸向，使得氣流只能從靠近葉片壓力面流進(jìn)或流出葉片通道。反觀圖5(b)、圖5(c)，機(jī)匣處理后，在傾斜縫中形成的噴射流的作用下，葉頂通道內(nèi)的低速氣團(tuán)得到了有利的激勵(lì)，不僅消除了其旋渦狀的流動(dòng)形態(tài)，而且增大了葉頂通道的有效流通面積及流通能力，從而都延緩了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子失速的發(fā)生。從機(jī)匣1與機(jī)匣2的對(duì)比來說，機(jī)匣2的尾跡損失略小，且逆流以及二次流也相對(duì)較小，因此其擴(kuò)穩(wěn)能力及效率略高。

圖6為處理機(jī)匣選取的截面示意圖，17～21分別為各個(gè)機(jī)匣選取的截面代號(hào)。圖7為兩種處理機(jī)匣在實(shí)壁機(jī)匣近失速工況的縫內(nèi)流動(dòng)對(duì)比。

從圖中看，機(jī)匣1縫內(nèi)利用轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部存在的壓差，在面18和面19有從后面往前面的抽吸射流運(yùn)動(dòng)且比較明顯，其中面18的上游有少量反流；面20和面21也出現(xiàn)了少量反流；而在面17出現(xiàn)了比較明顯的反流和旋渦，這非常不利于改善流動(dòng)，從而導(dǎo)致縫內(nèi)流動(dòng)紊亂，效率損失較大。

機(jī)匣2縫內(nèi)利用轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部存在的壓差在面19有從后面往前面的抽吸射流運(yùn)動(dòng)且較明顯；而面18出現(xiàn)明顯的旋渦和少量的反流；面20和面21比較類似，出現(xiàn)少量反流和一些從下游向上游的抽吸噴射運(yùn)動(dòng)；面17出現(xiàn)較明顯的反流，這也非常不利于改善流動(dòng)，導(dǎo)致縫內(nèi)流動(dòng)紊亂，效率損失較大。

由于本文主要考量的是傾角變化對(duì)風(fēng)扇性能的影響，對(duì)擴(kuò)穩(wěn)同時(shí)帶來的效率損失并沒有做過多的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。機(jī)匣2與機(jī)匣1相比，其逆流強(qiáng)度略弱，且自后向前的抽吸射流運(yùn)動(dòng)略強(qiáng)，因此機(jī)匣2(45°)的損失要小些，且擴(kuò)穩(wěn)能力略強(qiáng)于機(jī)匣1(60°)。

5 結(jié)論

(1)利用本文設(shè)計(jì)處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)能有效提高跨聲速風(fēng)扇的失速裕度，但同時(shí)也給風(fēng)扇帶來一定的損失。

(2)處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)的引入能有效抑制間隙泄漏流動(dòng)及間隙泄漏渦破裂現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)利用轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部存在的壓差，一方面，處理機(jī)匣能將激波與間隙泄漏渦作用后產(chǎn)生的低能阻塞團(tuán)抽吸進(jìn)入處理槽，有效地消除通道阻塞；另一方面，處理機(jī)匣能將這部分流體向風(fēng)扇轉(zhuǎn)子上游區(qū)域輸運(yùn)并射入主流，增加了轉(zhuǎn)子的軸向動(dòng)量，有效地抑制了間隙泄漏渦破裂現(xiàn)象的發(fā)生。

(4)徑向傾角選為45°比選為60°的損失略小，且擴(kuò)穩(wěn)能力略強(qiáng)。本研究對(duì)類似單級(jí)跨聲速風(fēng)扇處理機(jī)匣設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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