附面层抽吸对轴流压气机流动控制及性能影响的研究

摘要

航空发动机的发展要求进一步提高其关键部件轴流压气机的性能。随着轴流压气机级负荷的逐渐提升，压气机内部分离流、二次流等显著影响其效率和稳定性，同时也阻碍压气机级负荷的提高。轴流压气机性能的进一步提升得益于对其内部流动机理和流动控制技术在压气机内部应用的深入研究。在轴流压气机中，转子、静子叶栅内附面层分离流、角区失速、通道涡、泄漏涡等流动现象严重影响着压气机性能的提升，叶片表面脱落涡引起的气动激振力对于压气机的稳定工作也有着重要影响。目前，附面层抽吸技术已被证明是有效控制附面层分离、提高压气机负荷的流动控制技术之一。因此，深入开展附面层抽吸控制叶栅内流场的研究，是进一步提高轴流压气机性能的关键。
　　为验证附面层抽吸对压气机叶栅流场的改善效果，设计了两套吸附式压气机叶栅，实验测量了附面层抽吸前后叶栅总性能、栅后尾迹曲线。研究发现，附面层抽吸后，叶栅损失系数大幅降低，各实验工况尾迹区的宽度明显减小，深度明显降低，逐渐向叶片尾缘移动，表明附面层分离减弱、气流转折角增大。
　　叶片表面脱落涡对轴流压气机级间干涉、压气机的稳定工作有重要影响。本文采用大涡模拟方法，分别对孤立叶型和吸附式叶栅附面层抽吸前后进行数值模拟研究，成功的捕捉到了孤立叶型和叶栅各工况下叶片表面的脱落涡。未抽吸工况，脱落涡主要来自叶片吸力面，脱落涡在吸力面单个随机产生，而不是以对涡形式出现，与常见的卡门涡街明显不同。附面层抽吸后，孤立叶型各工况和叶栅小攻角工况下，吸力面脱落涡被明显抑制，吸、压力面附面层在叶片尾缘脱落形成典型的卡门涡街，卡门涡街的主频显著增大、幅值明显减弱；叶栅较大攻角工况，吸力面脱落涡未能被完全抑制，叶片尾缘并未发现卡门涡街，随着抽吸量的增大，脱落涡在栅后排列逐渐变得较为规则，脱落涡幅值大幅减小。
　　其次，针对直列叶栅，设计了多种不同的吸力面、端壁、组合抽吸方案，对于弯曲叶栅，设计了不同的吸力面、端壁抽吸方案。数值研究结果表明，直列叶栅吸力面局部抽吸可改善抽吸叶展截面流场，却恶化了未抽吸叶展截面流场，全叶展抽吸可改善全叶展流场，其原因是吸力面抽吸后沿叶高形成的“C”型或反“C”型压力分布导致的低能流体迀移。本文采用叶片吸力面/端壁组合抽吸方案，完全消除了直列叶栅叶片吸力面的附面层分离，静压沿展向分布也更加均匀。
　　在充分认识弯曲叶片对叶栅流场影响机理的基础上，对弯曲叶栅展开了附面层抽吸的研究。发现叶片正弯曲结合局部附面层抽吸时，叶片吸力面、角区流场均得以改善；正弯曲叶栅结合全叶展抽吸时，叶展中部流场明显改善，吸力面近角区流场改善不明显，这也是叶栅通道内沿展向静压分布所致。叶片反弯曲形成的反“C”型静压分布抑制了叶展中部分离，恶化了端区流场；叶片反弯曲结合端壁附面层抽吸后，端壁流场明显改善，叶展中部附面层分离区域明显增大。
　　再次，在研究不同间隙大小对叶栅流场影响的基础上，设计了多种叶尖端壁抽吸缝，数值模拟了端壁抽吸对叶尖间隙流的影响。结果表明，未抽吸叶栅中，叶尖泄漏涡随叶尖间隙、攻角的增大而增强。端壁抽吸后，叶尖泄漏涡随抽吸量增大逐渐减弱，叶尖通道涡与叶尖泄漏涡呈现出此消彼长的关系；在各抽吸方案中，叶尖正上方端壁处抽吸导致的叶尖泄漏涡减弱最为明显，吸力面侧抽吸缝方案次之，压力面侧抽吸缝方案效果最不明显；叶尖正上方长缝抽吸后，叶尖泄漏涡几乎被完全控制；端壁抽吸后，损失沿展向分布呈现出叶尖端壁处损失减小、叶展下方损失增大的趋势，静压比随着抽吸量增大逐渐增大。
　　然后，针对某双排轴流对转压气机转子进行级环境下附面层抽吸的探索，根据流场结构，在前排转子（R1)、后排转子（R2)吸力面设计了多种抽吸缝，深入研究不同吸气位置与吸气量下R1单独吸气、R2单独吸气对对转压气机流场结构及性能的影响；此外，分别针对R1单独抽吸对转压气机整机效率最高工况、R1单独抽吸R1效率最高工况结合R2进行双排共同抽吸。结果表明，R1单独吸气时，随抽吸量增加R1效率提高，R2进口气流参数与R2匹配性变差，导致R2效率降低，最终对转压气机整机效率先增加后减小，有一个最佳抽吸量，整机效率最多提高0.9％; R2单独吸气时，随抽吸量增加，R2效率先增大后减小，上游转子R1受下游转子抽吸影响较小，对转压气机整机效率先增大后减小，最高提高1.4%;双排共同抽吸进一步提高了对转压气机效率。
　　最后，初步设计了一台超高压比吸附式轴流压气机。转子采用超大弯角、冲击式转子、低展弦比设计，转子叶片前段采用预压缩叶型，弯度主要集中在后半段，各截面弯度均在90。以上，最终轴流压气机转子压比高达5.7，效率达87%，在气动上验证了附面层抽吸的效果。