端壁型线对转子性能影响的研究

余雅琪 李恩华 李斌

（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002；3.中国航发西航，陕西西安 710021）

叶栅通道中二次流的损失在叶栅总损失中占相当大的比例，约为叶栅总损失的30%～50%，甚至更高[1-2]。附面层在逆压梯度的作用下产生分离，以及叶片吸力面和端壁附近流动的互相作用是二次流损失产生的主要因素，超音速入流还存在激波-附面层干扰诱发分离。要提高压气机的整体性能，对二次流实现有效控制成为重要途径。在流动控制方法中，通过改变叶栅流道几何形状如弯、扭、掠叶片[3]、缝隙叶栅[4]、可控扩散叶型[5]和端壁成型等达到控制流动的方法称为主动控制方法。在叶栅中通过吹气、吸气[6]等来影响流动的方法称为被动控制方法。利用端壁造型来控制二次流动成为近几年来研究热点，非轴对称端壁[7-13]是研究的主要方向，它利用的原理是壁面凸曲率能使流动加速减小静压，凹曲率能使流动减速，相应地增加静压。利用相同的原理，本文尝试在轴向改变端壁型线来控制二次流动，从而达到减小损失提高压气机的整体性能的目标。

1.研究对象

本文的研究对象是NASA Rotor 37，其设计点参数如表1所示。

表1 Rotor 37 设计点参数

2.数值模拟及分析

本文使用NUMECA软件中AUTOGRID5模块进行网格划分，拓扑结构为叶片表面附近区域使用O型贴体网格，其余部分使用H型网格，网格总数约58万。网格有良好的正交性，壁面第一层网格Y+＜10，因此可以准确描述粘性流动细节，数值模拟结果可信。

数值计算使用FINE/TURBO模块，求解选用三维雷诺平均Navier-Stokes方程，湍流模型为Spalart-Allmaras，使用Jameson的中心差分格式和四阶Runge-Kutta方法进行时间推进，并采用多重网格和隐式残差光顺计算加速技术。

2.1 端壁造型

本文采用FORTRAN软件编写造型函数来对端壁型线曲率进行更改，分别生成了Concave型端壁、Convex型端壁以及S型端壁，如图1所示。

图1 轴向端壁造型示意图

2.2 计算结果及分析

表2给出了4种端壁下的叶栅在设计点的性能参数。与原型相比，Concave的流量、压比和效率均有增加；Convex的流量、压比和效率均减小；S型和Concave一样三者均增加，压比增加幅度小于前者，效率大于前者。

表2 4种端壁下的叶栅在设计点的性能参数

图2给出的是5%叶高相对马赫数分布云图，图中显示，气流进入原型端壁叶栅通道内，收到通道收缩的影响，气流加速，在行进到叶栅通道中间位置处形成一道斜激波，使气流减速增压，在激波、附面层以及径向流动的共同作用下，在尾缘处产生较大的分离区域引起比较大的流动损失。与原型端壁相比，Concave端壁与S端壁的激波位置向前缘方向均有一定程度的迁移，超声速区域变小；S端壁要比Concave端壁变化更加明显，超声速区域明显变小，流动更加均匀，且尾缘处分离区域变小；Convex端壁的超声速区域为四者中最大的，其尾缘处的分离面积增大。这说明Concave端壁和S端壁对叶栅通道内的压力场分布产生正影响，使压力增加更加均匀，减小了由逆压梯度引起的损失，Convex端壁则相反，通道内的压力损失增大。

图2 5%叶高相对马赫数分布云图

图3中显示原型端壁的叶栅中存在明显的分离现象，靠近尾缘部分不仅存在径向流动还存在回流现象。Concave端壁和S端壁中这一问题有一定的缓解，分离区域减小，进而二次流损失减小，其中Concave效果更明显一点；Convex端壁不仅使分离区域面积明显增大，而且其极限流线图显示回流情况加重。

图3 转子吸力面上的极限流线图

图4给出了4种端壁下叶栅出口轴向速度分布云图。原型叶栅出口靠近吸力面附近存在较大的低速区，局部出现负值，这是由逆压梯度引起附面层分离导致的。Concave端壁下的叶栅和S端壁下的叶栅均使分离区域变小，改善了局部堵塞现象，分析其原因是由于端壁的变化改变了叶栅通道内的压力分布，改善了通道流通能力，避免了附面层提前发生分离。图4中可以发现，S端壁的效果要明显由于Concave端壁，负值情况近乎消除。Convex端壁产生的影响则与前两者相反，吸力面上分离区域明显增大，而且端壁附面层变厚。

图4 转子叶栅出口处的轴向速度分布云图

从图5中可以看出，Concave端壁使转子增压能力提高，影响主要集中在0%～50%叶高；Convex端壁影响正好相反，影响范围与Concave端壁一致；S端壁总压分布与原型基本一致。这与前文中提到的整个叶栅通道的总压比变化相一致。

图5 出口周向平均总压沿展向分布

图6中可以看出，0%～30%叶高，Concave端壁的效率有一定的提高，Convex型端壁减小，S型端壁基本不变；30%～70%叶高，Concave端壁则减小，Convex端壁略有增加，S端壁增加较多；70%叶高以上没有影响。这种分布在图3中也可看出。

图6 出口周向平均效率沿展向分布

3.结论

通过研究，得到以下结论：

（1）端壁型线对转子的影响是通过改变通道内的压力分布来改变通道内的流动，进而对转子性能以及叶根分离现象产生影响。

（2）与原型端壁相比，Concave端壁能够改善转子通道内的压力分布，有效控制附面层分离，减小二次流动引起的损失，使得流量、压比、效率均有增加。

（3）Convex端壁使得附面层发生分离，堵塞状况加重，从而转子流量、效率、压比均下降。

（4）S端壁流量、压比、效率均增加，但压比略低于Concave端壁，效率较之要高，并且S端壁转子叶栅内的流动更加均匀。