压气机级内动静非定常干涉数值研究

侯宪科， 王祥锋

（1.通用电气-哈动力-南汽轮能源服务（秦皇岛）有限公司，河北 秦皇岛066001；

2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，哈尔滨150001）

1 引 言

弯掠设计技术已经广泛应用于高性能的压气机设计中［1］，极大地提高了航空发动机的性能，具有极大的工程应用价值。

压气机叶片动静非定常干扰影响着其气动性能的优劣，引起了较大的关注［2，3］。Curtis［4］的研究指出，若在对叶片进行设计时就将非定常流动的影响考虑进来，能够在不影响压气机性能的前提下增加叶片的气动负荷。Schulte［5］认为设计叶片时考虑尾迹通过的影响，通过正确的选择尾迹通过的频率或尾迹的强度，能够设计出高负荷叶栅并同时减少叶栅的损失。

本文采用非定常的数值模拟方法，对原型压气机和改型压气机级进行了数值研究，分析了原型和改型动叶不同尾迹输运的特点，及其对下游静叶的非定常扰动。

2 数值方法

图1 计算网格示意图

本文数值模拟模型为某多级压气机第七级原型级和弯掠动叶改型级。采用三维N-S 求解器FINETM 模块对压气机级进行非定常数值模拟。非定常计算采用叶片约化方法，计算叶片数目约化为2∶3。计算网格采用Autogrid5 与IGG 生成，计算网格总数约250 万，图1 给出了计算所用的网格示意图。

3 动静叶干扰对静叶流动的影响

本文采用非定常脉动速度［6］来研究非定常效应对静叶栅流场的影响。

图2 给出了一个周期内不同时刻5%叶高截面处静叶流道内的脉动速度矢量图。从图中可以看到动叶尾迹在下游静叶流道内的输运特性，即在非定常脉动速度的作用下，静叶流道内所产生的二次涡的演变过程。可以看到，静叶流道内因脉动速度形成了旋转速度相反的一对旋涡，强度一强一弱。随着动叶的旋转，这一对旋涡的强度不断增强，强弱相当。静叶流道中的旋涡与附面层发生强烈的相互作用，下游静叶片表面边界层内的流动情况将因此而发生改变，同时对边界层造成的损失产生影响。由于受到上述旋涡的影响，同时在动叶尾迹对静叶流道内主流的干扰下，静叶表面气动负荷分布的大小与分布规律都发生了改变，进而影响到压气机的气动性能。在动叶尾迹进入静叶流道前，在静叶前缘处的压力面和吸力面附近，脉动速度的量值很大，说明上游动叶的尾迹对这些位置的干扰非常强。动叶尾迹在静叶流道内迁移的过程中，因为和势流的掺混作用，非定常扰动速度逐渐减小，到了流道的后段，脉动速度已经非常小了。

图2 5%叶高静叶流道脉动速度矢量分布

图3 50%叶高静叶流道脉动速度矢量分布

图4 95%叶高静叶流道脉动速度矢量分布

结合不同时刻3 个叶高截面的静叶流道脉动速度矢量分布。可以看到，除了扰动速度的强度大小不同之外，脉动速度形成的旋涡结构和演变的规律也有所不同，这除了与动叶叶根角涡和叶顶泄漏涡的影响不同有关外，还与叶片的设计有关。在设计压气机级时考虑到级动、静叶间的气流角匹配的需要，动叶并不是完全意义上的直叶片。在非定常条件下，静叶前缘线在沿着叶高方向与上游动叶的尾缘存在着相位差，因此动叶尾迹在对静叶不同叶高处的流道进行扫掠的的位置也有所不同，导致静叶内流动沿叶高也是不同的。考虑到这一点，如果在压气机设计中引入非定常方法，考虑由于动叶尾缘和静叶前缘之间的缘线匹配所导致的非定常波动，可以提高压气机性能。

4 压气机级尾迹输运特性

本文采用脉动强度系数［6］来研究单级压气机中动叶弯掠设计后对动叶尾迹的输运特点。

图5 动叶出口脉动强度系数分布云图

5 结 论

动叶尾迹对下游静叶流道根部和顶部截面所造成的非定常扰动的幅值和影响范围都要大于中部截面。采用弯掠设计的改型动叶改变了高脉动分布区域，明显减弱了叶片顶部泄漏涡与动叶尾迹顶部的脉动强度，对下游静叶的非定常干扰减弱。

［1］ 徐建中.叶轮机械气动热力学的回顾与展望［J］.西安交通大学学报，1999，33（9）：1-4.

［2］ SANDERS A J，et al. Multi-blade row interactions in atransonic axial compressor: Part ⅡRotor wake forcing function and stator unsteady aerodynamic response［R］. ASME Paper 2001-GT-0269.

［3］ 颜培刚，李绍斌，陈浮，等.静叶片时序效应对压气机叶片非定常气动负荷的影响［J］.航空动力学报，2008，23（1）：117-124.

［4］ CURTIS E M，et al.Development of Blade Profiles for Low Pressure Turbine Applications［J］. ASME Journal of Turbomachinery，1997，119（3）：531-538.

［5］ SCHULTE V，et al. Prediction of the Becalmed Region for LP Turbine Profile Design［R］.ASME Paper 97-GT-398，1997.

［6］ 毛明明.跨声速轴流压气机动叶弯和掠的数值研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.