（西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和效率的設(shè)計(jì)要求不斷增加，軸流壓氣機(jī)的單級(jí)壓比也不斷提高，這導(dǎo)致壓氣機(jī)中出現(xiàn)尾緣分離和角區(qū)分離等現(xiàn)象。流動(dòng)分離會(huì)導(dǎo)致高的流動(dòng)損失，限制壓氣機(jī)效率、級(jí)負(fù)荷和質(zhì)量流量的提高[1]。因此，有必要對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)分離進(jìn)行控制。

彎曲葉片技術(shù)是由王仲奇院士[2]在20世紀(jì)60年代提出的，最初在渦輪葉片設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，如楊科[3]、趙磊[4]、張曉輝[5]等諸多學(xué)者的研究。1981年，王仲奇提出了附面層遷移理論[6]，指出葉柵內(nèi)能量損失的主要原因是葉柵流道內(nèi)尤其是喉部以后靜壓沿葉高的分布，葉片正彎曲后，在葉片吸力面形成了“C”型壓力分布，即葉展中部靜壓低、兩端靜壓高的分布，在這種靜壓分布下，端壁處的低能流體被吸入主流區(qū)，減弱了低能流體在吸力面角區(qū)的聚集，從而減小葉柵內(nèi)氣流損失。

在壓氣機(jī)領(lǐng)域，研究人員對(duì)彎曲葉片開展了大量研究工作。有實(shí)驗(yàn)研究表明，壓氣機(jī)葉片采用彎曲設(shè)計(jì)后性能有著顯著的改善[7-8]。蘇杰先等[9]通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在壓氣機(jī)葉柵中采用彎曲葉片技術(shù),可以達(dá)到控制徑向壓力梯度的目的，進(jìn)而可改善近端壁流動(dòng)，并可提高葉頂間隙的靜壓和降低葉頂區(qū)域氣流馬赫數(shù),進(jìn)一步提高壓氣機(jī)效率。Gummer等[10]將彎曲葉片用于高負(fù)荷跨聲速壓氣機(jī)的靜子葉片設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，該手段可以通過改變?nèi)~片的徑向負(fù)荷分布來抑制端壁附面層的發(fā)展，使得角區(qū)分離現(xiàn)象得到有效抑制，并將彎曲葉片技術(shù)成功地應(yīng)用于Rolls-Royce公司BR710發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中。Axel Fischer[11]在一臺(tái)多級(jí)軸流壓氣機(jī)中探究了強(qiáng)彎曲葉片對(duì)其性能和流場的影響；結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)點(diǎn)和堵塞流量下，由于強(qiáng)彎曲葉片表面積明顯大于原始葉片，其壓比、效率均有所降低；在高負(fù)荷工況下，由于強(qiáng)彎曲葉片控制了葉片通道內(nèi)的流動(dòng)分離，壓氣機(jī)的效率、壓比均有所升高。因此，彎曲葉片是有效控制壓氣機(jī)葉柵角區(qū)分離、提高壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的重要技術(shù)手段之一。

王會(huì)社等[12]通過正彎曲對(duì)壓氣機(jī)葉片表面流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)葉片正彎曲降低了端壁處的橫向壓力梯度,有助于減弱端部的二次流動(dòng)；壓氣機(jī)葉片負(fù)荷沿葉高重新分布，葉片端部負(fù)荷降低，中部負(fù)荷增加；此外，正彎曲葉片還在吸力面形成兩端壓力高,中間壓力低的“C”型壓力分布。陳煥龍等[13]的研究表明，反彎縫隙葉柵使得葉片靜壓比沿展向成“C”形分布的特征。陳浮等[14]對(duì)低速環(huán)形葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，在大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵中采用正彎葉片可以有效減小各個(gè)折轉(zhuǎn)角葉柵的損失；陳紹文等[15]在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了彎曲匹配數(shù)值優(yōu)化研究，給出了葉片彎曲的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了其可以有效擴(kuò)展壓氣機(jī)中彎曲葉片的應(yīng)用范圍,且在大折轉(zhuǎn)角環(huán)形壓氣機(jī)中采用彎曲葉片設(shè)計(jì)是行之有效的。史亞鋒等[16]通過非定常數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在相同的進(jìn)氣周向總壓畸變強(qiáng)度下，氣流在周向彎曲轉(zhuǎn)子葉尖區(qū)域的流通能力較原型轉(zhuǎn)子都有明顯改善。因此，對(duì)于在葉尖區(qū)域首先發(fā)生流動(dòng)失穩(wěn)的壓氣機(jī)，可以考慮采用周向彎曲葉片改善葉尖區(qū)域流動(dòng)，推遲失速的發(fā)生，提高壓氣機(jī)的抗畸變能力。李龍婷等[17]為壓氣機(jī)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路，即將射流式旋渦發(fā)生器與彎曲葉片相結(jié)合，通過改變?nèi)~柵內(nèi)二次流結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低損失，改善流場性能。

本文通過數(shù)值模擬方法，針對(duì)某具有角區(qū)分離和葉片尾緣分離的高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵，展開了系統(tǒng)的正/反彎曲葉片的研究，旨在探究不同正/反彎曲葉片型式對(duì)高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵內(nèi)流動(dòng)分離及氣動(dòng)性能的影響機(jī)理。

1 研究對(duì)象及數(shù)值模擬方法

本文研究對(duì)象為某高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵[18]，其具體幾何參數(shù)見表1，其設(shè)計(jì)來流馬赫數(shù)為0.6，設(shè)計(jì)攻角為0.5°。圖1給出了該壓氣機(jī)葉柵的葉型圖，左側(cè)為氣流進(jìn)口，右側(cè)為氣流出口。

葉片通道網(wǎng)格采用NUMECA軟件包中的AUTOGRID模塊自動(dòng)生成O4H網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)格總數(shù)約103萬；該壓氣機(jī)葉柵的葉片表面與端壁的網(wǎng)格如圖2所示。數(shù)值計(jì)算過程采用FINE/TURBO軟件包，應(yīng)用Jameson有限體積差分格式并結(jié)合Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型對(duì)三維雷諾平均Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，空間離散采用二階精度的中心差分格式，時(shí)間項(xiàng)采用4階Runge-Kutta方法迭代求解，CFL數(shù)取3.0，同時(shí)采用隱式殘差光順方法以及多重網(wǎng)格技術(shù)以加速收斂過程。邊界條件給定進(jìn)口絕對(duì)總溫為288.15K、絕對(duì)總壓為101 325Pa。

表1 葉柵幾何參數(shù)Tab.1 Cascade geometry

圖1 葉型圖Fig.1 Blade profile diagram

圖3 原始葉柵流場分布Fig.3 The original cascade flow field distribution

圖4給出了原始葉柵的流場分布。由圖3(a)可知，50%葉展截面尾緣有附面層分離區(qū)；由圖3(b)可知，葉片吸力面尾緣有一分離線，該尾緣分離線自葉片兩端鞍點(diǎn)起始，貫穿整個(gè)吸力面；在吸力面靠近上下兩端壁區(qū)域，由于端壁附面層的影響，相比于葉展中部，端壁附近分離線更靠近葉片前緣。由圖3(c)可知，葉片前緣馬蹄渦吸力面分支繞過葉片前緣，在葉片約35%軸向弦長處與葉片吸力面相交，馬蹄渦壓力面分支在葉柵通道橫向壓力梯度作用下，與相鄰葉片吸力面尾緣相交；端壁低能流體在橫向壓力梯度作用下向吸力面角區(qū)聚集，與吸力面低能流體一起形成角區(qū)分離，圖3(d)中可明顯看出原始葉柵吸力面角區(qū)的三維分離。

圖4 彎曲葉片定義Fig.4 Definition of bowed blade

3 彎曲葉片對(duì)葉柵流場的影響

為探究葉片積疊線沿周向彎曲對(duì)壓氣機(jī)葉柵流場及氣動(dòng)性能的影響，本文設(shè)計(jì)了不同積疊線形式的彎曲葉片（不同正/反彎曲型式及不同彎曲水平等），采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同積疊線形式的彎曲葉柵進(jìn)行研究。

3.1 彎曲葉柵積疊線結(jié)構(gòu)

本文彎曲葉片的積疊線為一段通過原積疊線上下端點(diǎn)的圓弧，該圓弧由上下點(diǎn)及與彎角α確定，彎角α定義為上下端點(diǎn)處圓弧積疊線與原積疊線夾角。本文分別設(shè)計(jì)了4種正彎葉片和4種反彎葉片，彎角分別為10°，20°，30°和40°，積疊線上下切線與徑向線夾角一致，正彎定義為如圖4所示形式，壓力面凸、吸力面凹，彎角為α。圖6給出了彎角為40°的正彎曲葉片網(wǎng)格圖。

圖5 40°正彎葉片示意圖Fig.5 Schematic diagram of a positive curved blade at an angle of 40 degrees

3.2 葉展中部截面流場分離結(jié)構(gòu)變化

圖6給出了各彎曲葉片50%葉展截面的極限流線圖，由于主流區(qū)流場變化較小，圖中僅給出葉片尾緣的流場結(jié)構(gòu)。對(duì)比直列葉柵流場可知，葉片彎曲對(duì)葉柵50%葉展截面流場影響較大：葉片正彎曲后，葉中截面流場有進(jìn)一步惡化趨勢(shì)，且隨正彎角度增大，葉片尾緣分離區(qū)逐漸增大，葉柵出口氣流角逐漸遠(yuǎn)離吸力面一側(cè)，落后角增大；正彎角為40°時(shí)，葉片尾緣分離渦區(qū)域進(jìn)一步增大，變成2個(gè)方向相反的對(duì)渦。葉片反彎曲后，葉中流場有改善趨勢(shì)，且隨反彎角度增加，葉片尾緣分離渦逐漸減小至消失；在反彎角度為30°時(shí)，葉片尾緣分離區(qū)已經(jīng)消失，葉中截面落后角明顯減小。

圖6 50%葉展截面流線圖（Ma=0.6,i=0.5°）Fig.6 Flow chart of spanwise streamline surfaces

圖7給出了各彎曲葉片50%葉展截面靜壓分布曲線圖。由圖可知，葉片正彎曲后，50%葉展截面約0～58%軸向弦長位置負(fù)荷增大，58%～100%軸向弦長負(fù)荷減小，吸力面尾緣分離位置提前。葉片反彎曲后，50%葉展前段負(fù)荷略有降低，后段負(fù)荷增大，尤以彎角為30°，40°明顯，葉片吸力面尾緣分離位置向后移動(dòng)。

3.3 端壁極限流線譜

圖8給出了各正彎葉片端壁處靜壓云圖/極限流線圖。由圖可知，葉片正彎曲后端壁區(qū)域流場有所改善。隨著正彎曲角度增加，葉片前緣馬蹄渦鞍點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離葉片前緣，向葉片通道中部移動(dòng)。馬蹄渦壓力面分支與相鄰葉片吸力面的交點(diǎn)逐漸向葉片前緣移動(dòng)，馬蹄渦吸力面分支繞過葉片前緣后與葉片吸力面相交，吸力面分支曲率隨正彎曲角度的增加逐漸變大。其主要原因是，葉片正彎曲改善了端壁區(qū)域的流場，同時(shí)葉柵出口靜壓上升表明端壁區(qū)域擴(kuò)壓能力提高。相比于原始葉柵流場對(duì)于葉片前緣，如圖9所示，由靜壓云圖比較可以看出橫向及流向壓力梯度明顯提高，端壁區(qū)域低速流體在逆壓梯度作用下，葉片前緣馬蹄渦分離鞍點(diǎn)向葉柵通道中部移動(dòng)，進(jìn)而形成了葉片前緣馬蹄渦吸力面分支的流動(dòng)變化趨勢(shì)；端壁處沿流向逆壓梯度增大，馬蹄渦壓力面分支在增大的逆壓梯度作用下，沿流向分速度提前減速，與相鄰葉片吸力面交點(diǎn)提前。

圖8 正彎曲葉片端壁靜壓/極限流線圖（Ma=0.6,i=0.5°）Fig.8 Static pressure of positive bowed blade end-wall/ultimate streamline diagram

圖9給出了正彎曲葉柵端壁處靜壓分布圖。由圖可知，相比原始葉柵，隨著葉片正彎曲角度增大，端壁區(qū)域靜壓明顯提高。吸力面、壓力面靜壓值均比原始葉柵提高，葉片前緣靜壓差明顯比原始葉柵增大；葉片表面靜壓分布沿葉片弦長方向更加平緩，吸、壓力面靜壓差沿弦長方向更加均勻一致；原始葉柵葉片負(fù)荷主要在葉片前段，正彎曲葉片負(fù)荷分布比較均勻。正彎曲葉片端壁區(qū)域流場的變化導(dǎo)致端壁區(qū)域橫向流動(dòng)增強(qiáng)。由吸力面極限流線圖可知，端壁橫向流動(dòng)增強(qiáng)，并不會(huì)導(dǎo)致端壁區(qū)域流場惡化，吸力面角區(qū)分離區(qū)明顯減弱，在正彎曲角度為40°時(shí)，角區(qū)分離幾乎消失。

圖9 正彎曲葉柵端壁處靜壓分布Fig.9 Static pressure distribution of positive bowed cascade end-wall

圖10給出了各反彎曲葉片端壁處靜壓/極限流線圖，由圖可知，葉片反彎曲導(dǎo)致端壁區(qū)域流場惡化，隨反彎曲角度增加，端壁區(qū)域流場進(jìn)一步惡化。主要表現(xiàn)在：首先，端壁區(qū)域靜壓隨反彎曲角度增加逐漸降低，表明葉片反彎曲會(huì)導(dǎo)致端壁區(qū)域擴(kuò)壓能力降低；原始葉柵葉片前緣馬蹄渦分離鞍點(diǎn)逐漸向葉片前緣靠近，主要體現(xiàn)了葉片前緣靜壓降低，靜壓梯度減??；其次，端壁極限流線隨反彎曲角度增加而變得紊亂，原始葉柵馬蹄渦壓力面分支與相鄰葉片吸力面交點(diǎn)在葉片尾緣，葉片反彎曲后，馬蹄渦壓力面分支與相鄰葉片吸力面未相交，且隨反彎曲角度增加，馬蹄渦壓力面分支逐漸向葉柵后部移動(dòng)；反彎曲角度為30°時(shí)，端壁角區(qū)形成明顯的旋渦區(qū)，反彎曲角度為40°時(shí)，旋渦區(qū)明顯擴(kuò)大。以上均表明葉片反彎曲會(huì)惡化端壁區(qū)域流場，使得端壁區(qū)域擴(kuò)壓能力降低。

由圖11可知，相比原始葉柵，隨著葉片反彎角增大，端壁區(qū)域靜壓明顯降低。吸力面、壓力面靜壓值均比原始葉柵降低，葉片前緣靜壓差明顯比原始葉柵減小，葉片反彎曲角度為40°時(shí)，葉片前緣靜壓差幾乎為0，該現(xiàn)象引起了馬蹄渦分離鞍點(diǎn)位置的變化。反彎曲角度為10°，20°時(shí)，葉柵端壁處葉片表面靜壓分布與原始葉柵趨勢(shì)一致，變化主要表現(xiàn)在靜壓值有所降低；反彎曲角度為30°，40°時(shí)，葉柵端壁處葉片表面靜壓分布趨勢(shì)與葉柵明顯不同，沿葉片弦長方向吸、壓力面靜壓差明顯降低，尤以葉片前緣靜壓差降低最為明顯。經(jīng)歷了葉片弦長中部的壓力升高后，在葉片尾緣，吸、壓力面靜壓均明顯降低，該現(xiàn)象在葉柵端壁靜壓云圖/流線圖中可得到驗(yàn)證，主要是葉片反彎曲后吸力面端壁角區(qū)分離加劇所致。

圖10 反彎曲葉片端壁靜壓/極限流線圖（Ma=0.6,i=0.5°）Fig.10 Static pressure of negative curved blade end-wall/ultimate streamline diagram

圖11 反彎曲葉片端壁靜壓分布Fig.11 Static pressure distribution of a negative bowed blade end-wall

3.4 葉片表面極限流線譜

圖12給出了正彎曲葉片吸力面靜壓/極限流線圖。由圖可知，正彎曲葉片可明顯改善端壁區(qū)域流動(dòng)，抑制角區(qū)分離。正彎角為10°時(shí)，角區(qū)依然可見螺旋結(jié)點(diǎn)，該結(jié)點(diǎn)是角區(qū)分離區(qū)的結(jié)束點(diǎn)；緊鄰該螺旋結(jié)點(diǎn)是葉片吸力面的分離起始鞍點(diǎn)。相比于正彎角10°，正彎角為20°時(shí)，葉柵角區(qū)流場得以明顯改善，角區(qū)分離區(qū)幾乎消失，吸力面角區(qū)的螺旋結(jié)點(diǎn)消失，代之以沿展向的二次流動(dòng)，表明正彎曲葉片可導(dǎo)致端壁區(qū)域低能流體向葉展中部遷移，減弱二次流在角區(qū)的堆積，從而改善端壁區(qū)域流場；由于端壁區(qū)域低能流體的徑向遷移，葉展中部流場被惡化，葉片吸力面分離線向前緣移動(dòng)，分離位置提前，吸力面近端壁區(qū)域分離線起始點(diǎn)向葉展中部移動(dòng)，分離起始鞍點(diǎn)消失，分離線近似為一條直線段。隨著正彎角增大，在正彎角為30°和40°時(shí)，吸力面近端壁處分離線逐漸向葉展中部退化，代之以低能流體的徑向流動(dòng)；近端壁處分離線起始鞍點(diǎn)消失，葉展中部分離線繼續(xù)向葉片前緣移動(dòng)，原始葉柵中部分離線靠近葉片尾緣，近端壁處由于端壁低能流體的作用，分離線靠近葉片前緣，葉片正彎角為30°和40°工況下，由于端壁低能流體的徑向遷移，葉展中部分離線較葉片兩端分離線靠前，呈“C”形；分離線結(jié)構(gòu)由原始葉片的起始于近端壁處，結(jié)束于葉展中部，變?yōu)橛山吮谔?、葉展中部2處起始，共同結(jié)束于約30%葉展的結(jié)點(diǎn)處。

圖12 正彎曲葉片吸力面靜壓/極限流線圖Fig.12 Static pressure of a positive curved blade suction surface/ultimate streamline diagram

圖13給出了反彎曲葉片吸力面靜壓/極限流線圖。由圖可知，葉片反彎曲可有效改善葉展中部流場，吸力面角區(qū)流場明顯惡化。隨著葉片反彎角的增大，葉展中部分離線與原葉片吸力面類似，保持為直線段，并逐漸向尾緣移動(dòng)，葉片彎角為30°，40°時(shí)，葉展中部分離線消失，表明葉片反彎可有效改善葉展中部流場；隨葉片反彎角增大，吸力面角區(qū)分離區(qū)逐漸增大，由原始葉柵的位于吸力面角區(qū)發(fā)展到彎角為40°時(shí)約占吸力面面積的1/3，角區(qū)分離起始位置靠近葉根前緣，角區(qū)流場惡化嚴(yán)重。原始葉柵吸力面未見明顯結(jié)點(diǎn)，葉片彎曲后，在角區(qū)分離線和葉展中部分離線交接處形成一明顯結(jié)點(diǎn)，為角區(qū)分離線和葉展中部分離線的終點(diǎn)，該結(jié)點(diǎn)隨彎曲角度增大而壯大，但隨著葉展中部分離線的消失而消失。由圖13可知，隨反彎角增加，葉片吸力面前緣靜壓逐漸增大，葉片尾緣靜壓逐漸降低。

圖13 反彎曲葉片吸力面靜壓/極限流線圖Fig.13 Static pressure of a negative curved blade suction surface/ultimate streamline diagram

圖14給出了正彎曲葉片壓力面靜壓/極限流線圖，流線方向?yàn)閺挠蚁蜃?。由圖可知，與原始葉柵相比，壓力面極限流線變化較小，從前緣到尾緣近乎直線段分布，僅在端壁區(qū)域略有變化，隨著正彎角增大，端壁區(qū)域有向葉展中部流動(dòng)的趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)原始誘因是葉柵內(nèi)部靜壓沿展向分布。由圖可明顯看出，隨著正彎角增大，壓力面葉展中部靜壓值逐漸減小，近端壁處靜壓值逐漸增大，在壓力面形成中間靜壓低兩端靜壓高的“C”形壓力分布，該分布趨勢(shì)造成了葉片表面極限流線隨葉片正彎的變化。正彎葉柵內(nèi)部的靜壓分布趨勢(shì)原因可由徑向平衡方程解釋，如下所示。

圖14 正彎曲葉片壓力面靜壓/極限流線圖Fig.14 Static pressure of a positive bowed blade pressure surface/ultimate streamline diagram

公式左端為壓力梯度，該壓力梯度由右端各項(xiàng)決定，第一項(xiàng)為離心慣性力項(xiàng)，第二項(xiàng)為子午面內(nèi)由于流線曲率導(dǎo)致的離心慣性力項(xiàng)，第三項(xiàng)為流體的運(yùn)動(dòng)加速度徑向分量，第四項(xiàng)為葉片力的徑向分量。對(duì)于平面葉柵，r為無窮大，第一項(xiàng)為0，第2項(xiàng)、第3項(xiàng)也可忽略不計(jì)，直列葉柵中Fr為0，因此直列葉柵內(nèi)靜壓梯度沿徑向?yàn)?，靜壓沿徑向分布比較均勻，S3面內(nèi)靜壓云圖近似為沿葉展方向的直線，葉片壓力面靜壓沿葉展方向分布近似直線，僅在葉片吸力面和葉柵出口由于端壁附面層作用，靜壓分布沿葉展方向有所變化。文中正彎曲葉片使得葉片有指向兩端壁的葉片分力，因此，形成了沿端壁指向葉展中部的靜壓梯度。

圖15給出了各反彎曲葉片壓力面靜壓/極限流線分布圖，流線方向?yàn)閺挠蚁蜃?，由圖可知，與原始葉柵相比，反彎葉片壓力面極限流線變化較小，與正彎曲葉片類似，壓力面極限流線從前緣到尾緣近乎直線段分布，僅在近端壁處略有變化。隨著反彎角增大，近端壁區(qū)域極限流線有向端壁區(qū)域遷移的趨勢(shì)，其遷移趨勢(shì)的原因同樣是壓力面沿展向的靜壓分布。反彎曲葉片存在著由兩端壁區(qū)域指向葉展中部的葉片分力Fr，因此造成了反彎曲葉柵內(nèi)部從葉展中部指向兩端壁的靜壓梯度，反映在壓力面靜壓圖中是，葉片中部靜壓高，兩端靜壓低，從而形成了反彎曲葉片兩端極限流線的變化趨勢(shì)。

壓力面大部分區(qū)域極限流線分布比較平直，變化較小，僅在端壁區(qū)域隨著葉片彎曲角度的變化而變化，吸力面極限流線變化較大，該現(xiàn)象的原因是葉片壓力面為工作面，附面層較薄，低能氣體較少，不易形成類似吸力面的極限流線分布；近端壁區(qū)域，由于端壁處附面層較厚，低能氣體較多，附面層內(nèi)低能流體隨靜壓梯度遷移趨勢(shì)比較明顯，因而形成了壓力面極限流線隨葉片彎曲角度的變化趨勢(shì)。

圖15 反彎曲葉片壓力面靜壓/極限流線圖Fig.15 Static pressure of a negative bowed blade pressure surface/ultimate streamline diagram

圖16給出了各正彎曲葉片三維流線圖。該三維流線圖由葉柵進(jìn)口端壁起始，主要顯示了端壁低能流體向柵后、沿葉片展向遷移路徑及趨勢(shì)。圖16可進(jìn)一步驗(yàn)證前面所述的正彎曲葉片可改善端壁區(qū)域尤其是角區(qū)流場，惡化葉展中部流場的結(jié)論，同時(shí)顯示了端壁低能流體隨正彎曲角度增大的變化趨勢(shì)。與原始葉柵相比，葉片正彎曲后，吸力面角區(qū)流場明顯改善，正彎曲角度大于20°后，角區(qū)分離區(qū)明顯消失，端壁區(qū)域低能流體在葉柵吸力面角區(qū)的聚集明顯消失，在靜壓梯度的作用下，變?yōu)檠囟吮谙蛉~展中部的徑向流動(dòng)，且隨正彎角增大，端壁區(qū)域的低能流體在吸力面近端壁區(qū)域更加貼近吸力面向葉展中部遷移，表明端壁區(qū)域低能流體減少，未在角區(qū)聚集；端壁區(qū)域的低能流體和葉展中部的低能流體一起構(gòu)成了葉展中部三維分離區(qū)。圖中顯示了隨著正彎角的增大，端壁低能流體徑向遷移趨勢(shì)增大，葉展中部分離區(qū)域擴(kuò)大。

圖16 正彎曲葉片三維流線圖Fig.16 Three-dimensional streamline diagram of positve bowed blade

圖17給出了正彎角為40°時(shí)彎曲葉柵不同S3截面靜壓/流線分布。由圖可知，葉片正彎曲后，葉柵通道內(nèi)靜壓分布與原始葉柵相比變化較大，原始葉柵靜壓平行于葉展方向呈條帶狀分布，葉片正彎曲后靜壓等值線均大致垂直于端壁，并未與葉片彎曲方向平行；由于葉片徑向力的作用，在近端壁靠近葉片壓力面一側(cè)的三角區(qū)域形成高壓區(qū)，在葉片吸力面一側(cè)葉展中部葉片凹陷區(qū)域形成低壓區(qū)域。這與前面所述的葉片徑向分力導(dǎo)致的靜壓分布趨勢(shì)一致。葉柵通道內(nèi)S3面靜壓梯度一方面為沿端壁壓力面?zhèn)戎廖γ鎮(zhèn)仍僦廖γ嫒~展中部，另一方面為沿端壁壓力面一側(cè)向壓力面葉展中部。葉片壓力面附面層較薄、低能流體少，低能流體的遷移不明顯，葉柵端壁及吸力面?zhèn)雀矫鎸雍?，低能流體沿靜壓梯度的遷移比較明顯。

圖17 正彎角40°葉柵S3面靜壓/流線分布Fig.17 Static pressure/Streamline distribution of a positive bowed cascade's S3 surface at angle of 40 degrees

葉片彎曲后，通道渦的位置及形態(tài)變化較大。40°正彎葉片通道渦約從33.09%軸向弦長位置起始，與原始葉柵相同，但起始位置渦核沿柵距方向位置明顯比原始葉柵靠近葉片吸力面，隨后各軸向弦長位置處渦核與原始葉柵相比均向葉柵吸力面有所偏移，向吸力面偏移的原因是自端壁壓力面?zhèn)鹊轿γ鎮(zhèn)?、再到吸力面葉展中部的靜壓梯度。49.63%軸向弦長之前，通道渦形狀與原始葉柵通道渦類似，均為扁平類橢圓狀。66.17%軸向弦長位置處渦核位于吸力面角區(qū)，由于該位置的靜壓梯度作用導(dǎo)致低能流體由端壁向葉片吸力面遷移，且該處通道渦為適應(yīng)吸力面角區(qū)的形狀，該處通道渦形狀變?yōu)轭惾切巍?2.72%軸向弦長后，通道渦位置沿葉片吸力面向葉展中部抬升，到葉柵出口通道渦渦核已升至約10%葉展。進(jìn)一步證明了正彎曲葉片對(duì)葉柵內(nèi)低能流體的作用。

圖18給出了各反彎曲葉片三維流線圖。該三維流線圖由葉柵進(jìn)口端壁起始，主要顯示了端壁低能流體向柵后、沿葉片展向遷移路徑及趨勢(shì)。圖中明顯驗(yàn)證了前面所述的反彎曲葉片可惡化端壁區(qū)域流場，加劇角區(qū)分離，并顯示了隨葉片反彎角度增大端壁區(qū)域低能流體進(jìn)一步在角區(qū)聚集的趨勢(shì)。隨葉片反彎角增大，角區(qū)分離區(qū)明顯增大，由原始葉柵的局限于吸力面角區(qū)局部到反彎角為40°時(shí)幾乎占據(jù)了半個(gè)葉柵通道。與葉片正彎相比，葉片反彎明顯遏制了端壁區(qū)域低能流體向葉展方向的遷移，惡化了端壁區(qū)域流場。

圖18 反彎曲葉片三維流線分布Fig.18 Three-dimensional streamline distribution of a negative curved blade

圖19給出了反彎角為40°時(shí)彎曲葉柵不同S3截面靜壓/流線分布。葉片反彎曲后，葉片通道內(nèi)靜壓分布、通道渦分布與原始葉柵相比變化較大。葉片反彎曲后，葉片對(duì)氣流的徑向分力方向?yàn)檠厣舷聝啥吮趨^(qū)域指向葉展中部，因此形成了葉展中部靜壓高、兩端壁區(qū)域靜壓低的靜壓分布，尤其是在壓力面葉展中部形成了高靜壓區(qū)域；葉片吸力面沿葉展方向靜壓分布為葉展中部靜壓高，兩端壁靜壓低，形成反“C”形靜壓分布，該分布形式對(duì)于低能流體沿展向分布不利，從而使得吸力面角區(qū)分離加劇。

葉片反彎曲后，通道渦的形成及其結(jié)構(gòu)與原始葉柵有較大差別。原始葉柵通道渦起始位置為33.09%軸向弦長，葉片反彎后通道渦起始位置靠后，在66.17%軸向弦長位置處，起始位置渦核在壓力面附近；沿葉柵軸向弦長向后，通道渦較原始葉柵和正彎曲葉柵小，且渦核位置均靠近壓力面一側(cè)。壓氣機(jī)葉柵內(nèi)通道渦形成原因是端壁的橫向壓力梯度，端壁處的低能流體在橫向壓力梯度的作用下，向吸力面遷移；葉片反彎曲后，端壁處橫向靜壓梯度降低，且在葉片吸力面形成了中間靜壓高，兩端靜壓低的靜壓分布，不利于端壁處的低能流體向葉展方向遷移，對(duì)端壁區(qū)域的橫向流動(dòng)同樣是種阻礙，導(dǎo)致了葉柵通道渦形成靠后，且渦核位置靠近葉片壓力面一側(cè)。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法，針對(duì)某高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵，設(shè)計(jì)了不同彎曲水平的正/反彎曲葉片，探究了正/反彎曲對(duì)葉柵流場及氣動(dòng)性能的影響機(jī)理，結(jié)論如下：

1）葉片正彎曲在葉片吸力面形成了中間靜壓低、兩端靜壓高的“C”形靜壓分布，可有效改善壓氣機(jī)葉柵近端壁流場，顯著抑制角區(qū)分離，使得端壁區(qū)域擴(kuò)壓能力提高；正彎曲可增大葉展中部區(qū)域負(fù)荷，惡化葉中流場，增大葉中流動(dòng)分離。與常見結(jié)論不同的是，該葉柵葉展中部0～58%軸向弦長負(fù)荷增加，58%～100%軸向弦長負(fù)荷減少。

2）葉片反彎曲在葉片吸力面形成了中間靜壓高、兩端靜壓低的反“C”形靜壓分布；可顯著惡化近端壁區(qū)流場，角區(qū)分離區(qū)增大，端壁區(qū)域擴(kuò)壓能力降低，葉中流場有所改善。隨著反彎曲角度增大，葉片吸力面端壁前緣靜壓逐漸增大。

3）對(duì)于正彎曲40°葉柵，端壁處通道渦起始位置不變，但起始位置渦核與各軸向弦長位置渦核受靜壓梯度影響均向葉柵吸力面靠攏。對(duì)于反彎曲40°葉柵，葉片通道渦起始位置靠后，在66%軸向弦長處，渦核起始位置受靜壓梯度影響靠近壓力面一側(cè)。