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、