叶片附面层分离流动控制技术

叶片附面层分离流动控制技术

0控制附面层分离近年来，随着压气机和涡轮机的日益改进，叶片吸力面的气流在高临低雷诺数的情况下受到了逆压力梯度和低临高数的共同影响。附层空气的分离趋势是允许的，这为发动机的性能、部件的匹配和发动机的稳定性带来了许多问题。因此,为了能够有效抑制这种分离现象,研究人员提出通过控涡设计、机匣处理、叶尖微喷气、叶片附面层流动控制等方法来抑制附面层分离,减小通道内部流动损失,提高压气机、涡轮的稳定性。目前,随着气动设计、机械加工水平以及微电子技术的不断提高,叶片表面附面层流动控制技术已经成为压气机、涡轮扩稳增效的主要技术手段。1附面层流动控制技术流动控制作用的实质是改善不稳定工作区内的动力学特性,扩大稳定工作区范围,减小甚至消除不稳定工作区。围绕着如何给不稳定工作区加入新的动力学参数,形成了两种不同的控制思想,一种是靠重新分配系统中的能量,将稳定区的一部分能量转移到不稳定工作区,用来改善不稳定区的动力学特性,提高系统的稳定性。另一种则是通过外界环境直接给系统中的不稳定工作区增加新的能量,或是通过外界通道将不稳定工作区从系统中抽除,从而实现控制。附面层流动控制技术就是通过流动控制方法减小叶片吸力面附面层分离气流和低能流团,确保流场的工作稳定性。根据上述流动控制的基本思想,设计者们提出了多种流动控制方案,目前主要有涡流发生器、射流注入、附面层抽吸、叶片附面层转捩控制以及等离子体气动激励等控制方案。2国外特权层流动的监控系统2.1涡流流动控制实验涡流发生器扩稳方案是在叶片吸力面上开射流孔,使用涡流发生器产生高动能涡流,涡流能将叶栅通道主流和附面层低能流团进行掺混,给附面层低能流团增加动能,提高附面层气流的抗分离能力,进而改善叶片尾部流场特性。Johnston和Nishi等人首先在平板上进行了涡流发生器扩稳实验研究,并取得了成功。在此基础上,美国空军技术研究所的Jeffrey和Rolf等人进一步提出在低压涡轮上采用涡流流动控制技术,他们在Pack-B低压涡轮叶栅上进行了实验研究,实验方案如图1所示,其中,涡流孔开设在73%轴向弦长处,涡流入射方向与主流流动方向的夹角为30°。实验研究结果表明,在低雷诺数和低紊流度条件下,涡流发生器产生的高动能涡流能够有效掺混叶栅通道主流和附面层低能流团,增加附面层低能流团的动能,使附面层分离气泡重新附着,有效抑制了附面层分离。实验中测得的尾流总压损失区的宽度和深度都明显减小,其中总压损失最大减小30%,但在高雷诺数和大紊流度条件下,该流动控制技术的作用效果一般。进一步的研究还发现,涡流入射位置对其作用效果有较大影响,如果涡流入射位置在附面层分离区之外也将无法发挥作用,同时还会增加一定的掺混损失。2.2流动控制技术在叶栅叶片上的应用美国NASA格林研究中心的Michelle和Dennis在NASA智能推进系统基础技术项目(IPSFT)的资助下,提出了在压气机静子叶片吸力面上采用射流流动控制技术。Carter和Copenhaver首先在TESCOM大转折角压气机叶栅上应用该流动控制技术,并进行了实验研究,实验结果表明,小孔出口射流可以有效吹除附面层分离气流,减少流动损失,其中射流流量达到主流流量1.6%时,总压损失减少了65%,叶栅出口气流的转折角增加了4.5°。在叶栅实验取得成功后,Sanjay和Culley等人提出在压气机静子叶片上应用该流动控制技术,他们以Glenn三级轴流压气机为平台,在其第三级静子叶片吸力面上设计了射流孔和射流槽方案,其中,静子叶片吸力面开槽方案及射流控制机构如图2和图3所示。在实验中,将第三级静子叶片安装角增大4°,射流槽出口位置约在35%轴向弦长处。实验结果表明,该控制方案通过非定常射流注入,大幅增加吸力面附面层低能流团的动能,提高附面层气流抗分离能力,进而有效抑制叶片吸力面的附面层分离,减小流动损失。其中,叶根出口总压高损失区面积减少了20%,总压损失下降了25%。此外,槽道出口射流还能有效阻止叶片吸力面附面层低能流团从叶根向叶顶的发展,避免附面层在叶中和叶顶区域的堆积,其中,叶中流场总压损失下降了约4%。在实验中,研究人员还对定常射流的作用效果进行了实验,结果表明,在与非定常射流使用相同流量的情况下,稳定射流的作用效果较差,甚至还会降低压气机性能,只有大幅增加射流流量,定常射流的作用效果才能发挥。2.3叶栅的抽吸技术在高负荷压气机中的应用附面层抽吸方案是由美国麻省理工学院(MIT,MassachusettsInstituteofTechnology)燃气涡轮实验室的Kerrebrock和Merchant等人于1997年首先提出,其基本思想是在抽吸压气机某些区域如叶片吸力面,激波处和端壁角区等堆积的附面层低能流体,对局部的流动和激波结构进行修正,以此来控制分离,改善流动,提高叶片载荷。MIT的Reijinen在高速压气机叶栅上进行了实验研究,研究结果表明,在叶片吸力面激波前开槽抽吸附面层气流能够有效增强叶栅内部气流的转折能力,提高静压升,延迟附面层分离区的形成,从而有效提高叶栅的流通能力,减少流动损失。在叶栅实验取得成功后,Schuler和Merchant进一步设计并验证了采用该技术具有较高性能和负荷的风扇级,他们以Blowdown单级风扇为原型进行了实验研究,实验方案如图4所示。其中,在风扇级转子和静子叶片吸力面上均采用了开槽处理,并在其叶片内部设计抽吸通道,如图5所示。实验结果表明,采用附面层抽吸技术能够有效抽吸叶片吸力面和端壁的附面层分离气流和低能流团,不仅减少了流动损失,还显著提高了风扇的增压能力,其中,当叶尖切向速度为236m/s时,压比达到1.6,动叶和级效率分别为96%和90%;当叶尖速度为457m/s时,压比达到3.5,动叶和级效率分别为93%和86%。目前采用附面层抽吸的高负荷压气机设计特点有两个:一是随着负荷水平的提高,吸走的附面层流量达到进口流量的7%,在相同叶尖速度条件下,级压比由2.0提高到3.5;二是抽吸位置包括动静叶吸力面及机匣和轮毂端壁。某具有多种吸气位置组合的风扇级实验结果表明,当叶尖速度为229m/s时,压比达到1.6,绝热效率为89%,这使得风扇在低叶尖转速时可以获得较高的增压比,对于常规风扇,叶尖速度达到400m/s时,才能获得相同的增压比。此外,意大利热那亚大学的Satta和Zunino所在课题组提出在高负荷低压涡轮叶片上应用附面层抽吸流动控制技术,并在某型高负荷低压涡轮叶栅上进行了实验研究。其中,抽吸槽开在叶片吸力面轴向弦长80%位置处,如图6所示。实验结果表明,在低雷诺数下,该流动控制技术可以大幅减小尾迹宽度和深度,当抽吸比达到1.8%,尾迹深度最大减小约68%,尾迹宽度减小约72%。2.4分离气动激励下的流场分离等离子体气动激励抑制叶片表面附面层分离的基本原理是,通过在叶片吸力面施加等离子体气动激励,一方面向流场附面层注入能量,提高近壁面的流动速度,增强抵御逆压梯度的能力,从而延缓附面层分离;另一方面通过气动激励诱发附面层内分离流动的不稳定,促使流场结构发生变化,将一个大的分离旋涡结构离解成若干小尺度的流动结构。美国宾西法尼亚州立大学的Blanco和美国空军研究院的Dyken和Byerley等人在某型低速涡轮叶栅上应用了等离子体气动激励技术,实验方案如图7所示,实验时涡轮叶栅进口速度为3m/s。实验研究了定常等离子激励和脉冲激励的作用效果,结果表明,定常和脉冲等离子激励均能有效控制涡轮叶片尾缘的附面层分离,减小总压损失,增大出口气流角,脉冲激励效果要优于定常激励,叶片尾迹总压损失最大减小约52%,出口气流角增大约15°。2.5维表面凹陷处理球窝(dimple)和凹槽(groove)等都属于壁面凹陷处理,各种形式的拌线(stripwire)都属于壁面处理,属于某种非光滑型面设计。Lake和Sieverding研究了利用多种表面处理方案(比如球涡)来降低流动损失的可能性。Robarge等人归纳总结了最佳的几何设计参数范围:凹陷处理的最佳深度为其前缘位置处边界层厚度的0.6～0.8倍;最佳深宽比(深度与凹陷处理宽度)为0.1～0.15。此外,Robarge等人对NACA0015叶型表面施加了二维形式的展向凹槽处理,并通过实验验证了二维展向凹槽处理控制叶型层流分离的有效性,并重点验证了基于表面凹陷处理的被动控制策略的控制效果以及相关几何设计参数的最优化。Claus等人开展了低雷诺数下利用附面层转捩控制附面层分离的实验研究,转捩方法包括绊网、气球型转捩基础和一个具有形状记忆合金弹簧的金属片,实验工作是在一个低速叶栅风洞中进行的,雷诺数范围为30000～200000。研究人员使用了一个现有的高压涡轮导向叶片作为实验件,该叶片具有约63°转向角。为了得到高负荷低压叶栅吸力面后部的典型逆压梯度,所有实验的倾斜度和弦长比均为1,如图8所示。研究结果表明,随着雷诺数下降,气流在涡轮导向器内流动的总压损失系数不断提高,当雷诺数小于临界雷诺数后,总压损失系数迅速增加。另一方面,通过增加一个适当的紊流发生器(如拌网或金属扰流片),主动将层流附面层转变为紊流附面层后,临界雷诺数可以相应减小,而且在低雷诺数条件下的总压损失可以大幅下降,但在高雷诺数条件下,气流流过涡轮导向器(局部槽除外)的总压损失较大。采用局部槽的方法虽然在高雷诺数条件下的总压损失较小,但在低雷诺数条件下进行减阻和抑制气流分离的效果不好。3叶栅流动分离数值模拟及结果国内目前叶片附面层流动控制技术方面的研究还处在起步阶段,部分航空类院校和研究所在这方面开展了理论分析和实验数值研究,取得了一定的研究成果。在几种控制方案中,国内在合成射流激励、附面层抽吸控制、涡轮叶片表面球窝结构和等离子体气动激励等方面进行了相对较多的研究工作。北京航空航天大学周盛教授课题组在利用周期性吹吸、合成射流激励进行压气机叶栅非定常流动控制方面进行了大量研究,提出了非定常自然流型和非定常耦合流型的概念,认为周期性的吹吸可以在较大的攻角范围内调整附面层演化,促进小尺度旋涡聚集,进而有效控制非定常分离流动,使得轴流式压气机叶栅的时均性能得到很大提升;有效的激励频率覆盖一个较大的频率范围,最佳的激励频率在旋涡脱落的特征频率附近,激励幅值存在一个阈值和一个最佳值,最佳的激励位置在紧靠分离点的上游。分析了利用包含非定常分离的上游尾迹作为轴流式压气机中的非定常激励源的可行性,通过施加外部激励促使非定常自然流型向非定常耦合流型的转化,可以大幅提升气动性能。进行了利用高功率扬声器产生合成射流进行非定常流动控制,抑制静止环形叶栅叶片吸力面的流动分离的实验研究,数字粒子图像测量结果表明,施加合成射流激励后尾迹旋涡的密度降低,流线更为均匀平滑,最大相对损失显著降低。此外,课题组还进行了利用合成旋涡发生器射流进行非定常流动控制,抑制高速平面叶栅流动分离的风洞实验,施加非定常激励可以有效降低叶型损失,提高叶栅气动性能。哈尔滨工业大学陈浮教授和宋彦萍教授对附面层抽吸技术对压气机叶栅气动性能的影响进行了数值模拟研究。重点分析了附面层抽吸槽的开槽位置、槽道结构以及抽吸量对叶栅气动性能的影响特点和规律。结果表明,在叶栅大攻角时附面层抽吸可以有效缓解叶片吸力面角区的低能流体集聚,提高气流转角,降低总压损失,拓宽工作范围。此外,西北工业大学刘波教授课题组也就叶片吸力面附面层抽吸流动控制技术对某跨音速压气机转子气动性能的影响机理进行数值模拟研究,重点分析了不同开槽位置、不同吸气量时附面层抽吸对压气机转子气动性能的影响规律。研究结果表明,抽吸位置对抽吸效果有重要的影响,通过在分离区下游一定位置处抽吸,能够很好的抑制附面层分离,改善气流在大分离点处的剧烈变化,减少流动损失,使得级效率和压比均有显著的提高;而在分离区上游或分离区下游的较远处开槽抽吸,则效果不佳。吸气量对抽吸效果也有一定影响,存在最佳吸气量。西北工业大学乔渭阳教授课题组采用数值模拟方法对低压涡轮叶片上的三维球窝流动控制机理开展了研究,在PACK-B涡轮叶片上进行了三维球窝分布设计,如图9所示,研究结果表明,三维球窝不但扮演着扰动发生器的角色,还扮演着旋涡发生器的角色。球窝尾流区内高频率的旋涡形成与脱落,不但产生了加强流动掺混所需的旋涡,也产生了促进分离泡转捩所需的扰动。中国科学院工程热物理研究所朱俊强研究员课题组进行了附面层吸除控制压气机叶栅流动分离的实验研究,结果表明,附面层吸除能减弱吸力面角区低能流体积聚,促进附面层减薄,减少分离损失,有助于降低叶栅总压损失,提高气流折转能力。空军工程大学李应红教授课题组提出了等离子体气动激励抑制叶栅流动分离的新思路,并进行了叶栅风洞实验,如图10和图11所示。实验结果表明,等离子体气动激励通过向叶片吸力面附面层注入能量,在低速条件下可以有效抑制了叶栅流动分离,减小流动损失。实验中,叶栅来流速度为50m/s,当激励电压为10kV,频率为22kHz时,50%叶高处尾迹压力分布基本不变,60%和70%叶高处最大总压损失分别减小了13.8%和10.7%。增加等离子体气动激励电压,激励强度增大,流动控制效果更好。在低雷诺数或大攻角条件下,非定常等离子体气动激励的作用效果更加明显,在70%叶高处可以降低总压损失系数28%。空军工程大学王如根教授课题组提出了叶片压力面向吸力面开通槽的处理技术。研究