端壁抽吸对压气机平面叶栅性能影响的数值研究

陈毓磊，徐文峰，米瀚沁，黄士升

（沈阳航空航天大学航空发动机学院，辽宁沈阳 110136）

0 引言

燃气轮机作为一种高技术含量的发电设备，具有占地面积小、低能耗和污染少等特点，是一种以气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料通过燃烧使其化学能转变成热能来提高燃气的焓值，进而产生有用功达到产电目的的气动热力机械。燃气轮机数值仿真在其设计、试验、系统调试及现场运行等各阶段都有重要作用[1]。燃气轮机的核心部件压气机的设计正不断地向着高效率、高压比、高负荷的要求发展。角区分离是影响压气机叶栅性能的主要因素之一，压气机的性能提高很大程度上取决于对角区分离的控制[2]，Denton[3]总结了角区分离产生机理：端壁边界层在横向压力梯度的作用下向吸力面迁移，从而形成横向二次流动，流动过程中流体受到吸力面的阻挡，故而低能流体在吸力面/端壁角区处堆积。大量相关学者正不断探究其流动控制技术。相关研究发现，端壁抽吸技术作为压气机主动流动控制技术之一，能有效地控制角区分离[4]，随着压气机单级叶栅负荷不断提高，其角区分离现象也越来越严重[5]。杨刚等[6]通过在叶栅吸力面端壁处开设流向槽，通过数值仿真发现在大冲角下小抽吸流量对流场的改善效果不佳；陆华伟等[7]通过在端壁上不同弦长处开设周向槽，通过实验和数值仿真，发现不同抽吸流量下，影响叶栅性能的涡种类不同；李聪等[8]发现，位于叶背中前部的抽吸方案对平面叶栅流场品质调控效果较好。

相关的研究大多数仅提出了使用抽吸的方法进行流场改善。而实际工况下，不同的抽吸参数，例如抽吸流量、抽吸位置等的选取还需要进一步研究。因此，本文在高亚声速来流工况下，沿叶栅吸力面流向方向开槽进行抽吸，研究不同抽吸位置、不同抽吸流量对平面叶栅气动性能和流场特性的影响。

1 方案设计与数值方法

1.1 叶栅参数

本文选用叶型为高负荷扩压叶栅NACA65-K48模型，叶高100 mm，叶型设计如图1 所示，其几何及气动参数见表1。

表1 叶栅几何及气动参数

1.2 抽吸方案

本文在靠近叶片吸力面侧布置了两种抽吸方案，分别以EW1 和EW2表示，其中抽吸槽距离叶栅吸力面1 mm，槽宽2 mm（图2）。

图2 抽吸槽布局示意

1.3 网格无关性验证

模型采用ICEM CFD 软件进行网格划分，整个计算域为结构化网格，并在叶栅前、后缘点进行加密处理（图3）。为保证计算结果的准确性，抽吸槽与端壁接触处网格密度尽量保持一致。考虑到与湍流模型的匹配性，为满足壁面y+值小于1 的要求，网格划分时在靠近叶表周围以及端壁处进行加密，第一层网格高度设置为0.005 mm。

图3 叶栅网格划分

为了排除网格数量对实验结果的影响，本文通过计算设定工况下，80～300 万网格下的出口平均总压损失系数，进行了网格无关性验证。定义总压损失系数为：

由图4 可知，当网格数大于220 万时，出口平均总压损失系数变化小于0.5%，满足网格无关性条件，为节省计算时间，本文选取220 万网格数量进行数值计算。

图4 不同网格数下出口截面平均总压损失系数

1.4 边界条件

计算域如图5 所示，考虑到平面叶栅计算结果的对称性，为节省计算资源，下边界设置为对称边界，仅计算50%叶高计算域，两侧交界面设置为周期性边界。进口为压力入口，给定来流总温为320 K，由于靠近端壁附面层处流体流速较低，为了使数值模拟结果更贴近实际工况并保证来流马赫数为0.7，将进口总压沿叶高分布情况设置为如图6 所示的分布情况。给定出口为压力出口，设置出口平均静压、温度分别为101 325 Pa、288 K；端壁与抽吸槽进口设置为交界面；抽吸出口给定抽吸质量流量；其余壁面均为光滑、绝热、无滑移壁面。为保证求解的准确性，选择SST 湍流模型，采用ANSYS CFX 软件进行求解。

图5 计算域

图6 进口总压沿叶高分布

2 结果与分析

2.1 原型叶栅流场结构

图7 为攻角0°、来流马赫数为0.7 工况下出口总压损失系数云图，可以发现，原型叶栅角区附近出现大范围损失，约占据整体损失70%，这是由于高负荷叶栅吸力面角区易分离（图8）。分离从叶栅前缘沿流向一直发展到尾缘，且沿流道分离范围逐渐扩大，分离占据了80%叶高（图9），因此增大了出口截面总压损失。

图7 原型叶栅出口总压损失系数云图

图8 角区三维流线图及吸力面、端壁静压分布

图9 吸力面极限流线图

2.2 端壁抽吸对叶栅气动性能及流场特性的影响

压气机叶栅出口流场品质直接影响叶栅气动性能，进而影响下一级，本节研究了在攻角为0°、抽吸流量为进口质量流量的0.5%的工况下，EW1 和EW2 两种端壁开槽方式对叶栅流畅品质调控的效果。

不同方案下叶栅流场出口截面总压损失系数云图对比如图10 所示，可以看出，两种方案均能明显减少角区高损失区的总压损失，其原因是抽吸使得端壁附面层处低能流体被吸走，低速流体获得动能，进而推迟了其发生分离，与原型叶栅相比，EW2 方案减少损失效果较好，这是由于该处为叶栅角区分离起始点，在此处布置抽吸槽，将位于叶表附近即将发生分离的大部分流体进行抽吸，使得主流动能增加，原本的分离涡趋向尾缘。

图10 出口截面总压损失系数云图

为了分析不同节距端壁抽吸对总压损失的改善，图11 给出了节距平均总压损失沿叶高分布。可以看出，靠近端壁处角区分离较大，流动损失大，而主流区分离小，损失相对较小。此外，两种方案均能明显降低的总压损失，在约28%叶高以下处改善效果较明显，其中EW2 方案最明显，使总压损失降低了17.9%。

分子量分布是肽类产物的重要特征性指标，直接反映产物中不同大小分子量肽类的构成[24]。肽类的苦味与其相对分子量密切相关，分子量大于5 ku的肽无苦味，只有分子量小于5 ku的肽才可能会显现出苦味，且分子量介于500～1000 ku的短肽苦味最强[25]。付光中等研究也发现虾头自溶产物的苦味主要来自分子量为3～5 ku的肽[26]。宋雪梅等采用液相色谱-串联质谱从干酪中鉴定出的14种苦味肽均是分子量小于2 ku的肽[27]。

图11 节距平均总压损失沿叶高分布

图12 为不同方案下，叶型表面静压系数分布，本文定义静压损失系数为：

图12 叶型表面静压系数分布

其中，Ps为当地静压；Pin为进口截面平均静压；Pv，in为进口截面平均动压。

通过对比发现，EW2 方案使分离起始位置向尾缘靠近，在靠近尾缘处，抽吸改善了叶栅内部流场的流动状态，增强了叶栅通流能力，提高了叶栅尾缘附近静压系数，增大了其扩压能力。

由以上分析可知，EW2 抽吸方案较好，为了更好地分析沿叶栅流道方向损失分布，图13 给出了原型叶栅和EW2 方案拟S3 截面总压损失云图，观察整体可以看出，在该处抽吸使角区附近低能流体被吸除，推迟了角区分离的起始位置，避免了低能流体因过早分离而产生较大损失，使高损失区沿流向方向均呈先扩大后减小的趋势发展，使叶栅尾缘点后高损失区明显减小，尾缘点前略有减小。

图13 拟S3 截面总压损失云图

2.3 抽吸流量研究

由于EW2 抽吸方案对损失减少的效果较好，为进一步探究流量对抽吸效果的影响，进行0.25%～1.5%六种抽吸流量的数值仿真计算（图14），仿真结果显示，随着抽吸流量的增加，出口截面平均总压损失系数一直降低。当抽吸流量大于1%后，总压损失降低得较少，但抽吸流量却仍以原来的比例增加，考虑到经济性等方面的因素，本文认为最佳抽吸流量为进口质量流量的1%。

图14 EW2 方案不同抽吸流量下出口截面平均总压损失系数

3 结论

（1）叶栅角区分离是影响其气动性能的主要因素，高负荷压气机叶栅角区存在低能流体团聚集，易产生角区分离，弱化叶栅内通道流动状态，增大了损失。

（2）在叶栅吸力面开槽抽吸能够推迟角区分离现象的产生，可以明显降低出口总压损失系数，在25%～50%弦长段开槽降低损失效果最明显，使总压损失降低了17.9%。

（3）随着抽吸流量的增加，出口截面平均总压损失系数不断降低，当抽吸流量大于1%时，总压损失基本保持不变。因此，在本文设计工况下，最佳抽吸流量为1%。

（4）在本文研究工况下，EW2 方案抽吸效果最好，为平面叶栅主动流动控制技术提供了方法，同时对于工程实际运用中各结构及环境参数的设置提供了参考。