摘要：在微型渦扇發(fā)動機中，由于發(fā)動機尺寸的減小，風扇中以葉尖泄漏渦系為主的流動損失問題較為突出，影響了風扇的穩(wěn)定工作范圍。采用一種被動式非定常流動控制方式，即機匣開孔并通過自循環(huán)引氣方式實現(xiàn)非定常激勵來改善風扇葉尖流場；通過CFD數(shù)值模擬的方法研究激勵頻率與激勵強度等主要激勵參數(shù)對控制效果的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：當激勵頻率為泄漏渦主頻時能得到最佳的擴穩(wěn)效果；在有效的控制方案下，激勵流量僅為主流的0.06%時，可使壓氣機綜合穩(wěn)定裕度提升31%，同時峰值效率只損失0.37個百分點，為高性能微型渦扇發(fā)動機的發(fā)展探索了道路。

關(guān)鍵詞：自循環(huán)機匣處理；非定常流動控制；激勵參數(shù)；微型軸流風扇；微型渦扇發(fā)動機

中圖分類號：V231.3文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0196-05

Abstract：Due to the reduction of micro turbofan engine size， the flow loss mainly caused by tip leakage vortex in the fan is quite serious， which affects the stable working range of the fan. A passive unsteady flow control method is adopted， namely， unsteady excitation is realized through casing opening and self-circulation air entraining to improve the fan tip flow field. The influence law of major excitation parameters such as excitation frequency and intensity on the control effect is studied by CFD numerical simulation. The results show that the optimal stability expansion effect can be obtained when the excitation frequency is the main frequency of the leakage vortex. With the effective control scheme， when the excitation flow rate is only 0.06% of the main flow rate， the compressor's comprehensive stability margin can be increased by 31%， and the peak efficiency can only lose 0.37 percent point， which explores the way for the development of high performance micro turbofan engine.

Keywords：self-circulating casing processing; unsteady flow control; excitation parameter; micro axial flow fan; miniature turbofan engine

0引言

近年來，隨著航空宇航科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各類無人機、微小型無人設(shè)備受到各個國家的重視［1-2］，在軍事與民用領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。微型渦扇發(fā)動機作為微型無人設(shè)備的動力裝置，相比于渦噴、渦漿發(fā)動機在耗油率、推重比等方面具有顯著的優(yōu)勢，極具發(fā)展?jié)摿?。壓氣機轉(zhuǎn)子由于葉尖間隙的存在，在葉頂區(qū)域會產(chǎn)生復(fù)雜的渦系結(jié)構(gòu)［3］。隨著發(fā)動機尺寸的減小，會使得葉頂間隙占流通截面的比例增大，增大了相對葉頂間隙，帶來更大的葉頂泄漏損失，并且降低了風扇/壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。因此，為了改善其氣動性能，采用有效的流動控制方式十分必要。自循環(huán)機匣處理作為一種流動控制方式能夠有效地控制流動分離［4-6］，改善氣動性能；非定常流動控制作為當前流動控制技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域［7］，得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注與研究［8-9］?，F(xiàn)有針對軸流轉(zhuǎn)子的流動控制方法在拓寬穩(wěn)定工作范圍的同時勢必伴隨一定程度的效率損失，而對于微型轉(zhuǎn)子的流動控制研究則較為缺乏。

本文以本課題組設(shè)計的微型渦扇發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子為研究對象，采用一種自循環(huán)被動式周期激勵機匣的非定常流動控制方法對葉尖流場進行調(diào)控，探索激勵頻率、激勵強度等控制參數(shù)對微型風扇轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作范圍的影響。

1研究對象及數(shù)值方法

1.1研究對象

本文研究對象為本課題組設(shè)計的微型渦扇發(fā)動機的風扇轉(zhuǎn)子，表1給出了該風扇轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)，風扇轉(zhuǎn)子模型如圖1所示。

1.2微型風扇轉(zhuǎn)子計算方法及驗證

本文數(shù)值研究中網(wǎng)格劃分采用Numeca軟件包中的Autogrid5模塊自動生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并采用默認的Default拓補結(jié)構(gòu)。對近壁面及葉片前緣、尾緣網(wǎng)格進行加密處理，壁面第一層網(wǎng)格厚度設(shè)置為3×10-6m以保證劃分網(wǎng)格時y+＜10。圖2為單通道風扇計算域網(wǎng)格。

本文數(shù)值模擬采用Fine/Turbo求解圓柱坐標系下雷諾平均N-S方程組，湍流模型為Spallart-Almaras單方程模型，并選用理想氣體模型。定常數(shù)值計算采用二階中心差分有限體積法將控制方程進行離散。非定常計算中時間步長取為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個柵距所用時間的1/30，即2.666 666×10-6s，每個時間步內(nèi)進行30次迭代。單通道出口采用背壓邊界條件，通過不斷減小背壓值，實現(xiàn)工作點從堵塞點到小流量邊界點的移動。

為避免網(wǎng)格尺度對數(shù)值計算結(jié)果的影響，本文選用3套網(wǎng)格G1—G3，網(wǎng)格數(shù)分別為120萬、150萬、208萬進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，在保證計算精度的前提下盡量節(jié)約計算資源。表2展示了設(shè)計點3套網(wǎng)格的絕對總壓比。結(jié)果表明：G2與G3的絕對總壓誤差小于1%，滿足無關(guān)性要求，故后文均采用G2網(wǎng)格進行研究。

1.3自循環(huán)周期激勵機匣流動控制方法及計算網(wǎng)格劃分

本文所使用的非定常流動控制方法是來源于本課題組所提出的一種通過在機匣開孔的方式實現(xiàn)非定常激勵葉尖渦系的控制思路，即通過葉輪與機匣間的相對運動，在機匣上設(shè)置周向間隔的激勵源，將相對于機匣為定常的抽吸或者射流轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ谌~片的非定常激勵。

本文所采用的自循環(huán)周期激勵機匣在此機匣開孔控制思路的基礎(chǔ)上，考慮到氣流經(jīng)過風扇轉(zhuǎn)子后的靜壓增高，在風扇轉(zhuǎn)子后靜壓較高處開抽吸槽，并通過穩(wěn)壓腔將高壓氣體引致前緣開孔處，形成自循環(huán)流路。該種控制方法的激勵驅(qū)動力來自于流場內(nèi)部，不依賴外界大氣環(huán)境，屬于被動控制，具體結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

本文自循環(huán)周期激勵機匣處理網(wǎng)格通過Numeca軟件中的Autogrid模塊，在前文轉(zhuǎn)子網(wǎng)格的基礎(chǔ)上使用ZR EFFECT功能建立自循環(huán)機匣模型以及進行H型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成。自循環(huán)機匣的網(wǎng)格轉(zhuǎn)子網(wǎng)格采用完全非匹配（FNM）將網(wǎng)格進行連接， FNM能將兩個的網(wǎng)格進行相連而不用考慮兩側(cè)網(wǎng)格的匹配問題，但這必須保證FNM兩側(cè)計算域的求解坐標系一致。計算網(wǎng)格如圖4所示。

考慮到實際機匣開孔的工作過程，孔與葉片的相對位置會因轉(zhuǎn)動而發(fā)生變化，即自循環(huán)機匣處在靜止坐標系下求解，而轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)坐標系下求解。由于二者求解的坐標系不同，但又需使用FNM進行網(wǎng)格的連接，故采用在孔的計算域與轉(zhuǎn)子葉尖之間增加兩個間隙薄層（Gap1和Gap2）的方式來實現(xiàn)，已有學(xué)者［10］采用該種處理方式，并驗證了其可行性。本文轉(zhuǎn)-靜交界面邊界條件處理如圖5所示。

2結(jié)果與討論

2.1激勵頻率的影響

為了探究激勵頻率對于非定常流動控制的影響，首先對風扇原流場的泄漏渦頻率進行分析。通過在風扇葉尖設(shè)置靜壓監(jiān)測點并將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)快速傅里葉變換（FFT）得到壓力頻譜圖，如圖6所示。參照前人對于泄漏渦頻率的分析研究，在風扇98%葉高截面，在壓力面沿弦長布置了靜壓測點。圖7給出靜壓測點分布，并給出對應(yīng)位置編號。結(jié)果表明，各點捕捉到的泄漏渦主頻為5 619Hz，而壓氣機的葉片掃掠頻率（blade pass frequency，BPF）為12 500Hz，該風扇轉(zhuǎn)子泄漏渦主頻約為0.45倍葉片掃掠頻率，即以泄漏渦主頻為激勵頻率可以通過兩通道開一孔實現(xiàn)，以泄漏渦頻率的二倍頻作為激勵頻率可以通過兩通道開兩孔實現(xiàn)。

圖8給出了施加不同激勵頻率的流動控制以及無控狀態(tài)下的壓氣機特性曲線。圖中NC對應(yīng)實壁機匣。從圖中可以觀察到，兩種不同激勵頻率非定常控制方案的失速點流量相比于無控狀態(tài)均有所降低，穩(wěn)定裕度均有所提高。主頻F=1以及二倍頻F=2控制方案的綜合穩(wěn)定裕度分別為11.1%和9.9%。相比于無控狀態(tài)，綜合穩(wěn)定裕度分別提升了39%與24%，即主頻的擴穩(wěn)效果要好于二倍頻，這說明在相同的激勵強度下，以主頻作為激勵頻率對于流場有較好的改善效果。此外，無控狀態(tài)的峰值效率為87.8%，控制效果更好的主頻方案峰值效率為87.27%，施加控制后峰值效率下降了0.53個百分點，與被動式機匣處理相比，該種非定常的控制方法用較小的效率損耗換來了較大的穩(wěn)定裕度提升，較好地調(diào)和了擴穩(wěn)效果與效率損耗之間的矛盾。

為了進一步探究激勵頻率對于流動控制的作用機制，對98%葉高截面的靜壓進行了分析，如圖9所示。從圖中可知，相比于實壁機匣，采用自循環(huán)周期性激勵機匣后，葉片前緣的靜壓差有所降低，說明了該種被動式非定常激勵的控制方法可以通過降低靜壓差來削弱泄漏流強度，進而改善葉頂區(qū)域流場。此外，以主頻作為激勵頻率相比于二倍頻，葉尖前緣的靜壓差更低，且將通道激波向下游推動，起到了拓寬穩(wěn)定裕度的作用。

圖10為 98%葉高截面的相對馬赫數(shù)云圖。從圖中可以觀察到，采用自循環(huán)周期激勵機匣后，風扇轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域的低速阻滯區(qū)域向葉片吸力面靠近，對于葉頂流場的阻滯作用得到了改善，流通能力得到了加強。以主頻作為激勵頻率相比于二倍頻對于流場的調(diào)控作用更強，印證了前文以泄漏渦主頻激勵的擴穩(wěn)效果更強的結(jié)論。

2.2激勵強度的影響

為了進一步研究激勵強度對流動控制效果的影響，選取上文研究所得的最佳激勵頻率即泄漏渦主頻作為激勵頻率，保持抽吸槽的位置和面積不變，通過改變射流孔的面積，實現(xiàn)不同的激勵強度。圖11給出了不同激勵強度的自循環(huán)機匣處理與實壁機匣性能的對比情況。圖中small對應(yīng)較小激勵強度方案，激勵流量約為主流流量的0.06%；large對應(yīng)較大激勵強度方案，激勵流量約為主流流量的0.15%。由圖11可以看出，較小激勵強度方案以及較大激勵強度方案的綜合穩(wěn)定裕度分別為10.4%和11.1%。相比于無控狀態(tài)，綜合穩(wěn)定裕度分別提升了31%與39%。此外，較小激勵強度方案的等熵效率要略高于較大激勵強度方案，峰值效率提升了0.16個百分點，對比實壁機匣峰值效率下降了0.37個百分點。

總之，隨著激勵強度的升高，擴穩(wěn)效果會隨之提升，但效率損失并不明顯，說明非定常流動控制對于風扇轉(zhuǎn)子葉尖流場結(jié)構(gòu)的調(diào)控能夠起到“四兩撥千斤”的作用。因此選取合適的激勵強度方案可以在可能小的流動損失的情況下獲得更大穩(wěn)定裕度提升。

3結(jié)語

本文對一種自循環(huán)周期激勵機匣非定常流動控制方法的主要控制參數(shù)進行了研究，可以得到以下一些結(jié)論。

1）采用泄漏渦主頻及其二倍頻激勵均能使風扇轉(zhuǎn)子的綜合穩(wěn)定裕度得到提升，二者均可以降低主葉片葉尖前緣兩側(cè)靜壓差，削弱該處葉尖泄漏強度。當激勵頻率為泄漏渦主頻時，自循環(huán)周期激勵機匣對于風扇轉(zhuǎn)子葉頂通流能力的改善作用最強。

2）激勵強度存在一個閾值，在激勵強度低于該閾值時，增大激勵強度會使風扇轉(zhuǎn)子壓比增大，穩(wěn)定裕度提升，但效率損失變化不大。

3） 在有效的控制方案下，激勵流量僅為主流的0.06%時，自循環(huán)周期激勵機匣對于風扇轉(zhuǎn)子性能提升已較為顯著，與無控狀態(tài)相比可使壓氣機綜合穩(wěn)定裕度提升31%，同時峰值效率只損失0.37個百分點。這說明該種流動控制方法能夠很好地平衡傳統(tǒng)機匣處理擴穩(wěn)效果與效率損失之間的矛盾。

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收稿日期：20230308

基金項目：基礎(chǔ)加強計劃項目（2022-JCJQ-ZD-193-12）

第一作者簡介：黃嘉鑫（1998—），男，江西南昌人，碩士研究生，研究方向為內(nèi)流流動控制，755276911@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.039