分流环端部流场求解方法研究

　　在涡轮风扇发动机中,处于内、外涵之间的分流环对风扇/压气机的性能有重要的影响。从图1所示的风扇/压气机的部件结构示意图可以看出,分流环在风扇/压气机中处于一个非常关键的位置。它处于风扇的出口,同时是区分内外涵的物理界面。其上表面作为外涵道的内壁面而其下表面作为内涵道的外壁面。经过风扇的气流在其端部将分叉而分别流向内涵与外涵。在这种情况下,分流环的几何参数及其位置必然会对风扇/压气机的性能产生或大或小的影响。因而有必要对分流环效应及其可能对风扇/压气机性能产生的影响做深入的研究。

　　国外目前主要是利用S2流面的流线曲率法作为风扇/压气机性能预估的方法[1～3],并采用奇点分布法来求解分流环端部区域的势流场,然后把求解的结果同流线曲率法结合起来,以考虑分流环对内涵压比的影响,从而得出分流环对风扇/压气机性能影响的一些定性的结论[4,5]。但是,就分流环的端部区域的势场求解而言,所采用的方法是相当粗糙的。首先,在求解分流环端部势场时采用的是离散的奇点分布,这对形状不规则的分流环而言,不能很好的反映其形状特征,因而势场求解的准确程度还有待进一步提高;另外,在研究分流环的影响时,也只是以内涵压比为目标,对分流环所产生的综合影响研究得不够全面和具体为了研究分流环对风扇/压气机性能的影响,本文着重对分流环周围的流场较准确的预估方法进行了探讨,首先基于势场叠加的原理,通过放置强度合适的源、汇、涡及偶极子等以使诱导流场满足物面条件和无限远条件,从而以诱导流场替代真实流场进行求解,采用连续的奇点分布取代离散的奇点分布求解势流场;然后利用势流场计算的结果进行附面层计算以修正壁面堵塞效应。

　　1　分流环效应分析

　　如图2及图3所示,当风扇/压气机在设计点工作时,滞止流线以设计攻角接近分流环。此时在分流环的上、下表面上所形成的附面层很薄。当风扇/压气机的工况改变时,内外涵的分流比必然会偏离原来的设计值,导致气流会以较大的正攻角或负攻角流向分流环。这时,分流环端部就会象一个失速翼型那样在某一个侧面产生分离。来流攻角为负值时,情况如图2所示,分流环的下表面将产生较厚的附面层,甚至产生分离;而来流为正攻角时,如图3所示,情况正好相反,在分流环的上表面将产生较厚的附面层或者发生分离。由于分流环在压气机进口的前方,因而分流环产生的较小的变化也会在多级轴流压气机的逐级放大作用下对压气机性能产生直接而明显的影响。

　　另外,由于分流环处于风扇的出口,因而分流环的存在或形状的改变对风扇出口的速度及压力等气流参数的分布均会产生影响。设想在同一入口工作条件下,分流环的端部形状有所改变,则在分流环的端部区域气流的组织及端部的气流攻角将会有所改变,这必将对内外涵沿壁面附面层的发展产生影响,从而也会对风扇/压气机的性能产生一定的影响。图4给出了分流环轴向位置变化前后风扇出口对应于内涵入口部分的子午速度分布的变化情况。图5给出了对应静压的分布的变化情况。从这些图示可以看出:有关分流环的参数的变化也可能会影响到风扇的性能,要想对风扇/压气机的性能做出准确而实用的预估,分流环效应己成为一个不得不考虑的重要因素。