皋天一，張國(guó)臣，尚懷遠(yuǎn)，徐志暉，劉鵬程

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a.航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院 b.遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在著湍流轉(zhuǎn)捩、激波等流動(dòng)現(xiàn)象，易出現(xiàn)較大尺度的旋渦運(yùn)動(dòng)和激波/尾跡/邊界層干涉引起的損失[1-3]。為擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，研究人員提出了多種流動(dòng)控制手段，如合成射流[4]、等離子體激勵(lì)[5-6]、附面層抽吸[7]、葉尖微噴氣[8-9]、機(jī)匣處理[10-11]和葉片開(kāi)縫[12-13]等?？尚o子葉片也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)防喘的主要措施之一。在非設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下工作時(shí)，壓氣機(jī)容易進(jìn)入“前喘后堵”的不穩(wěn)定工作狀態(tài)。通過(guò)調(diào)節(jié)可旋靜子葉片安裝角度，能夠使動(dòng)葉進(jìn)口氣流攻角滿足或接近設(shè)計(jì)值，從而改善壓氣機(jī)非設(shè)計(jì)工況流場(chǎng)性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)能在啟動(dòng)、慢車等狀態(tài)下穩(wěn)定工作[14-15]。黃愛(ài)華[16]介紹了靜子葉片安裝角調(diào)節(jié)規(guī)律，并通過(guò)調(diào)節(jié)靜子葉片安裝角增加轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速裕度，降低機(jī)械負(fù)荷，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命；張健等[17]設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)第一和第三級(jí)靜子安裝角度的聯(lián)合方案，通過(guò)試驗(yàn)的方法找到了最佳角度組合，使壓氣機(jī)絕熱效率提高了7.4%，穩(wěn)定工作裕度提升了13%；李曉麗等[18]研究發(fā)現(xiàn)，因加工誤差導(dǎo)致壓氣機(jī)各級(jí)葉片安裝角整體偏大時(shí)，壓氣機(jī)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(fā)現(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整出口導(dǎo)流葉片安裝角可以有效降低轉(zhuǎn)子后的壓力擾動(dòng)，改善流場(chǎng)。

目前，研究人員對(duì)靜子安裝角調(diào)節(jié)的研究大多集中在正常情況下的調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)靜子安裝角時(shí)，如果某個(gè)葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)卡死導(dǎo)致安裝角調(diào)節(jié)異常，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)葉柵流場(chǎng)周期性遭到破壞，造成通道堵塞，對(duì)相鄰葉柵通道流場(chǎng)性能也會(huì)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起葉片劇烈振動(dòng)，甚至疲勞破壞。所以，研究靜子安裝角度異常對(duì)流場(chǎng)性能的影響很有必要。

在實(shí)際工程中，安裝角異常的葉片數(shù)目往往難以預(yù)估，本文對(duì)某單個(gè)靜子葉片安裝角調(diào)節(jié)異常進(jìn)行數(shù)值研究，分析其對(duì)自身及相鄰葉片通道流場(chǎng)性能的影響，得到了靜子安裝角調(diào)節(jié)不同角度對(duì)葉柵流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及性能的影響。

1 研究對(duì)象及方法

研究對(duì)象為可調(diào)靜子葉片，網(wǎng)格劃分采用NUMECA軟件中Autogrid5模塊。由于葉片安裝角異常時(shí)主要影響到其相鄰兩個(gè)葉柵通道的流場(chǎng)性能[19]，所以本文共建立5個(gè)葉柵通道，采用O4H網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單個(gè)葉片通道內(nèi)網(wǎng)格數(shù)約為80萬(wàn)，模型總網(wǎng)格數(shù)約為400萬(wàn)，如圖1所示。本文定義從上到下5個(gè)葉片分別為葉片1～5，其中葉片3為安裝角異常的葉片。規(guī)定安裝角順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正方向，本文設(shè)計(jì)6種不同安裝角調(diào)節(jié)方案，調(diào)節(jié)度數(shù)分別為±1°，±5°，和±10°，如圖2所示，分別以方案1～6命名。

圖1 計(jì)算域網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)值計(jì)算采用FINE-Turbo的Euranus求解N-S方程，選用S-A模型，網(wǎng)格數(shù)與湍流模型的無(wú)關(guān)性在文獻(xiàn)[21]中已得到充分驗(yàn)證，本文采用相同的數(shù)值方法進(jìn)行研究。在邊界條件的設(shè)定上，進(jìn)口給定總溫，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口總壓控制來(lái)流馬赫數(shù)，調(diào)節(jié)進(jìn)口氣流角控制進(jìn)氣攻角；出口給定平均出口靜壓；壁面采用絕熱無(wú)滑移邊界條件。圖3給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)50%葉高葉片表面等熵馬赫數(shù)的對(duì)比圖，由圖可知，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，存在細(xì)微差別的原因是數(shù)值計(jì)算采用理想氣體與絕熱無(wú)滑移邊界條件，綜合考慮到實(shí)驗(yàn)儀器與測(cè)量帶來(lái)的誤差，認(rèn)為本文采用的數(shù)值方法是可信的。

圖2 安裝角不同調(diào)節(jié)角度示意圖

圖3 葉片3表面等熵馬赫數(shù)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

2 結(jié)果分析

為較好地反應(yīng)葉柵流場(chǎng)性能，衡量葉柵流動(dòng)損失，本文根據(jù)文獻(xiàn)[22]定義總壓損失系數(shù)如下

(1)

2.1 0°攻角時(shí)葉柵流場(chǎng)分析

圖4給出了不同安裝角調(diào)節(jié)角度與原葉柵出口平均總壓損失系數(shù)隨馬赫數(shù)變化的曲線圖。由圖4可知，安裝角調(diào)節(jié)±1°時(shí)，葉柵通道出口總壓損失系數(shù)與原型曲線基本吻合，對(duì)流場(chǎng)性能影響較??；安裝角調(diào)節(jié)±10°時(shí)，總壓損失系數(shù)均明顯增大，葉柵流場(chǎng)性能降低明顯，隨著來(lái)流馬赫數(shù)增大，損失逐漸升高；安裝角調(diào)節(jié)-5°，來(lái)流馬赫數(shù)小于0.5時(shí)，對(duì)流場(chǎng)影響較小，來(lái)流馬赫數(shù)大于0.5時(shí)，損失明顯升高；安裝角調(diào)節(jié)+5°時(shí)，整體總壓損失均有所降低，總體上總壓損失隨著來(lái)流馬赫數(shù)的增大而提高。

圖5給出了來(lái)流馬赫數(shù)Ma=0.6時(shí)，各工況葉高中部馬赫數(shù)分布云圖。由圖5可知，當(dāng)進(jìn)口氣流角不變，安裝角逆時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)，相當(dāng)于葉片3進(jìn)氣攻角為負(fù)；安裝角順時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)，相當(dāng)于葉片3進(jìn)氣攻角為正。安裝角調(diào)節(jié)±1°時(shí)(圖5b和圖5e)，對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響較小，與原型葉柵流場(chǎng)較為相似。隨著安裝角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度變大，葉片3壓力面表面開(kāi)始發(fā)生附面層分離的現(xiàn)象，如圖5c和圖5d所示。此時(shí)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(nèi)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(shí)針旋轉(zhuǎn)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(kuò)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(shí)針旋轉(zhuǎn)角度變大，壓力面氣流分離加劇，葉柵流場(chǎng)結(jié)構(gòu)受到破壞，流場(chǎng)性能明顯降低。如圖5g所示，當(dāng)葉片3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片2與葉片3之間形成的擴(kuò)張通道使葉片3吸力面分離逐漸加重，損失逐漸增大，嚴(yán)重影響葉柵流場(chǎng)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(shí)，如圖5f所示，葉片通道損失未增反降，與安裝角為0°時(shí)相比，葉片2和葉片4尾跡區(qū)面積明顯減小。分析認(rèn)為，安裝角調(diào)整+5°時(shí)，葉片3雖然在正攻角下工作，但葉型設(shè)計(jì)本身具有穩(wěn)定工作攻角范圍，在該范圍內(nèi)葉柵均能維持較高流場(chǎng)性能，受到攻角變化帶來(lái)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(chǎng)性能得到一定提高。

圖4 總壓損失系數(shù)隨馬赫數(shù)變化曲線圖

圖5 Ma=0.6時(shí)50%葉高處馬赫數(shù)分布云圖

圖6給出了葉柵通道入口馬赫數(shù)為0.6、葉片3安裝角調(diào)節(jié)不同角度時(shí)，葉片1～5表面等熵馬赫數(shù)分布曲線圖。由于安裝角調(diào)節(jié)0°時(shí)，葉片1～5葉片表面等熵馬赫數(shù)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(diào)節(jié)±1°時(shí)(圖6a和圖6d)，5個(gè)葉片表面等熵馬赫數(shù)變化較小，基本與原型曲線吻合，但+1°時(shí)葉片4表面流速有所增大，原因是調(diào)節(jié)葉片3安裝角會(huì)使相鄰葉片進(jìn)口氣流角發(fā)生變化。安裝角調(diào)節(jié)-5°和-10°時(shí)(圖6b和圖6c)，葉片3表面壓力面等熵馬赫數(shù)明顯降低，吸力面略有提高，這是由于安裝角負(fù)角度調(diào)節(jié)在相鄰葉柵通道形成的收縮與擴(kuò)張通道分別對(duì)氣流起到加速與減速作用，調(diào)節(jié)-5°時(shí)對(duì)相鄰葉片影響較小，而調(diào)節(jié)-10°時(shí)葉片4的流速也有所降低。安裝角調(diào)節(jié)+5°時(shí)(圖6e)，葉柵通道流通性較好，除葉片4外，其余4個(gè)葉片表面等熵馬赫數(shù)均有所提升，發(fā)現(xiàn)靠近前緣區(qū)域速度增幅明顯，認(rèn)為調(diào)節(jié)葉片安裝角度對(duì)進(jìn)氣角有一定影響。安裝角調(diào)節(jié)+10°時(shí)(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(shí)葉柵流場(chǎng)結(jié)構(gòu)遭到較大程度地破壞，流場(chǎng)性能大幅降低。

圖6 葉片表面等熵馬赫數(shù)分布曲線圖(Ma=0.6)

上述分析認(rèn)為葉片安裝角角度變化對(duì)進(jìn)氣角有一定影響。圖7給出了安裝角調(diào)節(jié)不同角度時(shí)，葉柵通道距離前緣點(diǎn)5mm處進(jìn)氣角變化曲線圖。由圖7可知，當(dāng)葉片安裝角逆時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)(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(jì)算在0°攻角條件下進(jìn)行，此時(shí)相當(dāng)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(dāng)于負(fù)攻角不斷減小，但整體變化趨勢(shì)保持一致；而當(dāng)葉片安裝角順時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)(圖7b)，葉片前緣氣流角變化較不規(guī)則，安裝角調(diào)節(jié)+5°時(shí)，對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)使葉片3進(jìn)口氣流角增大，對(duì)相鄰葉柵通道產(chǎn)生的影響使流場(chǎng)整體性能得到了提升。但安裝角調(diào)節(jié)+10°時(shí)，對(duì)流場(chǎng)影響較大，前緣氣流角變化規(guī)律與安裝角調(diào)節(jié)+1°和+5°相反，這也是其流場(chǎng)性能惡化的主要原因之一。

圖8給出了安裝角不同調(diào)節(jié)角度葉柵通道出口流速變化曲線。由圖8可知，所有調(diào)節(jié)角度下，葉片1和葉片5出口氣流流速下降較小，說(shuō)明當(dāng)葉片安裝角發(fā)生變化時(shí)，主要影響到相鄰兩葉片通道的流場(chǎng)性能。當(dāng)安裝角調(diào)節(jié)±10°時(shí)，葉片表面大尺度的附面層分離導(dǎo)致葉柵出口流速大幅下降，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞使速度分布不均勻；安裝角調(diào)節(jié)-5°時(shí)，葉片3和葉片4出口流速有所下降；安裝角調(diào)節(jié)+5°時(shí)，葉片2～4出口流速略有提升，整體趨于均勻變化；安裝角調(diào)節(jié)±1°對(duì)出口流速影響均較小。

圖9給出了不同安裝角調(diào)節(jié)角度下，葉柵通道出口平均氣流轉(zhuǎn)折角對(duì)比圖。分析發(fā)現(xiàn)安裝角異常調(diào)節(jié)在0°到負(fù)角度范圍，隨著負(fù)角度增大，平均氣流轉(zhuǎn)折角逐漸變小，說(shuō)明隨著負(fù)攻角的增大，葉柵擴(kuò)壓能力逐漸下降，流場(chǎng)性能也明顯降低。而在0°到正角度范圍，安裝角調(diào)節(jié)1°時(shí)，平均氣流轉(zhuǎn)折角幾乎無(wú)變化；安裝角調(diào)節(jié)10°時(shí)，平均氣流轉(zhuǎn)折角顯著降低，此時(shí)葉片表面發(fā)生較大尺度的氣流分離現(xiàn)象，葉柵性能顯著降低；而安裝角調(diào)節(jié)5°時(shí)，平均氣流轉(zhuǎn)折角增大，說(shuō)明此時(shí)葉柵整體性能有所提高，擴(kuò)壓能力增強(qiáng)，與上文分析一致。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，安裝角調(diào)節(jié)±1°時(shí)，對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)改變較小，流場(chǎng)性能幾乎未受到影響；安裝角調(diào)節(jié)-5°和±10°時(shí)，葉片表面出現(xiàn)較大尺度附面層分離現(xiàn)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(diào)節(jié)+5°時(shí)，葉柵通道進(jìn)口氣流角增大，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)得到改善，性能有所提高。

圖7 Ma=0.6時(shí)葉柵前緣氣流角變化曲線圖

圖8 Ma=0.6時(shí)葉柵出口流速變化曲線圖

2.2 5°攻角時(shí)葉柵流場(chǎng)分析

為驗(yàn)證研究結(jié)果的普適性，本文對(duì)上述各工況在來(lái)流馬赫數(shù)Ma=0.6、來(lái)流攻角為5°時(shí)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到葉柵流場(chǎng)性能及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，深入分析安裝角變化對(duì)葉柵性能的影響。

圖10給出了安裝角調(diào)節(jié)不同角度時(shí)，葉柵通道出口平均總壓損失系數(shù)分布圖。安裝角調(diào)節(jié)角度較大時(shí)(±10°)，平均總壓損失系數(shù)明顯增大，葉柵性能顯著降低，說(shuō)明在安裝角調(diào)節(jié)角度偏大時(shí)，流場(chǎng)性能受攻角變化影響較小，此時(shí)葉片表面氣流分離形成的大面積低速區(qū)使葉柵通道嚴(yán)重堵塞，出口流速大幅下降。而安裝角調(diào)節(jié)范圍較小時(shí)(±1°)，受到攻角變化的影響也較小，此時(shí)平均總壓損失系數(shù)略微上升，葉柵通道流通性較好，總體損失較低。安裝角調(diào)節(jié)+5°時(shí)，平均總壓損失有所提高，這與來(lái)流0°攻角時(shí)得到的結(jié)論相反，此時(shí)由于葉片安裝角旋轉(zhuǎn)角度與來(lái)流攻角增大角度方向相同，相當(dāng)于進(jìn)一步增大了來(lái)流攻角，使葉片表明分離加劇，導(dǎo)致葉柵總體性能下降。來(lái)流0°攻角，安裝角調(diào)節(jié)-5°(圖4a)時(shí)，總壓損失大幅提升，但來(lái)流攻角為5°時(shí)，總壓損失提升幅度較小。這是因?yàn)椋惭b角調(diào)節(jié)為負(fù)時(shí)相當(dāng)于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)葉片，而來(lái)流攻角增大的角度與其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度可相互抵消，此時(shí)中間葉片近似于在來(lái)流攻角為0°的狀態(tài)下工作。損失仍有上升的原因是相鄰葉片產(chǎn)生的擴(kuò)張通道對(duì)氣流減速作用的影響。

圖9 Ma=0.6時(shí)葉柵出口平均氣流轉(zhuǎn)折角

圖10 i=5°時(shí)平均總壓損失系數(shù)分布圖

由圖11葉高50%處葉柵通道馬赫數(shù)分布圖可以看出，安裝角調(diào)節(jié)0°時(shí)，對(duì)比圖5a和圖11a，發(fā)現(xiàn)葉柵整體流動(dòng)較好，流場(chǎng)內(nèi)速度較為均勻，尾跡區(qū)面積較小，說(shuō)明葉柵本身具備一定的穩(wěn)定攻角范圍。安裝角調(diào)節(jié)±1°時(shí)(圖11b和圖11e)，與來(lái)流攻角0°時(shí)較為相似，葉柵流場(chǎng)結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，但與圖5b和圖5e相比，發(fā)現(xiàn)相鄰葉片的尾跡區(qū)面積均略微有所增大；安裝角調(diào)節(jié)-5°時(shí)(圖11c)，葉片3近似相當(dāng)于在0°攻角下工作，其尾跡區(qū)面積有略微減小，但葉片4尾跡區(qū)面積明顯拉長(zhǎng)，雖然葉型本身具備一定的穩(wěn)定攻角范圍，但此時(shí)葉片3和葉片4之間形成的擴(kuò)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(diào)節(jié)+5°時(shí)(圖11f)，相當(dāng)于葉片3在更大的正攻角下工作，導(dǎo)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(diào)節(jié)-10°，由前文分析可知，安裝角逆時(shí)針調(diào)節(jié)可抵消一部分正攻角的角度，此時(shí)與來(lái)流0°攻角流場(chǎng)結(jié)構(gòu)(圖5d)較為相似；而安裝角調(diào)節(jié)+10°(圖11g)時(shí)，葉片2和葉片3表面均發(fā)生大尺度的附面層分離現(xiàn)象，二者尾跡區(qū)相互摻混引發(fā)更大尺度的旋渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉片2、葉片3之間的葉柵通道嚴(yán)重堵塞，葉柵性能嚴(yán)重下降。

圖11 i=5°時(shí)50%葉高處馬赫數(shù)分布云圖

3 結(jié)論

本文研究對(duì)象為壓氣機(jī)靜子葉片，共模擬5個(gè)葉柵通道，研究了中間葉片安裝角調(diào)節(jié)不同角度時(shí)對(duì)葉柵流場(chǎng)性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1)安裝角調(diào)節(jié)角度較小時(shí)，葉柵通道總損失與原型差別不大，對(duì)葉柵流場(chǎng)性能影響較??；安裝角調(diào)節(jié)角度增大時(shí)，葉片表面發(fā)生大尺度的附面層分離現(xiàn)象，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞，總壓損失增大，流場(chǎng)性能下降；

(2)調(diào)節(jié)葉片安裝角時(shí)，會(huì)使相鄰葉片形成收縮或者擴(kuò)張通道，對(duì)葉片2和葉片4的流場(chǎng)性能影響較大，對(duì)葉片1和葉片5流場(chǎng)性能影響較小；

(3)安裝角變化使葉片前緣氣流角發(fā)生改變，逆時(shí)針調(diào)節(jié)葉片安裝角時(shí)，葉片1和葉片2進(jìn)口氣流角增大，葉片3～5進(jìn)口氣流角減小，順時(shí)針調(diào)節(jié)葉片安裝角時(shí)，進(jìn)氣角變化不規(guī)律，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為紊亂；

(4)來(lái)流正攻角時(shí)，安裝角調(diào)節(jié)范圍較小或過(guò)大時(shí)，葉柵流場(chǎng)變化與來(lái)流0°攻角規(guī)律一致，但在一定范圍內(nèi)，順時(shí)針調(diào)節(jié)葉片安裝角相當(dāng)于增大攻角，逆時(shí)針調(diào)節(jié)安裝角能夠抵消一部分攻角作用。

當(dāng)壓氣機(jī)某一葉片安裝角調(diào)節(jié)異常時(shí)，會(huì)破壞流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使其不能在設(shè)計(jì)狀態(tài)下工作，對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定性和可靠性造成不良影響。本文對(duì)0°和5°攻角下單個(gè)葉片安裝角調(diào)節(jié)不同角度進(jìn)行計(jì)算分析，未來(lái)還將在不同來(lái)流攻角下調(diào)節(jié)葉片安裝角的研究，使結(jié)論更充分。