推进系统前沿技术讲座

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推进系统前沿技术讲座

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论文

2014年4月

叶轮机械内流动分离的控制技术

一、引言

流动控制不是一个新的概念，但它应用于控制发动机部件附面层流动方面却是一种新兴技术。它包括设置主动或被动装置，以对流动产生有益的影响。这些装置的作用包括延迟或促进转捩，抑制或提升湍流度，以及防止或促进流动分离，最终得到的有益结果中包括降低阻力，提高升力，以及抑制流动引起的噪声等。对此，很多研究结果表明，流动控制除了具有减弱流动分离的效果，还具有潜在的增强或减弱掺混的作用，产生可控制流动的“虚拟”形状，改善尾迹流动，控制附面层流动阻力等。在流动控制方法中，通过改变叶栅流道的几何形状如弯、扭、掠叶片、端弯叶片、翼刀、缝隙叶栅、可控扩散叶型、端壁成型和旋涡发生器等达到控制叶栅流动的控制方法称为被动控制方法。在叶栅中通过局部吹气、吸气或其他强化附面层流动从而影响附面层流动、防止分离的控制方法称为主动控制方法。这里流动主动控制定义为用流量很小或接近于零的流动来改变流量大得多的流动的特性的流动控制方法。以旋涡发生器为例来说明流动主动控制和被动控制概念之间的差别。旋涡发生器通过在流动中诱导纵向旋涡从而被成功地用于控制流动分离。而实质上旋涡发生器属于被动控制，因为不管需不需要，在所有运行情况下都在产生作用。这可能会在不需要的时候如稳定运行状态由于旋涡发生器和流动之间的相互作用而产生附加阻力。而主动流动控制是在外部控制流动，它可以根据流动状态通过调节控制流量实现对流动的控制。

二、被动控制技术―弯、掠叶片

2.1叶片弯掠的定义

在弯掠叶片的发展历史上，不同的学者由于研究问题的角度不同，对叶片弯掠的定义也不尽相同。60 年代，Smith等人给出了一种经典的叶片弯掠的定义：如图 2-1，流动方向与叶展方向不垂直称为“掠”；展向叶片积迭线与端壁不垂直称为“弯”。叶型积迭轴定义为穿过每一叶型截面重心的曲线，用每个叶型截面的弦长组成的曲面代表叶型，这个面也代表在特定状态下沿叶展的主流方向，

绕叶片的流动由一个轴对称的锥形流面给出。通过位于积迭轴和流面交点设定Xp，Yp，Zp坐标系，其中，Xp轴为流面与叶型的相交线，Yp轴垂直于叶型表面，Zp轴与叶型相切。在该坐标系下，掠角φ定义为积迭轴与Zp轴的夹角，前掠则通过将端壁截面平行于弦向向来流方向平移获得；弯曲角ν定义为Yp轴与它在流面上投影的夹角，正弯通过将端壁截面沿垂直于弦向向升力方向平移获得。通过一定的变换关系，可以用安装角λ、流面锥角σ、轴向倾斜角ξ、切向倾斜角η表示掠角φ和弯曲角ν。

图1-1 Smith关于弯掠叶片的定义

2.2研究现状

关于弯叶片对压气机流动性能影响的研究，开始于比利时的Von Karma实验室。Breugelmans在 80 年代进行了在低展弦比平面扩压叶栅内采用倾斜和弯叶片的实验研究。所采用的叶型为NACA65 系列叶型，气流折转角达 45°，来流马赫数 0.1 左右。实验结果表明，正弯曲叶栅在参考进口附面层条件下，性能没有得到较大改善，但在+6°冲角和失速冲角范围内损失却明显降低。在参考附面层状态下，反弯叶片总压损失比常规叶栅有所降低。因此Breugelmans指出，正确的、适当的倾斜角的应用可改善端壁区域的流动，在中等冲角与失速冲角之间，叶展方向上的平均损失明显降低，其合适倾斜角为 15°。Shang的实验研究也有类似的发现：叶片的倾斜和弯曲都可以削弱角隅失速的发展，但若弯角过大加剧了低能流体向叶展中部的汇集，中部区域的流动损失的增加总量可能会超过端区损失减小的总量，而使弯叶片总损失增加。在压气机中应用弯曲叶片并取得卓有成效的实验结果的是Bogod和Weingold等人的工作。90 年代，Bogod 在中亚音速多级压气机中研究了六种不同弯曲型式的出口导叶栅，如图 2-2 和

2-3 所示。级的实验研究显示出对所有五种弯曲叶片级，总的气动特性都有所改善。对不同的正弯曲方案（改型 2，4，5，6），在优化的工况范围内，级效率提高 1.0%~1.5%；采用反弯曲叶片（改型 3）的级的效率在所有的特性范围内提高的最大值更是达到了 3%。而所有六种方案的级的稳定工作边界的位置基本相同。级特性的改变是由于沿叶高和弦向的气动负荷的再分配，正弯曲叶栅在平均半径处变得相对过载，顶部的速度分布得到改善，而反弯曲叶栅则相反。Weingold在一个三级实验压气机中，将第三列静叶设计为弯叶片，弯角为 30°、弯高在 20%~30%之间，在前缘增加了根部的弯曲度，主要是为适应弯叶片前缘根部的冲角变化。实验结果表明弯叶片上、下端壁角区分离得到消除，尾迹区总压分布表明角区损失明显降低，而中径处损失变化不大。整机实验证明在近失速工况点损失降低大约 0.04，但在设计点时损失并无太大变化，而在大流量工况点损失反而有所增加。随后Weingold将三列静叶都设计为弯叶片，其性能得到了显著改善，在所有流量工况下等熵效率普遍提高，设计工况时通流率上升 0.85%，静叶根部分离区明显缩小。

2-2 Bogod的静叶积迭线方案 2-3 级效率的变化

最早将弯和掠两种设计自由度综合考虑的是Gümmer和Wenger,并成功的将这种设计应用到发动机跨音速级静叶（BR710-ESS）上。单列静叶实验和数值结果表明，在保持进口马赫数不变的前提下，靠近堵塞点时，弯掠改型增压比明显大于直叶栅，损失下降 5%，且有 2°进口角的堵塞裕度；同样，在近失速点，弯掠组合优化叶栅的性能也明显强于直叶栅。到目前为止，在实际压气机中有很多的关于弯叶片成功应用的例子。PW公司的PW2037 高压压气机采用弯曲静叶后，在失速裕度未降低的条件下，效率提高 2%，达到 91.5%，显著改善了压气机性

能。由普·惠公司所属的F-119和PW4084 发动机静叶导流叶片中采用了弯叶片，经实验证明，静叶固壁面扩散损失减小，推力由 322KN提高到了397KN，收益非常可观。另外一个例子就是在由R.R、P.W、JAEC和MTU等公司共同研制的涡扇发动机V2500 中采用了端部弯转的可控扩散叶型。叶片端部弯转的叶型适用于低速环形附面层气流条件，可以减弱端区二次流和控制涡系的形成。实验结果表明，压气机效率提高 1%，同时高压压气机的喘振裕度扩大了近 6%。关于掠技术的应用，以GE公司PW公司和RR公司为代表的航空发动机起了重要作用，走在了掠技术的前沿，并拥有了各自的专利。早在 1984 年前后，美国GE公司就在其研制的最先进的E3发动机中采用了后掠、倾斜叶片，使高、低压气机中间过渡段的气动性能得到改善。到 1997 年，GE公司又首次展示,对于尖部受限的跨音速风扇，前掠不仅能提高效率，而且能增强工作稳定性，第一次在实际发动机中证明了前掠对失速裕度的改进。美国R·R公司的Gallimore等人利用弯掠两个自由度对动叶和静叶进行三维空间成型设计。在不降低喘振裕度、不减少叶片数、不降低叶展中部流动稳定性的前提下，数值模拟取得满意预测结果之后分别在低速、高速压气机上进行了实验研究，实验效果非常明显：低速压气机的最大效率提高2.1%，高速压气机的最大效率提高1.0%，且高速通流能力显著增加。

哈尔滨工业大学的王仲奇教授及其课题组继 80 年代深入研究弯叶片对涡轮性能的影响后，90 年代又开始了弯曲扩压叶栅的研究，并取得了许多研究成果。钟兢军教授等人采用NACA65 和CDA叶型，叶型折转角为 59.5°，在低速平面叶栅风洞上对常规直叶栅、25°正倾斜叶栅、25°上下对称正弯曲和反弯曲叶栅以及根部正倾斜 25°而顶部负倾斜 25°的S型弯曲叶栅进行了实验研究。结果表明，叶片正弯曲显著降低了端壁损失，消除角区分离。与直叶栅相比，正弯曲角为 20°时，可使叶栅总能量损失降低 16%左右。

北京航空航天大学的邹正平和陈懋章教授也研究了叶轮机叶片的弯扭及掠形等因素对叶片气动负荷分布的影响。基于线化的小扰动理论, 用解析方法对叶片三维造型各因素的位势影响进行了分析, 并用三维粘性数值模拟进行了验证。结果表明, 叶轮机叶片的弯扭和前缘掠形对叶片的负荷分布有重要的调节作用。周盛教授及其课题组开展了高负荷后掠风扇ATS-2 的研究。在分析了增压比大于 2 的轴流压气机跨音级关键设计技术的基础上，采取了小展弦比、适度后掠、

设计点双激波系的总体设计思想。实验结果证明，ATS-2的压比达到 2.2，绝热效率为 86.8%，喘振裕度大于 21% 三、主动控制技术―附面层抽吸轴流压气机自诞生起，就一直追求着更高的负荷。根据压气机加功原理，增加扭速即增加气流转折角是提高压气机负荷的途径之一，然而，在扩压叶栅中增大气流折转角则意味着附面层的加厚甚至分离，这造成了损失的增加。因此如何在提高负荷水平的同时降低压气机的流动损失，一直是国内外同行追求的目标。早在 1971 年，Loughery等人就研究了压气机叶栅中附面层抽气的影响，得到了抽气能明显改善叶栅气动性能的结论。但直到 1997 年才由Kerrebrock首次给出了附面层抽吸式压气机的概念。并通过理论分析指出：高熵流体每吸除 1%，可以使效率增加 0.5%。1998 年, Kerrebrock等人又提出了附面层抽吸式压气机的设计流程，并进一步指出：在通常情况下，采用附面层抽吸技术的压气机级是常规叶片级加功能力的2倍。这些研究表明，在一定圆周速度下，通过附面层吸气，可以大大提高级的压比，是一种具有广阔发展前景的压气机设计新概念。 3-1 流动控制静叶设计流动控制静叶设计如图 3-1 所示。其研究得到的结果是：在 1.6%控制流量栅后尾迹分布范围减小，尾迹中心向压力侧移动，尾迹起始点沿轴向后移了约12%轴向弦长；在这一控制流量，总压损失系数减小了约 65%；在 1%控制流量，气流偏转比基准设计增加了约 4.5°，但控制流量的增加并没有带来气流更大的偏转。由于这些研究组合应用了吸气和吹气，因而不能明确这两种流动控制方式中哪一种的效果更好，从对研究结果的分析来看，似乎吸气的作用更大且所需的控制流量更小。近年来，MIT 的研究人员对吸气式压气机进行了大量的研究，他们已经把吸气作为获得高作功能力压气机级的基本方法。1997 年，MIT 的研究小组利用准三维粘性和三维欧拉计算程序设计了叶尖切线速度分别为 700ft/s、1000ft/s 和 1500ft/s 的三个风扇级。通过附面层吸气，结果每个级的级压比分别达到 1.5、2.0 和 3.0，级效率分别为 0.94、0.92 和 0.87，同时做功量提高了一倍。1997 年，Reijnen在其博士论文中描述了在跨音速压气机级中利用边界层控制技术的实验研究结果。其结果表明，吸气导致边界层变薄，这有利于增加流动转角，得到更高的静压比。并且他还在动叶上观察到了旋转失速的延迟现象。到 1999 年，Merchant开发了MISES程序中的吸气模型（此模型假定吸气槽开在叶片表面），并且在一系列低速和跨音速叶栅上进行了吸气模型预测结果和实验数据的对比。2000 年，Schuler等人利用基于MISES的准三维程序设计分析了在设计和非设计工况下叶尖马赫数为0.7、压比为1.6的风扇级，并且通过实验论证了在低速叶片表面和端壁吸气的可行性。到 2001 年，Schuler成功进行了整个吸气级的实验，即在动静叶上都采取吸气。实验结果和设计目的非常一致，750ft/s的叶尖速达到了 1.59 的压比，预测的绝热效率达到了 89％。

上述研究结果表明在压气机叶栅中抽吸附面层能够增加叶片对气流的转折能力，提高压比和喘振裕度。在跨音和超音情况下，当抽吸附面层流体的位置恰好在压力迅速增加的区域之前，或在激波作用区域以及通常情况下位于叶片吸力面压力迅速升高的位置，能够获得压气机扩压能力的本质提高并进而在给定叶片速度的前提下提高每级的做功能力。此外，McCabe研究了抽吸对发动机效率的影响。Hathaway通过假定吸气和吹气能缓和端部气动阻塞趋势，然后结合最好的吸气和吹气结构提出了自循环叶顶处理概念。他研究了叶栅顶部失速的流动机理以及循环叶顶处理方法。研究结果表明，对高速跨音速动叶应用此方法能明显增加失速裕度而不减少效率。国内的研究人员也对附面层吸气技术作了一些研究和应用。1980 年，徐大懋院士首次提出了压气机叶片弦向割缝的思想，目的是要增加附面层内气体的动能，即使在气流流经叶片前后的转折角很大的情况下也能控制或延缓附面层内的分离。此后，鲁嘉华对这种技术进行了理论和实验研究，提出了在高负荷轴流式压气机弦向缝隙叶栅中确定弦向缝隙位置的数学模型，给出了弦向缝隙叶栅流场计算的方法，并通过风洞吹风实验论证了弦向缝隙叶栅的

良好气动特性。1988 年，陈矛章院士利用叶盆开槽技术控制了压气机叶栅附面层的流动，减少了叶栅损失，取得了良好的效果。1998 年，王新军等人对开有抽吸缝的平板叶片在不同抽吸条件下的流场进行了数值模拟，研究了叶片上的边界层和抽吸缝附近流场的流动特性，分析了抽吸缝进口处的压力与空心叶片内部压力的压差、缝隙宽度、缝隙与静叶表面的夹角以及气流速度对流场和边界层厚度的影响。从 2004 年起，哈尔滨工业大学的课题组也陆续展开了亚音速平面叶栅的抽吸实验，并将附面层抽吸和弯掠三维优化设计结合起来，提出了适合于大转角高负荷压气机叶栅的附面层混合控制方法

四、结束语

在压气机流动分离的控制方面，到目前为止很多实验和数值研究都表明了弯掠叶片对端壁角区的分离有着较为有效的控制作用。但由于各学者所采用的叶型不同，工况条件也不一样，因此得到的结果并不完全统一，在有些方面甚至出现了相互矛盾的结论，使得人们对弯掠叶片的作用机理认识不够全面，从而为设计增添了不定因素。而且，人们在研究弯掠叶片时，更多的是着眼于弯掠叶片的作用结果，即主要研究弯掠对损失、负荷以及失速裕度等“结果性”参数的影响，对流场细节如压力、速度以及附面层特征等“原因性”参数的探讨略显不足，而流场细节的变化才是导致叶栅性能变化的根本原因。因此我们说王仲奇教授基于叶栅表面静压分布提出的附面层迁移理论是第一次真正意义上阐述了弯叶片的作用机理。这一理论在解释涡轮弯叶栅和转角不太大，分离不严重的压气机弯叶栅都获得了重大成功。我们知道，附面层不仅具有迁移的性质，还可以以不同的形式发生分离，而不同的分离形态造成的掺混损失也有显著差别。相应的，弯掠叶片在不同分离形态下的作用机理需要进一步讨论。

最近十年来，通过抽吸附面层控制分离逐渐成为大转角、高负荷压气机设计的一个热点。这种方法通过在分离位置直接对附面层进行少量抽吸达到显著提高叶栅负荷水平的目的，是一种具有广阔发展前景的压气机设计新概念。但从已发表的文献看，主要都是通过选择在叶片上某些位置进行附面层抽吸来遏止吸力面的分离，而专门讨论端壁抽吸影响的研究尚不多见。另一方面，到目前为止，附面层抽吸对流场结构，尤其是在大折转角下对分离性态的影响还缺乏具体的研究，致使至今对附面层抽吸的气动机理认识不够，只能通过大量试验来寻求最佳吸气

位置和吸气量，造成很大的浪费。

五、参考文献

1. 蒋洪德. 美国高性能涡轮发动机技术(HPTET)计划介绍. 压气机文集,第一分册. 航空航天工业部航空科技情报研究所. 1989: 252-260 2. 方昌德. 航空发动机的发展前景. 航空发动机. 2004, 30(1): 1-5 3. 季路成, 陈江. 从 IHPTET 到 VAATE 的技术方向探析. 中国工程热物理学会热机气动热力学学术会议论文集. 2005, 论文编号: 052086

4. 江义军. 推重比 12~15 发动机技术途径分析. 航空动力学报. 2001.16(2): 103-107

5. 陈懋章. 风扇/压气机技术发展和对今后工作的建议. 航空动力学报.2002. 17(1): 1-15

6. 刘大响. 对加快发展我国航空动力的思考. 航空动力学报. 2001. 16(1):1-7 7. 方昌德. 流动控制技术在航空涡轮推进系统上的应用. 燃气涡轮试验与研究. 2003, 16(2): 1-6

8. 111 王仲奇, 苏杰先, 钟兢军. 弯曲叶片栅内减少能量损失机理研究的新进展.工程热物理学报. 1994, 15(2): 147-152

9. 王东. 叶片弯曲对压气机叶栅气动性能影响的实验研究. 哈尔滨工业大学工学博士学位论文. 2001: 1-12

10. 钟兢军, 王苇, 苏杰先, 王仲奇. 稠度对弯曲叶片压气机叶栅特性的影响.航空动力学报. 1997, 12(2): 163-166

11. 钟兢军, 苏杰先, 王仲奇. 压气机叶栅中应用弯曲叶片的研究. 航空动 12. 力学报. 1998, 13(1):7-12

13. 钟兢军, 苏杰先, 王仲奇. 压气机叶栅壁面拓扑和二次流结构分析. 工程热物理学报. 1998, 19(1):40-44

14. 王会社. 不同叶型和叶片积叠线及弯曲角对压气机叶栅流场的影响.哈尔滨工业大学工学博士学位论文. 2001: 1-4

15. 邹正平, 赵令德, 陈矛章等. 叶轮机叶片的三维造型及其对叶片气动负荷的影响. 航空动力学报. 1998. 13(3): 235-240

16. 单鹏, 桂幸民, 周盛等. 高负荷后掠风扇设计若干基本问题. 中国工程热

物理学会热机气动热力学学术会议论文集. 1998, 论文编号: 982030 17. 桂幸民. 压缩系统跨音进口级弯掠叶片空气动力学概述. 航空动力学报. 1995, 10(4): 407-411