现代叶轮机械新技术及应用/航空发动机基础与教学丛书

第1章绪论 叶轮机械一般指通过叶片与工质间的相互作用给工质加入或由工质中得到能量的机器。按照工质的流动方向，叶轮机械可以分为轴流式、径流式、斜流式和组合式四种；按照动叶进口相对马赫数的大小，可以分为亚声速、跨声速和超声速叶片机。按照其功能，叶轮机械可以分为被动机械和原动机械两大类：　前者为工质加入能量（功）使工质总温和总压升高，从而产生推动力，如压气机、风扇及螺旋桨等；后者从工质中获得能量（功）得到轴功，如涡轮和风车等。 本书聚焦于叶轮机械在航空发动机及燃气轮机领域的新技术及应用，重点关注气动分支存在的新技术，即风扇/压气机和涡轮的气动设计、优化及流动控制。制约涡轮部件高效可靠的问题主要是冷却和结构强度，其气动设计水平较为成熟，因此本书将重点阐述压气机领域新技术的原理、发展及应用，并对涡轮非轴对称端壁造型新技术的发展和应用进行介绍。 1.1压气机中的主要流动现象及分析 压气机作为航空发动机的核心关键部件之一，其设计是决定航空动力装置研制成败的重要因素。同时，压气机属于高速旋转的叶轮机械，叶片从根到尖的展向流动变化非常大，它存在固有的转/静干涉效应、气体黏性效应、激波效应，另外，转子叶尖的间隙，以及通道内因扩压产生的强压力梯度使得压气机内部的流动具有很强的三维非定常性，其中值得引起重视并需要改善的气动现象主要包括压气机中的各种流动分离、叶尖间隙导致的叶尖泄漏流和旋转不稳定性等（图1－1）。 1.1.1压气机中的附面层流动分离现象 高推重比发动机中的多级轴流压气机具有更高的级压比和更低的展弦比，气流转折角也在增大。级压比的提高意味着叶片通道内流向逆压力梯度和周向压力梯度的增加，这使得叶片通道内的流动变得更加复杂，甚至导致叶片吸力面附面层和角区分离程度增大。叶片展弦比的降低使得端壁附面层厚度所占流道径向空间的比例升高，增厚的端壁附面层在强压力梯度的作用下加剧了流道内的流动分离现象。压气机内的流动分离现象会降低压气机的工作效率和压升能力，并进一步引发压气机工作过程中的流动失稳现象。随着压气机级压比的不断提高，叶片吸力面会受到更强的逆压梯度作用，其附面层变得更易分离，在设计过程中，对其内部流动分离的有效控制将变得更加困难，也给发动机性能、部件匹配及发动机稳定性等带来了一系列难题。 通常情况下，叶片吸力面附面层会在叶片通道内逆压力梯度的作用下产生不同程度的现象，针对此现象，学者们也提出了对应的评价准则——扩散因子，利用扩散因子可以对叶型设计的负荷量级进行预测性评估并与损失大小进行关联。如图12所示，某压气机叶片25%展向位置处，吸力面附近气流由叶片前缘加速，在10%轴向弦长位置左右达到峰值（位置1处），之后气流减速扩压，并在30%轴向弦长位置处产生分离，该分离点在位置2处。位置3在70%轴向弦长处，这时叶片吸力面表面流动已经完全分离，流动损失急剧增大。 此外，在由叶片吸力面和端壁组成的叶片角区内存在另外一种三维分离现象，即角区分离或角区失速。受通道内压力梯度的影响，即使在近设计工况附近，叶片角区处也常常伴随着角区分离现象。在非设计工况下，角区分离会进一步恶化成为角区失速现象，这将使压气机的性能大幅降低。 角区分离或失速对压气机性能的影响主要体现在以下两个方面：**，导致明显的叶片通道堵塞，降低压气机的压升能力；第二，产生明显的二次流损失，降低压气机的工作效率。因此，此类三维分离现象一直是压气机设计人员的研究重点和热点，其中包括角区分离的流动结构、形成机理、判定准则和控制方法等。 利用实验和数值两种方法，研究人员针对亚声速压气机叶栅角区内的三维分离现象进行了大量的研究，对角区失速的形成和发展机制有了越来越全面的认识，即角区分离的形成是叶片通道内逆压力梯度和端壁二次流共同作用的结果。压气机环形叶栅中角区失速的三维流动特征及壁面流动拓扑结构如图13所示。角区失速主要包括明显存在于吸力面和端壁上的回流区。在叶片吸力面附近端壁附面层内的低能流体沿展向爬升，离开端壁形成分离涡系，并形成了以吸力面和端壁上的某极限流线及某空间自由流面为边界的三维分离区。 图1－3压气机环形叶栅中角区失速的三维流动特征及壁面流动拓扑结构 类似拓扑结构在压气机叶栅内的存在不断被后续研究所证实，并且随着来流攻角的增大，角区分离的面积也越来越大。亚声速三维直列叶栅的壁面流谱拓扑分析研究表明，三维角区分离的形成及发展与前缘滞止点的马蹄涡系密切相关，且壁面奇点的数目随着来流攻角的增大而增加，并与角区内堵塞量的变化趋势保持一致。 对于超跨声速压气机叶栅，激波与压气机叶栅内部附面层的相互作用会诱导出不同于亚声速压气机叶栅的流动分离现象。图1－4中展示了跨声速压气机叶栅内部的角区分离流动现象，由于激波的干涉作用，叶展中部附近叶片吸力面上出现了层流分离泡和流动再附现象，在近端壁叶片吸力面出现了回流现象；在端壁处并没有出现自压力面至吸力面的二次流动及相应的过偏转现象，也没有形成常见的通道涡，而是在近尾缘端壁形成了一个较弱的环状涡。与亚声速压气机叶栅内部的流动不同，起始于跨声速压气机叶栅前缘附近的马蹄涡系对近端壁附近的流动影响较弱，叶片前缘附近的流动主要受激波与进口附面层相互作用的影响。 压气机叶片三维角区内的流动常常伴随着强烈的非定常现象，因此严重的角区失速现象往往会引发压气机叶片的颤振及压气机工作失稳，进而造成严重的事故。压气机设计人员应该在设计过程中采用相应标准对设计结果快速进行判断，尽量避免在某些工况下出现角区失速的现象。基于大量的数值和实验结果，Lei等依据叶栅设计参数归纳出一个压气机叶栅角区失速的判定准则，该判定准则主要包含表征压气机负荷的扩散因子D和表征压气机稳定性的失速指数S，其中S是通过叶片负荷来衡量分离区的范围来判断角区失速的发生与否，且角区分离越严重，对应的失速指数S的值就越大。研究结果表明，一般对应角区失速发生时的条件为：D>0.4±0.05且S>0.12，如图1－5所示（空心为角区分离工况，实心为角区失速工况）。 图1－5角区失速发生与否的判定准则 1.1.2叶尖泄漏流动 在压气机转子叶片排或悬臂静子叶片排中，叶片和机匣或轮毂端壁之间存在一定高度的叶尖间隙，在叶顶截面叶片压力面和吸力面两侧静压差的驱动下，叶尖附近的部分流体越过叶尖间隙形成了叶尖泄漏流。在叶尖区域，来自上游叶片排尾迹、环壁和叶片表面附面层、二次流及来流主流与叶尖泄漏流之间的相互作用使得叶尖泄漏流通常以叶尖泄漏涡的复杂形式存在，图1－6中给出了亚声速压气机转子叶尖泄漏流的三维空间结构模型，图1－7则显示了转子通道内部的流动结构（图中ω为转子旋转角速度，Wr为相对速度的径向分量，Wt为相对速度的切向分量，W为相对速度）。 图1－6亚声速压气机转子叶尖泄漏流三维空间结构模型 图1－7转子通道内部流动结构示意图 一般来说，叶尖泄漏流受四种因素影响：　**是叶片吸力面和压力面的压差，压差越大，泄漏流的驱动力就越强；第二是压气机轮缘处的附面层；第三是叶片和机匣间的相对运动；第四是叶尖间隙的大小，具体可以表现为间隙越大，则泄漏流动越强。 叶尖间隙流研究方法大致可以分为三种：　一是实验测量方法；二是理论模型方法；三是数值模拟方法。采用理论模型方法可以直观、粗略地得到泄漏流动过程，用于估算叶尖间隙泄漏导致的效率降低，而流动细节则必须借助实验测试与数值模拟方法得到。已有的研究结果表明，叶尖间隙泄漏流对压气机的总体性能有至关重要的影响，在轴流压气机内部，除了叶片表面的摩擦和分离损失、端壁二次流引起的损失及跨声速压气机中的相关激波损失之外，叶尖间隙的引入而导致的端区损失占压气机总损失的20%~40%，而且叶尖间隙的影响不仅限于转子叶尖区域，叶展70%以上的区域都会受到影响，包括叶尖泄漏涡和通道激波相互干渉形成的低能流体团、涡/波干涉及流道堵塞等。在压气机低展弦比、高负荷的发展趋势下，叶尖泄漏对压气机性能的影响也显得越来越严重。泄漏流动损失在端区损失中占的比例增大，并会造成流道堵塞。尤其在跨声速压气机中，由于叶尖泄漏涡和激波相互作用形成的低速堵塞团，会大幅度降低压气机的压升能力，也可能是触发叶尖失速的重要因素。 经过进一步的研究还发现：①对于跨声速压气机，随着叶尖间隙的增大，叶尖泄漏流和通道激波的相互作用越来越强，甚至会使激波结构发生变压，由于泄漏涡与激波的强烈干涉作用，在前1/3弦长范围内产生的叶尖泄漏流对压气机性能的影响*大，使得压气机的压升能力、效率和喘振裕度严重下降；②叶尖泄漏涡在逐渐发展的过程中，对叶尖吸力面附面层的影响比较小，涡核轨迹向相邻叶片压力面移动，并且在出口后一段距离和相邻叶片尾迹相交。而且，叶尖间隙越大，涡核轨迹越远离机匣壁面。随着节流加剧，叶尖泄漏涡轨迹逐渐向叶片前缘移动，对主流的阻碍能力也进一步加强；③当反压上升到某一值时，叶尖泄漏涡会破碎，继而产生导致失速的堵塞团；④机匣壁面的相对运动会对泄漏流的流动结构产生实质性的影响，虽然加剧了叶尖泄漏涡，但是却在一定程度上减少了叶尖泄漏流动损失。 叶尖泄漏涡虽然不是导致压气机失速的直接原因，但是与压气机失速密切相关，大量的研究表明，跨声速压气机中的泄漏涡与激波的相互干涉会导致压气机喘振裕度下降。因此，对叶尖泄漏流的控制显得尤为重要，目前针对叶尖泄漏流动控制已发展出了很多新技术。 综上所述，随着压气机进口流量的减小，叶片的负荷增加，叶尖泄漏涡的运动轨迹会逐渐向叶片前缘方向移动，甚至从叶片前缘溢出，导致压气机流动失稳。在近失速工况附近，主流、叶片角区低能流体、壁面附面层和叶尖泄漏涡之间的相互作用使得叶顶附近的流场结构变得更加复杂，通道的堵塞程度显著增加。因此，叶尖泄漏流对压气机所带来的影响主要包括泄漏相关损失和端区通道堵塞两个方面，前者会显著降低压气机的工作效率，而后者会影响压气机的扩压能力和工作稳定性。 为了更有效地利用流动控制方法来减弱叶尖泄漏流的负面效应，并尽可能地提高压气机的整体性能，就需要深刻地认识和掌握叶尖泄漏流的始发机制、空间结构，以及定常和非定常流动特征。下面将从叶尖泄漏流的模型研究及涡系结构、影响叶尖泄漏流的因素和非定常泄漏流三个方面来介绍目前针对叶尖泄漏流动现象取得的一些主要研究成果。 （1）叶尖泄漏流模型及涡系结构。通常情况下，受实验和计算条件限制，在提出泄漏流模型的过程中会引入一定的近似假设和经验参数，如压力驱动和无黏特性假设等，这使得叶尖泄漏流模型的通用性受到了一定限制。但由于大多数模型涵盖了影响叶尖泄漏流的主要因素，即便在实验和计算水平显著提高的今天，泄漏流模型仍然是一种很实用的分析叶尖间隙泄漏流的理论工具。其中，具有代表性的叶尖泄漏流经验模型主要包括Rains模型、Lakshminarayana模型、Kirtley模型、Chen模型和Storer掺混控制体模型。 随着实验技术和计算能力的逐步提升，研究重点逐渐转向叶尖泄漏流的详细流动结构和流动机理探索。例如，在平面叶栅叶尖附近流场中利用实验手段进行详细测量，发现叶尖附近存在叶尖泄漏涡、叶顶分离涡，以及叶顶二次涡的双涡系和三涡系结构，而且叶尖区域的通道涡会与叶尖泄漏涡发生相互作用。直列叶栅中的叶尖泄漏流实验结果表明，叶尖区域同时存在叶尖泄漏涡和叶尖分离涡的双涡系结构，如图1－8所示。 Storer等通过叶栅实验研究发现叶尖泄漏涡的起始位置与端壁静压*小值点相重合，且该位置随着叶尖间隙的增加而向下游移动。从对低速轴流压气机的研究中同样发现叶尖泄漏涡的形成位置与机匣端壁上的*小压力位置一致，且泄漏涡的运动轨迹恰好对应着机匣端壁上的连线。随着叶尖间隙尺寸的增加，泄漏