發布時間：2022-02-22所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 為研究進口總壓畸變條件下渦流發生器對壓氣機流場的影響，建立單級軸流壓氣機模型，計算和分析了不同工況下的壓氣機內部流
摘 要: 為研究進口總壓畸變條件下渦流發生器對壓氣機流場的影響，建立單級軸流壓氣機模型，計算和分析了不同工況下的壓氣機內部流場。計算結果顯示: 在進口畸變條件下，壓氣機流場惡化，性能降低; 使用渦流發生器后，可以有效改善靜葉葉根附近的流場，控制葉片尾緣分離，降低沿葉高方向的壓力波動，從而削弱進口畸變對效率的負面影響，改善出口壓力場，提高壓氣機性能; 相比于均勻的進口條件，在進口畸變條件下，渦流發生器改善壓氣機性能的作用更加顯著。
關 鍵 詞: 軸流壓氣機; 渦流發生器; 進口總壓畸變; 總壓分布; 等熵效率
引 言
壓氣機作為航空發動機中至關重要的核心部件，其主要作用是對進入發動機中的空氣進行增壓，從而為燃燒室提供高壓空氣。壓氣機內部的流場狀況和氣動性能對壓氣機本身的效率和穩定性有著重要的影響。受限于壓氣機自身的工作原理，在非設計工況下，壓氣機的穩定工作范圍受到旋轉失速、喘振等流動失穩的影響較大[1]。在壓氣機的設計過程中，往往為了最大限度地保證壓氣機運行的穩定性，以效率或增壓比作為代價，為類似非穩定工況留出一定的失穩裕度[2]。影響軸流壓氣機穩定性的因素有很多，進口流場的畸變是其中相當重要的一個因素[3]。在航空發動機實際工作過程中，進口流場不可避免地發生畸變[4]。進口畸變會相當程度地擾亂壓氣機內部的流場，大幅度影響壓氣機的穩定性和工作效率[5]。因此，通過改善進口畸變條件下壓氣機的內部流場來提高壓氣機性能的研究，具有十分重要的應用價值。
根據畸變的物性參數和空間位置的不同，進口畸變被人為劃分為不同的類型。一般認為，畸變主要表現在進口流場溫度、壓力、速度等參數的不均勻分布。實際情況下，進口畸變往往是多種畸變的相互耦合。其中，總壓畸變是最為常見而影響較大的類型[6]，而相比于其他方向的畸變，周向畸變對流場性質的影響最為突出，對壓氣機性能的危害最大[7]。同時，進口畸變往往對壓氣機的前一級或兩級影響最為明顯[8]。
渦流發 生 器 ( Vortex Generator) 于 1947 年 由 Taylor 首次提出[9]。最初應用于飛機機翼表面，用來延緩邊界層的分離，并取得了比較良好的效果[10]。渦流發生器是典型的被動式流動控制部件，具有結構設計簡單、成本低廉和易于工程應用等優點，因而在流動控制領域具有很高的研究價值和應用前景[11]。隨著應用的逐漸成熟，渦流發生器由外流引入內流，其后也出現了亞附面層渦流發生器和微型渦流發生器[12]等，其與普通渦流發生器效果相近，同時大幅降低了渦流發生器本身阻力[13]。隨著技術的進步，也出現了能夠自主產生射流的主動式渦流發生器[14]。本文研究的對象是流道內安裝的普通渦流發生器。此類渦流發生器設計簡單、效果明顯，對近壁面流場有著較好的改善作用[15]。
渦流發生器能夠顯著地減小葉根邊界層分離，改善流場質量。但是關于進口畸變條件下，渦流發生器對流場的影響，尚未見公開發表的論文。因此，本文以單級壓氣機為研究對象，通過設置進口周向總壓畸變，著重研究進口總壓畸變條件下，渦流發生器對壓氣機性能及流場的影響。
1 模型及計算方法
1. 1 計算模型的設置
以單級壓氣機為研究對象，采用計算軟件 NUMECA 進行數值計算。計算所用壓氣機幾何參數如表 1 所示。
進口邊界條件設為總溫、總壓分布。在計算中總溫不變，設為 293 K，通過二維參數設置來實現進口總壓畸變。對于進口畸變的賦值，考慮到壓氣機的損失一般發生在靠近輪轂以及靠近機匣的位置，故將采用改變進口機匣及輪轂附近總壓的方式來設置總壓畸變。
其他邊界條件為: 進口方向為軸向進口，出口條件為 靜 壓，固定壁面為無滑移邊界條件，轉 速 為 12 000 r /min，湍流模型采用 SA( Spalart-Allmaras) 模型。 1. 2 網格劃分利用計算軟件 NUMECA 中的 AutoGrid 功能，對計算域進行結構化網格劃分。在動靜葉采用默認拓撲結構的基礎上，利用 AutoGrid 分流葉片的功能實現對渦流發生器附近的結構化網格劃分。葉片網格生成默認對邊界層進行加密。計算分析取總網格數為 198 萬。全局網格最小偏斜度為 17. 319，最大長寬比為 1589，網格質量良好。渦流發生器附近的網格較為復雜，經過加密處理，精細程度也進一步提高，放大后的葉中渦流發生器附近網格如圖 2 所示。
1. 3 網格無關性驗證
共劃分 3 組網格進行了網格無關性驗證。在總網格數 198 萬的基礎上，分別對網格總量 104 萬和 402 萬的情況進行了計算和分析，如圖 3 所示。在網格總量低于現有網格數的情況下，計算所得結果仍與網格總數相關。在超過現有網格數的情況下，計算結果與網格總數的相關性不明顯，因此能夠判斷網格數量滿足網格無關性的要求。
1. 4 計算結果驗證
在均勻進出口條件下，將實驗結果[16]與數值計算結果進行對比，以驗證數值計算結果的可信度如圖 4 所示，其中歸一化流量為實際流量與設計工況流 量 之 比。從 圖 中 發 現，總壓的最大誤差為 2. 6% ，等熵效率最大誤差為 6. 9% 。計算結果能夠反映總壓比與等熵效率隨流量變化而變化的趨勢。數值計算中壓比低于實驗結果，而計算效率高于實驗效率。其原因之一，可能是實驗中無法保證均勻進口條件，因此效率會受到一定的影響; 其二是定常計算本身對軸流壓氣機內部流場的計算存在一定的誤差，無法完全準確的描述流場。
由于計算結果能夠基本上符合實驗結果，誤差也在可以接受的范圍之內，可以認為采用的計算方法具有一定可靠性與準確性，能夠滿足分析和研究的需要。
2 計算結果分析
以有/無渦流發生器及進口畸變為條件，設計 4 個計算方案，如表 2 所示。
2. 1 性能分析
圖 5 為 4 種方案計算所得的壓氣機性能曲線。由性能曲線分析可知，渦流發生器對提升壓氣機等熵效率的作用明顯。對比方案 2 和方案 4，可知在 進口畸變條件下，增加了渦流發生器后，有效地改善了流場，平均等熵效率明顯提高，約為 1. 27% 。
對比均勻進口條件下的方案 1 與方案 3，雖然渦流發生器也提高了壓氣機的等熵效率，但改善效果沒有進口畸變條件下的明顯，約為 0. 72% 。
另外，渦流發生器對壓比的影響較小。均勻進口條件下的方案 1、方案 3 和進口總壓畸變條件下的方案 2、方案 4 的總壓比 - 流量曲線明顯接近，說明渦流發生器對壓比的影響很小。
2. 2 流場分析
為分析進口總壓畸變及渦流發生器對壓氣機內部流場的影響，分別選取 4 種方案的最高效率點進行分析。
圖 6 給出了各個方案在最高效率點處的子午面絕對總壓云圖。由圖 6( b) 、6( d) 可知，當進口總壓發生畸變時，一級動葉首先受到較強的影響，動葉流場自葉根至葉頂發生了比較明顯的變化。此時，對比圖 6( a) 、6( b) ，可以發現，由于進口的畸變，出口尾跡區擴大，靜葉上高壓區壓力增大，從而導致了流場質量下降，流動效率降低。但可以發現，安裝了渦流發生器后( 圖 6( c) 、6( d) ) ，進口畸變對靜葉葉根流場總壓分布的影響被削弱。這是由于在動葉尾跡區，渦流發生器降低了葉根部分尾跡分離的程度，使得流場更加穩定。通過 4 種方案在最高效率點的子午面總壓分布分析，進一步證明了渦流發生器能夠有效改善進口畸變條件下的流場。
圖 7( a) ～ 7( d) 給出了在 5% 葉高處 4 個方案在最高效率點的相對馬赫數分布。由圖可知，在葉根處，進口畸變對一級動葉的影響比較明顯，減小了動葉前緣的氣流高速區。進口畸變條件下靜葉葉根氣流尾跡區增大，分離發生提前。渦流發生器在葉根處。有效地改善了靜葉的氣流尾跡分離，顯著地減小了由分離產生的回流渦的尺寸，進而提高了壓氣機的等熵效率。
圖 7( e) ～ 7( h) 給出了 50% 葉高處的相對馬赫數分布。在此處渦流發生器的影響十分輕微，僅靜葉尾跡處有些變化。流場由畸變主導。進口總壓畸變略微減小了動葉進口處附近的高速區的分布范圍，增大了動葉上的邊界層分離，進而影響到靜葉上的流動。
圖 7( i) ～ 7( l) 為 95% 葉高處的相對馬赫數分布。由圖可知，與葉中( 50% 葉高) 流場相比，渦流發生器對該段靜葉流場的影響增強。這是由于在渦流發生器的作用下，葉根流場改善，流速增加，高能流體沿葉高方向的遷移減少，通過葉根的流量增大。相同流量下，葉頂的流量因此而降低，軸向速度降低，流動角增大。由于靜葉中段流場良好，流速變化對分離影響不大。而葉頂附近流動情況復雜，對流動角的變化比較敏感。因而當流動角發生變化時，分離增大，流場惡化。當考慮進口總壓畸變時，由于畸變條件的作用，抑制了葉頂附近的流動角變化，降低了渦流發生器對葉頂附近流場的影響。這再次證明了在進口畸變條件下，渦流發生器對壓氣機流場的影響效果更加顯著。
2. 3 靜葉表面壓力分布
以無量綱相對壓力作為評價氣動性能的標準，無量綱相對壓力的定義為所在點的壓力與進口平均總壓之比。有研究表明，低能流體主要堆積在葉柵的 10% 葉高以內，故對 10% 葉高以內流動的分析更具代表性[17 - 19]。
圖 8( a) 給出了 5% 葉高處葉片表面靜壓的分布情況。由圖可知，由于渦流發生器安裝在葉片吸力面前緣附近，渦流發生器對壓力面的流場影響僅局限于葉根壓力面前緣，而對吸力面的影響則十分顯著。自吸力面前緣至 0. 5 倍軸向弦長處，對比安裝了渦流發生器的方案 3、方案 4 與未安裝渦流發生器的方案 1、方案 2 可知，渦流發生器在靜葉吸力面制造了一個較大的低靜壓區域。這為渦流發生器產生的高能流向渦提供了能量來源。對比 0. 1 倍軸向弦長前的靜壓分布情況，未安裝渦流發生器的方案 2 相對于方案 1 產生了十分明顯的壓力波動，而安裝了渦流發生器的方案 4 相較于方案 3，壓力變化明顯降低。渦流發生器附近的高能流體削弱了進口畸變導致的葉根前緣壓力變化。同時，高能流體離開渦流發生器向尾緣移動，延緩了吸力面附面層發生分離的時間，縮小了分離產生的回流渦，顯著改善了靜葉葉根處的流場狀況。
圖 8( b) 給出了 50% 葉高處壓力面與吸力面沿軸向弦長的靜壓分布。由圖可知，在此處 4 種方案下的壓力分布區別很小，無論是進口畸變還是渦流發生器對此處的影響都不明顯，壓力分布較為穩定。
圖 8( c) 給出了 95% 葉高處壓力面與吸力面沿軸向弦長的靜壓分布。由前文的分析可知，渦流發生器降低了葉頂流量與軸向速度，導致葉頂附近流動角發生變化，增大了葉頂附近的流動分離，這一現象在葉頂附近總壓分布中有所體現。均勻進口且安裝渦流發生器的方案 3，在葉片吸力面中段產生了不同于其他方案的壓力波動，靜壓明顯高于其他方案，此處流動速度也相應的低于其他方案。同時，進口總壓畸變對此分離的抑制作用也有所體現，方案 4 的總壓波動較小，分離發生明顯晚于方案 3。均勻進口和總壓畸變的兩方案在壓力面的靜壓分布上分別重合。可以認為渦流發生器對葉頂壓力面的壓力分布產生的影響很小。
2. 4 出口參數
圖 9 給出了在距靜葉尾緣一個軸向弦長處 4 個方案的出口總壓分布曲線圖。方案 3 葉頂總壓最小，而方案 2 葉頂總壓最大。在 80% 以上的葉高處，方案 4 與方案 1 葉頂總壓分布相近，畸變與渦流發生器的作用在此處被一定程度的抵消了。其次是葉根處，明顯能夠看出渦流發生器對葉根流動的改 善，沒有渦流發生器的方案 1 和方案 2 在 50% 葉高明顯有兩個總壓極值，波動十分明顯; 而安裝了渦流發生器的方案 3 與方案 4 只有一個極值，分布平滑，流場質量較高。
綜合 4 條總壓分布曲線可知，進口總壓畸變條件下，靜葉出口處的流場，沒有總壓畸變的方案 1 與方案 3 壓力分布曲線較之方案 2 和方案 4 更加平滑，波動程度更小。而渦流發生器對流場的質量也有著明顯的改善，對葉片中下段的流場作用明顯，提高了此處的流場質量。安裝在葉根的渦流發生器同樣能夠對葉片頂端產生影響，相同進口條件的方案 1 和方案 3 與方案 2 和方案 4 之間，葉頂壓力都出現了比較明顯的偏差。通過以上分析可知，渦流發生器與進口總壓畸變會相互干涉，共同對整個葉高施加影響。
3 結 論
計算了 4 種方案下的單級壓氣機性能。通過對計算結果的分析，研究了進口總壓畸變條件下渦流發生器對壓氣機內部流場的影響。得出如下結論:
( 1) 在進口畸變條件下，渦流發生器削弱了進口總壓畸變在靜葉葉根產生的影響，使得靜葉葉根處的流場得以改善。
( 2) 與均勻進口條件相比，在進口畸變條件下，渦流發生器對流場的改善作用更強，對效率的提升作用更加顯著。
( 3) 渦流發生器能夠降低沿葉高的壓力波動，改善出口壓力場。——論文作者：王躍衡1 ，朱國明1 ，王 琦2 ，楊 波1
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