(1. 大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026；2. 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306； 3. 大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

引言

跨聲速壓氣機(jī)葉尖端壁處存在著復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，像激波與附面層、激波與泄漏渦之間的相互干涉，在近失速工況時(shí)，壓氣機(jī)背壓變高，激波強(qiáng)度變大，導(dǎo)致泄漏渦破碎，大量的低能流體堵塞流道，進(jìn)而引發(fā)失速。因此，為了進(jìn)一步提高壓氣機(jī)的工作穩(wěn)定性，在21世紀(jì)初，國(guó)外學(xué)者提出了一種新的機(jī)匣處理概念——自循環(huán)式機(jī)匣處理[1]，其原理是將壓氣機(jī)下游的高壓氣體引到壓力相對(duì)低的上游位置，通過(guò)噴氣來(lái)減少近失速工況下葉尖處低能流體的堆積程度，引氣量隨著壓氣機(jī)工況的變化而變化，兼顧了絕熱效率與失速裕度兩項(xiàng)指標(biāo)。

國(guó)外，SUDER等[2]對(duì)Rotor 35跨聲速軸流壓氣機(jī)進(jìn)行了離散式葉頂噴氣的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，數(shù)值模擬顯示葉頂噴氣通過(guò)降低動(dòng)葉葉尖處的負(fù)載能夠增加壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。HATHAWAY[1]通過(guò)CFD模擬驗(yàn)證了自循環(huán)式機(jī)匣處理概念模型，并能夠在擴(kuò)大失速裕度的同時(shí)，對(duì)壓氣機(jī)的效率產(chǎn)生非常小的損失。STRAZISAR等[3]首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了葉尖端壁氣流循環(huán)能夠延遲跨聲速壓氣機(jī)失速的發(fā)生，并對(duì)NASA Stage 35進(jìn)行了同步同等量的引氣與噴氣實(shí)驗(yàn)，探究了不同的噴氣溫度對(duì)壓氣機(jī)性能的影響以及多級(jí)壓氣機(jī)中恒量穩(wěn)定噴氣和變量不穩(wěn)定噴氣分別對(duì)壓氣機(jī)產(chǎn)生的效果。WEICHERT等[4]以低速壓氣機(jī)級(jí)為研究對(duì)象，對(duì)抽吸孔形狀、抽吸位置、循環(huán)回路數(shù)量等因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了擴(kuò)穩(wěn)效果相對(duì)好的自循環(huán)機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)，楚武利、張皓光等[5-7]針對(duì)亞聲速和跨聲速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了自循環(huán)機(jī)匣處理的研究，探究了不同數(shù)目、不同位置的自循環(huán)裝置對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的影響，分析了端壁自循環(huán)式流通方式對(duì)壓氣機(jī)葉頂區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，論述了其改善壓氣機(jī)性能的機(jī)理。李繼超等[8-9]分別對(duì)低速單級(jí)軸流壓氣機(jī)以及跨聲速軸流壓氣機(jī)進(jìn)行了自循環(huán)噴氣實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：自循環(huán)機(jī)匣處理裝置能夠有效拓寬跨聲速壓氣機(jī)的失速裕度，并且能夠略微提高壓氣機(jī)的效率。

現(xiàn)今對(duì)自循環(huán)式機(jī)匣處理的作用、機(jī)理均有研究，對(duì)于噴氣位置[1,4,6]也有一定研究，但是很少有在整級(jí)的環(huán)境下對(duì)自循環(huán)機(jī)匣處理進(jìn)行研究，另外本研究的自循環(huán)機(jī)匣處理裝置設(shè)計(jì)形狀也與其不同，探究不同噴氣位置因素的影響以及自循環(huán)機(jī)匣處理作用機(jī)理的研究，可以為自循環(huán)機(jī)匣的設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象與數(shù)值方法

1.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為典型高負(fù)荷跨聲速軸流壓氣機(jī)Stage 37。Stage 37具有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)也一直廣泛用于CFD數(shù)值程序校核，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 Stage 37的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

自循環(huán)式機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考了HATHAWAY[1]提出的自循環(huán)機(jī)匣處理設(shè)計(jì)概念，結(jié)合了李繼超等[8-9]關(guān)于自循環(huán)機(jī)匣處理引氣方向的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，采用逆流引氣的方式，引氣槽道為漸縮流道，槽道中心線與軸向方向線段的夾角約為69°，同時(shí)由于自循環(huán)機(jī)匣處理裝置的設(shè)計(jì)目的，是為了利用噴射的高速氣流減少葉尖端壁處低能流體團(tuán)的堆積，所以噴氣部分設(shè)計(jì)為收斂加速型槽道，槽道中心線與軸向方向線段的夾角大約為30°。本研究以噴氣位置在轉(zhuǎn)子前緣上游處的機(jī)匣處理SR1為基準(zhǔn)，將橋道的長(zhǎng)度依次縮小3 mm，機(jī)匣處理分別命名為SR2、SR3、SR4。圖1為上述四種自循環(huán)機(jī)匣處理(下文統(tǒng)一使用機(jī)匣處理代替)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為SR1機(jī)匣處理的整體結(jié)構(gòu)圖，4種機(jī)匣處理的噴氣部分相同或相似，引氣部分保持不變，引氣口位于轉(zhuǎn)子尾緣下游大約為16%葉尖軸向弦長(zhǎng)處的機(jī)匣面上，橋道底部與葉尖前緣點(diǎn)的距離為34%的轉(zhuǎn)子前緣葉高高度，橋道的厚度為4%葉片前緣葉高高度。

圖1 不同噴氣位置機(jī)匣處理示意圖

圖2 SR1機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)示意圖

4種機(jī)匣處理裝置具體的參數(shù)如表2所示，其中D為噴氣口與葉尖前緣之間的軸向距離 (用葉尖軸向弦長(zhǎng)無(wú)量綱化)，L1，L2，L3分別代表引氣口、橋道及噴氣口的軸向長(zhǎng)度。(用葉尖軸向弦長(zhǎng)無(wú)量綱化)，θ為對(duì)應(yīng)部分的周向?qū)挾取?/p>

1.2 數(shù)值方法

數(shù)值計(jì)算采用商業(yè)CFD計(jì)算軟件ANSYS CFX，它基于有限元的有限體積法對(duì)Navier-Stokes方程的三維雷諾平均型式進(jìn)行雙精度求解。Stage 37的幾何構(gòu)建與網(wǎng)格劃分使用ANSYS CFX中的TurboGrid模塊完成，近壁面及前尾緣處進(jìn)行了加密以提高計(jì)算精度，網(wǎng)格總數(shù)約為170萬(wàn)。圖3為在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、最高效率工況下，數(shù)值模擬得到的等熵效率η*以及總壓比π*與網(wǎng)格數(shù)G的關(guān)系圖，從圖中可以得出，實(shí)壁機(jī)匣為170萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)的時(shí)候，壓氣機(jī)相關(guān)參數(shù)幾乎就不再變化了，因此，符合數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。

圖3 特征參數(shù)與網(wǎng)格數(shù)的關(guān)系(100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，最高效率工況)

表2 4種機(jī)匣處理主要幾何參數(shù)

沿圓周方向均勻布置了36個(gè)機(jī)匣處理裝置，以便能夠進(jìn)行單通道計(jì)算，整體計(jì)算網(wǎng)格數(shù)約為175萬(wàn)，如圖4所示。

圖4 SR1機(jī)匣處理的整體網(wǎng)格圖

本研究給定進(jìn)口總溫為288.2 K，進(jìn)口總壓為0.101325 MPa，出口給定靜壓，壁面采用絕熱無(wú)滑移邊界條件， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速17188 r/min， 所有計(jì)算均從堵塞點(diǎn)開始，通過(guò)逐漸增加背壓來(lái)逼近失速點(diǎn)，數(shù)值失速前的最后一個(gè)收斂解為數(shù)值失速邊界點(diǎn)， 在最高效率點(diǎn)和近失速邊界點(diǎn)降低了背壓增加的幅度，同時(shí)在近失速點(diǎn)附近增加計(jì)算的步長(zhǎng)，盡可能準(zhǔn)確地獲得最高等熵效率點(diǎn)和近失速邊界點(diǎn)， 這是目前壓氣機(jī)判斷失穩(wěn)廣泛采用的方法[10-12]。數(shù)值模擬計(jì)算采用定常計(jì)算，空間離散格式采用高分辨率格式，收斂的均方根殘差值定為10-8，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性，圖5給出了 Stage 37在100%，70%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，本研究數(shù)值計(jì)算的特性曲線(Cal)與文獻(xiàn)[13]中的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果(Exp)以及數(shù)值計(jì)算結(jié)果(Cal-ref)的對(duì)比，其中m為壓氣機(jī)進(jìn)口流量(用實(shí)壁機(jī)匣堵塞流量無(wú)量綱化)，η*為等熵效率，π*為總壓比。數(shù)值計(jì)算得到的級(jí)總壓比及等熵效率與試驗(yàn)結(jié)果有所偏差；70%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，數(shù)值模擬的結(jié)果在量值上要低于試驗(yàn)結(jié)果；100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，數(shù)值模擬的特性曲線相較于試驗(yàn)的特性曲線在流量范圍上整體左移。但70%及100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，模擬的特性曲線的整體的趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果較為一致，同時(shí)與文獻(xiàn)[13]中的計(jì)算結(jié)果相比較，無(wú)論是壓氣機(jī)運(yùn)行的流量范圍還是特性線整體的變化趨勢(shì)，本研究的數(shù)值模擬結(jié)果都與試驗(yàn)值更為接近。因此，雖然數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較存在以上偏差，但總體而言，本研究數(shù)值計(jì)算能夠較好地反映出Stage 37不同轉(zhuǎn)速時(shí)氣動(dòng)性能的變化趨勢(shì)，因此可以用來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)匣處理對(duì)Stage 37氣動(dòng)性能的影響。

圖5 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果特性曲線的對(duì)比

2 計(jì)算結(jié)果分析與討論

2.1 機(jī)匣處理數(shù)值結(jié)果分析

圖6為SW實(shí)壁機(jī)匣與4個(gè)不同噴氣位置的機(jī)匣處理的總性能曲線，其中m為壓氣機(jī)進(jìn)口流量(用實(shí)壁機(jī)匣堵塞流量無(wú)量綱化)，η*為等熵效率，π*為總壓比。與實(shí)壁機(jī)匣相比，機(jī)匣處理的等熵效率值略微大于實(shí)壁機(jī)匣，總壓比要略微小于實(shí)壁機(jī)匣，不同位置的機(jī)匣處理均使得壓氣機(jī)失速邊界線左移。接下來(lái)為了定量分析機(jī)匣處理對(duì)Stage 37的失速裕度的影響，本研究采用了NASA公布的標(biāo)準(zhǔn)的壓氣機(jī)失速裕度(Sm)的定義。

(1)

式中,π為壓氣機(jī)總壓比；m為轉(zhuǎn)子流量，下標(biāo)stall代表近失速工況；ηmax代表最高效率工況。

ΔSm=Sm-SR-Sm-SW

(2)

式中，ΔSm為機(jī)匣處理相對(duì)于實(shí)壁機(jī)匣的失速裕度改進(jìn)量，式中Sm-SR為機(jī)匣處理的失速裕度，Sm-SW為實(shí)壁機(jī)匣的失速裕度。按照式(1)與式(2)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)壁機(jī)匣與不同位置機(jī)匣處理的失速裕度以及機(jī)匣處理

圖6 不同機(jī)匣處理的總性能曲線(100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速)

相對(duì)于實(shí)壁機(jī)匣的失速裕度改進(jìn)量，如表3所示。

表3 失速裕度及改進(jìn)量 %

從表3可以看出，4種機(jī)匣處理對(duì)Stage 37壓氣機(jī)的失速裕度都有一定的提升，同時(shí)，不同的噴氣位置之間對(duì)于壓氣機(jī)失速裕度的改進(jìn)量差別較小，其中位于葉尖前緣上游處的SR1機(jī)匣處理失速裕度改進(jìn)量相對(duì)最大，而葉尖前緣附近處的SR3機(jī)匣處理失速裕度改進(jìn)量次之，這與文獻(xiàn)[7]中對(duì)于跨聲速轉(zhuǎn)子Rotor 67的3種不同噴氣位置的數(shù)值模擬結(jié)果不同，其數(shù)值模擬結(jié)果顯示噴氣位置在葉尖前緣附近時(shí)，失速裕度改進(jìn)量為13.43%左右，擴(kuò)穩(wěn)效果最好，噴氣位置在葉尖前緣上游處的失速裕度改進(jìn)量為2.72%，擴(kuò)穩(wěn)效果最差。接下來(lái)對(duì)造成上述差別的原因以及機(jī)匣處理的作用機(jī)理進(jìn)行探究分析。

2.2 自循環(huán)機(jī)匣處理的作用機(jī)理分析

圖7為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下SW實(shí)壁機(jī)匣最高效率工況和近失速工況以及4種不同噴氣位置的機(jī)匣處理的99%葉高的相對(duì)馬赫數(shù)云圖，其中SR1，SR2，SR3，SR4機(jī)匣處理進(jìn)口流量近似相等于實(shí)壁機(jī)匣近失速點(diǎn)進(jìn)口流量。對(duì)于實(shí)壁機(jī)匣，最大等熵效率工況時(shí)轉(zhuǎn)子通道內(nèi)近葉尖區(qū)域流動(dòng)較為順暢，同時(shí)因?yàn)榇藭r(shí)壓氣機(jī)逆壓梯度較低，葉尖泄漏渦強(qiáng)度及通道激波的強(qiáng)度都相對(duì)較弱，葉尖泄漏渦在葉片前緣附近產(chǎn)生并順利通過(guò)通道激波，在靜葉葉片通道內(nèi)，來(lái)自動(dòng)葉的氣體在其內(nèi)部減速擴(kuò)壓，達(dá)到壓氣機(jī)增壓的目的。SW實(shí)壁機(jī)匣在近失速工況時(shí)，隨著壓氣機(jī)負(fù)荷的增強(qiáng)，通道激波的強(qiáng)度增大并在葉片前緣脫體，葉尖泄漏渦與通道激波強(qiáng)烈作用后，在其影響下激波形狀發(fā)生扭曲，激波后面靠近相鄰葉片的壓力面區(qū)域出現(xiàn)了大面積的低速區(qū)。這是由于激波/葉尖泄漏渦干涉后葉尖泄漏渦發(fā)生破碎導(dǎo)致的大面積的低速區(qū)，這些低能流體使葉尖區(qū)的流道變窄，導(dǎo)致進(jìn)口氣體很難通過(guò)葉尖區(qū)流道，從而引發(fā)葉尖區(qū)堵塞，是引發(fā)失速的重要因素。另外，在葉片吸力面的近尾緣區(qū)以及激波作用的吸力面區(qū)存在著附面層分離現(xiàn)象。與實(shí)壁機(jī)匣近失速工況相比較，SR1，SR2， SR3， SR4機(jī)匣處理在葉尖泄漏渦破碎區(qū)以及近尾緣區(qū)都有著低速氣體區(qū)的存在，其中葉尖泄漏渦破碎造成的低速區(qū)的面積都得到了減小， 但葉尖前緣附近的SR3機(jī)匣處理作用效果最明顯，這與文獻(xiàn)[13]的結(jié)論相同。而對(duì)于葉片吸力面附近，SR2機(jī)匣處理在吸力面與激波作用位置沒(méi)有發(fā)生附面層的分離，SR3機(jī)匣處理吸力面附面層發(fā)生了大面積的分離，四種機(jī)匣處理在同樣的流量條件下，SR3機(jī)匣處理葉尖區(qū)域引發(fā)堵塞的方式與與其他3種有很大差別，這是造成SR3機(jī)匣處理最終擴(kuò)穩(wěn)效果不好的關(guān)鍵原因。接下來(lái)對(duì)四種機(jī)匣處理的葉尖流場(chǎng)做進(jìn)一步的探究及分析。

圖7 S1面99%葉高處相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖(100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速)

轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流與來(lái)流相交時(shí)，存在著一種“力量”的對(duì)比[14-15]，這種“力量”可以通過(guò)氣流的動(dòng)量強(qiáng)弱來(lái)體現(xiàn)，當(dāng)間隙泄漏流動(dòng)量較小時(shí)，來(lái)流與間隙泄漏流相交后，在流經(jīng)激波時(shí)不易發(fā)生泄漏渦破碎現(xiàn)象；反之，間隙泄漏流動(dòng)量較大時(shí)，來(lái)流與間隙泄漏流相交后，動(dòng)量減小，經(jīng)過(guò)激波作用，容易出現(xiàn)渦破碎現(xiàn)象。而對(duì)于機(jī)匣處理而言，噴氣口噴出的氣體可以改變?nèi)~尖泄漏流與來(lái)流之間的動(dòng)量的對(duì)比。圖8為轉(zhuǎn)子葉頂間隙流線分布圖，4種機(jī)匣處理的進(jìn)口流量近似等于SW實(shí)壁機(jī)匣近失速工況進(jìn)口流量，SW實(shí)壁機(jī)匣以及4種機(jī)匣處理的葉尖泄漏渦在經(jīng)過(guò)激波時(shí)都出現(xiàn)了不同程度的破碎現(xiàn)象，其中SW實(shí)壁機(jī)匣膨脹破碎現(xiàn)象最嚴(yán)重，SR3機(jī)匣處理膨脹破碎程度最小。從圖中可以看到，SR3機(jī)匣處理噴氣口噴出的高速氣體，直接作用在了激波與泄漏渦相互作用位置處，有效的提高了其附近主流的軸向動(dòng)量，增強(qiáng)了主流裹挾間隙泄漏渦通過(guò)激波的能力，在泄漏渦通過(guò)激波時(shí)，出現(xiàn)了較小的破碎現(xiàn)象，并在一定程度上保持了其旋轉(zhuǎn)集中的狀態(tài)，這說(shuō)明噴氣經(jīng)過(guò)短暫加速后作用在激波與泄漏渦相互作用處時(shí)，對(duì)主流的“力量”的增強(qiáng)效果最好，在繼續(xù)向下游移動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)不斷卷吸周圍的氣體，會(huì)誘導(dǎo)通道內(nèi)葉片吸力面附近的氣體向相鄰葉片壓力面方向偏離，同時(shí)在通道內(nèi)部大的逆壓梯度的作用下，葉片吸力面附面層發(fā)生分離，與泄漏渦破碎產(chǎn)生的低速氣體區(qū)的共同作用下，大量低速氣體團(tuán)堵塞葉尖處流道。SR1機(jī)匣處理，噴氣口噴出的高速氣體在向下游流動(dòng)的過(guò)程中，偏離了泄漏流/激波相互作用位置，導(dǎo)致了對(duì)激波/泄漏渦作用處的主流軸向動(dòng)量的增加效果不明顯，泄漏渦出現(xiàn)破碎，造成低速氣體團(tuán)堵塞葉尖處流道。SR2機(jī)匣處理噴氣口噴出的高速氣體在葉片壓力面附近流動(dòng)的過(guò)程中，大部分被卷吸進(jìn)入葉尖泄漏渦中，提高了泄漏渦的軸向速度，相當(dāng)于增加了主流的軸向動(dòng)量，但隨著泄漏渦向下游流動(dòng)的過(guò)程中，軸向速度會(huì)逐漸減小，導(dǎo)致主流不能順利裹挾著泄漏渦通過(guò)激波，葉尖泄漏渦出現(xiàn)破碎，同樣造成了大面積的低速區(qū)堵塞葉尖處通道。SR4中噴氣位置與泄漏渦/激波相互作用位置最接近，但導(dǎo)致了SR4機(jī)匣處理流出的氣體受到了泄漏渦的抑制作用，同時(shí)由于噴氣位置與泄漏渦的位置距離較近，噴出的氣體沒(méi)有得到充分的加速，沒(méi)有有效增強(qiáng)激波/泄漏渦相互作用位置處主流的軸向動(dòng)量，導(dǎo)致泄漏渦在通過(guò)激波時(shí)膨脹破碎程度大，產(chǎn)生大量低速氣體，在壓氣機(jī)葉尖處形成堵塞。4種機(jī)匣處理泄漏渦通過(guò)激波時(shí)產(chǎn)生了不同程度的破碎，但相較于實(shí)壁機(jī)匣，泄漏渦破碎的程度變小，因此機(jī)匣處理能夠通過(guò)增加主流的軸向動(dòng)量來(lái)抑制泄漏渦破碎的程度，進(jìn)而減小其產(chǎn)生的低能流體團(tuán)的面積。

圖8 轉(zhuǎn)子葉頂間隙流線分布圖(100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速)

接下來(lái)選用實(shí)壁機(jī)匣(近失速工況)以及擴(kuò)穩(wěn)效果最好的SR1機(jī)匣處理進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步論述機(jī)匣處理的作用機(jī)理，其中SW實(shí)壁機(jī)匣與SR1機(jī)匣處理進(jìn)口流量近似相等(下同)，圖9為實(shí)壁機(jī)匣與SR1機(jī)匣處理總壓損失系數(shù)云圖。這里總壓損失系數(shù)Cp定義為:

(3)

式中,pinlet為進(jìn)口截面的平均相對(duì)總壓；pt為葉片通道內(nèi)任一點(diǎn)的氣流相對(duì)總壓。從總壓損失系數(shù)云圖中可以看出，實(shí)壁機(jī)匣的葉頂通道在第5截面到第9截面處有大面積的高總壓損失區(qū)存在，其中6，7截面的高總壓損失區(qū)的周向范圍幾乎覆蓋了整個(gè)葉片頂部通道，其徑向的損失區(qū)范圍也很大。相較于實(shí)壁機(jī)匣，機(jī)匣處理高總壓損失區(qū)的范圍減小至第6截面至第8截面，且總壓的損失強(qiáng)度明顯減弱。在第1截面至第7截面靠近吸力面處，存在較低的總壓損失系數(shù)帶，這是由于高速噴射流形成，噴氣口噴出的高速氣體具有比壓氣機(jī)進(jìn)口氣體高的相對(duì)總壓，根據(jù)定義可知該范圍損失系數(shù)很小。因此，機(jī)匣處理噴出的高速射流能夠清除葉頂通道處的低相對(duì)總壓氣體，有效遏制葉頂通道內(nèi)低能氣體團(tuán)的堆積。

圖9 轉(zhuǎn)子通道相對(duì)總壓損失系數(shù)云圖(100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速)

圖10為實(shí)壁機(jī)匣與SR1機(jī)匣處理的氣流進(jìn)氣角以及進(jìn)口軸向速度的分布圖(沿圓周方向進(jìn)行周向質(zhì)量平均)，其中α為進(jìn)氣角，vz為軸向速度，S為葉展方向(用葉片高度無(wú)量綱化)。為了方便比較兩圖中的曲線，僅列出了動(dòng)葉葉片中上部分的曲線分布。在圖10中可以看到，在葉片中上區(qū)域，相同葉高時(shí)實(shí)壁機(jī)匣的進(jìn)氣角沒(méi)有帶機(jī)匣處理裝置的大，這就意味著實(shí)壁機(jī)匣的攻角比機(jī)匣處理大，這會(huì)使氣流容易在葉片吸力面處發(fā)生分離，形成堵塞，噴氣口噴出的氣流與葉頂進(jìn)口主流的相互作用結(jié)果使得進(jìn)口氣流軸向速度提高，進(jìn)而減少攻角。從圖10中還可以看出，噴氣影響進(jìn)口流場(chǎng)的范圍主要集中在95%～100%葉高之間，在其范圍內(nèi)，沿著葉高的增加，噴氣對(duì)葉頂流動(dòng)狀況的改善效果是先增強(qiáng)后減小。

圖10 進(jìn)氣角、進(jìn)口軸向速度分布圖(100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速)

3 結(jié)論

論文針對(duì)Stage 37葉片，開展了4種不同噴氣位置的自循環(huán)機(jī)匣處理的數(shù)值研究，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，4種機(jī)匣處理都能夠?qū)崿F(xiàn)不降低壓氣機(jī)的效率的情況下，有效提升壓氣機(jī)的失速裕度；

(2) 4種不同噴氣位置的機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)效果差別較小，其中，葉尖前緣上游的機(jī)匣處理SR1擴(kuò)穩(wěn)效果相對(duì)最好，SR2機(jī)匣處理噴出的氣體被卷入葉尖泄漏渦中，作用效果減弱，噴氣位置在葉尖前緣附近的機(jī)匣處理SR3對(duì)葉尖區(qū)域泄漏渦破裂導(dǎo)致的堵塞流體團(tuán)的削弱作用最強(qiáng)，但會(huì)引發(fā)動(dòng)葉吸力面附面層發(fā)生大的分離，葉尖前緣下游的SR4機(jī)匣處理會(huì)受到泄漏渦破碎導(dǎo)致的低速氣體團(tuán)的抑制作用，擴(kuò)穩(wěn)效果最弱；

(3) 機(jī)匣處理噴出的高速射流能夠通過(guò)增加主流的軸向動(dòng)量來(lái)抑制泄漏渦的破碎程度，同時(shí)清除葉頂通道處的低相對(duì)總壓氣體，有效遏制葉頂通道內(nèi)低能氣體團(tuán)的堆積，增大通道的通流能力，進(jìn)而提高了壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度，其影響范圍主要集中在動(dòng)葉葉片的中上部分，其中在葉尖附近處的作用效果最好。