不同叶型结构对悬臂式静叶气动性能的影响

悬臂静叶作为轴流式压气机中的一种典型静叶结构，具有结构简单、成本低、重量小，有良好的机械性能等优点。为满足小型涡扇发动机高可靠性、低成本的设计需求，其结构通常比较简单、部件数目尽可能少。采用悬臂式风扇静子可以将风扇静子叶片和风扇外机匣作为整体加工制造，从而减少发动机零部件数目，简化航空发动机的装配工艺，提高发动机的可靠性。蔡睿贤在对某型机压气机进行研究的过程中发现，采用悬臂式静叶结构的压气机在不同转速下与传统围带式相比都具有更高的压比、效率和裕度

。与围带式静叶相比，由于悬臂静叶与轮毂之间的间隙导致悬臂静叶流道内流场结构及相关损失机制存在明显差异，而流场的主要损失来源于轮毂与叶片之间的泄漏流

。相关研究

表明，因悬臂静叶结构而存在的泄漏流会发生横向流动，削弱静叶端部吸力面的角区分离，降低流道内的能量损失，但泄漏流同时会与流道内其它复杂的涡结构发生掺混，使得叶片轮毂附近区域的流线结构发生改变，产生泄漏流与其它二次流相互作用的复杂流场结构。因此，压气机的效率没有得到提升，但采用悬臂静叶的压气机的裕度较高。

左志涛

的研究表明：采用悬臂静叶可以削弱静叶靠近轮毂区域内二次流作用以及涡强度，降低流道内的工质因涡结构运动导致的损失，达到提升压气机性能的目的。

有学者对静叶根部间隙大小、叶根间隙的形状等因素变化对悬臂静叶本身的流动以及压气机性能的影响开展研究。贾希诚

等人通过研究不同间隙形状以及大小对悬臂静叶流场的影响发现：在相同的工况下，静叶根部间隙越大，压气机的气动效率越低。对于相同的间隙面积，间隙向后逐渐扩大的几何模型压气机的效率更高。Lu等人

对某1.5级压气机的悬臂静叶开展三种不同间隙形状(均匀型、渐扩型、渐缩型)对压气机性能的数值模拟研究，得出：相较于均匀型间隙，渐扩型间隙具有更好的性能，其对悬臂静叶前缘区域的泄漏流有很好的削弱作用，可更好地抑制泄漏流的发展。渐缩型间隙具有相反的效果。

对悬臂静叶本身的结构优化成为学者们提升悬臂静叶性能的另一个研究方向。例如，可通过叶片的三维弯掠来影响叶片通道内的二次流发展。Luo

等人设计弯造型的悬臂静叶对叶片内部的流道进行了详细的研究。Friedrichs

等人通过设计掠造型叶片，发现带有前缘后掠结构设计的静叶相较于传统静叶在轮毂附近区域具有更好的气动性能。鹿哈男

等人通过在悬臂静叶靠近轮毂端采用局部端前掠造型设计，发现该结构可有效降低悬臂静叶吸力面上的峰值马赫数，以此降低跨音速悬臂静叶的激波损失，提高压气机的气动性能。Gümmer

等人通过实验具体研究了弯和掠两种造型设计对于静子叶片气动性能的影响以及相关的流场机制。

本文以某小型大涵道比涡扇发动机风扇静子对象将传统围带式风扇静子叶片改为悬臂式静子叶片，分别采用前掠、后掠、弯叶片三种叶型对悬臂静叶进行结构优化，力求在保证发动机性能不降低的前提下，通过悬臂静叶结构设计改进发动机风扇叶片的装配方式，简化结构和发动机的装配方式，达到减少零部件数目，降低成本，提高发动机可靠性的目标。

1 研究对象

该模式充分利用互联网、大数据等现代信息技术，为消费者提供全面、精准、便捷、时尚的休闲农业信息和服务， 将贫困乡村地区的旅游景点、农特产品店加入到互联网，促进贫困乡村地区的旅游景点宣传，拓宽旅游产品和农特产品的销售渠道，助力旅游电商精准扶贫。广西巴马县的农户以富硒产业为依托，积极推广健康饮水、清新空气及养生火麻等概念，推出一批具有地域文化特色的乡村旅游纪念品和农副土特产品，引导旅游电商企业建立注重农产品上线、促进商品流通的旅游电商服务平台，同时开发采茶叶、捡鸡蛋、割水稻、喂香猪等休闲农业体验项目，借力巴马长寿品牌打造农产品的商品化、品牌化，让自驾游客通过体验使自己汽车的后备箱装满当地特色产品。

为排除网格数量对数值模拟计算结果带来的影响，基于风扇设计点工况开展网格无关性验证。当总网格数大于83万时，风扇级的压比趋于稳定。为保证数值模拟计算的准确性，本文采用的网格数约为83万。

图3为四种不同结构悬臂静叶根部的流线结构，可明显看出，泄漏流由压力面流向吸力面后与吸力面一侧的流体发生掺混，且前掠、后掠两种结构泄漏流在与压力面一侧流体发生掺混后的速度均大于原型悬臂静子叶片，而泄漏流速度越大，代表动能损失越大，从这一点来说，前掠、后掠两种结构会增大因泄漏流带来的流体动能损失。而弯叶片结构减小泄漏流速度的效果较理想。通过对比四种悬臂静叶结构泄漏流区域的面积大小发现：原型悬臂静叶最大，前后掠、弯叶片三种结构泄漏流面积基本一致，而泄漏流区域面积越大，代表泄漏流与叶片通道内其它涡结构发生掺混的可能性越大，这会使得静叶流道内的流动情况更复杂，降低流动的稳定性。故只有弯叶片结构都可以降低泄漏流发生掺混后的速度以及减小泄漏流发生的面积，降低发生掺混的可能性，从而达到降低因泄漏流带来的能量损失以及提高叶片流道内流体流动稳定性。

2 数值方法

为考虑实际工作环境中改用悬臂式静子对流场的影响，对风扇和静子整体进行建模和数值模拟计算。采用六面体结构化网格对计算域进行网格划分，网格拓扑如图1所示，转静叶片均采用O4H网格拓扑结构，对壁面附近的网格采用加密处理，保证所有近壁面y+值小于2。

(1)

式(1)中，

代表工质的相对流速，

代表工质的涡量。螺旋度在涡核区域达到最大值。

接触角的变化速率和膜表面的亲疏水性有着很强的关联，亲水膜表面拥有更快的接触角下降速率[16]。采用接触角分析仪(JC2000D，上海中诚数字仪器有限公司)以4桢/s的速率测定180 s的动态接触角。

本文研究对象为DGEN380小型大涵道比涡扇发动机静子叶片。该发动机采用了齿轮传动涡扇发动机技术，有效提高了发动机的经济性。发动机采用了模块化的设计思想，主要零件数目不超过60件，结构简洁，便于维护。DGEN380发动机风扇包括一排转子和一排静子，其中转子为叶盘一体式，包含14个叶片，静子包含40个叶片。

3 结果与讨论

为便于修改叶型，首先利用自编三维叶片造型程序对原始风扇静子进行拟合，根据S1流面特征，沿叶高方向取7个圆锥面截取S1流面叶型，采用中线厚度法对各截面叶型进行拟合；将积叠线用1条5个控制点的Bezier曲线拟合。通过修改积叠线的控制点，设计出前掠、后掠、弯叶片三种结构。

对三种结构的叶片构型，针对相同工况进行数值模拟计算，考察静叶弯掠对其气动性能的影响。图2为不同结构悬臂式静叶总压恢复系数分布图，其中总压恢复系数定义为相同叶高静叶出口周向平均总压与进口周向平均总压之比。可以看出，后掠和前掠式设计的悬臂静叶根部的总压损失相较于原悬臂静叶结构有所减小，但是后掠设计中主流区的总压恢复系数有所降低。前掠式设计中不但高总压损失区域减小，也没有出现某一区域静熵值突然增加的情况，总体损失较小。而弯叶片设计中两端区的总压恢复系数有所降低，这主要是由于弯叶片改变了径向压力梯度，使两端区二次流有所增强。

为将原型叶片改成悬臂式，首先在不改变叶型的情况下，在建模时增加静子叶片与轮毂壁面之间的间隙，形成悬臂式结构。

从比较法角度看，目前大数据保护模式大致分为三种:一是隐私权保护。这一模式主要致力于保护消费者的个人信息安全。二是知识产权保护。知识产权保护模式主要指著作权保护，重点针对大数据的传播和利用。三是商业秘密保护。在此保护模式下，权利人通过订立许可合同的方式保护商业秘密及其商业价值。诚然，欧美发达国家围绕三种保护模式的争论从未休止，究竟哪种模式更有利于实现大数据社会价值与个人信息利益的平衡，应当结合大数据发展的理论演化、大数据伦理价值观、权利语境等进行深入剖析。

图4为不同结构悬臂静叶5%叶高处等熵马赫数分布,横轴表示相对轴向弦长。在0-10%弦长区域内，四种结构的悬臂式静叶的等熵马赫数分布基本一致。前掠结构的最大等熵马赫数约出现在20%弦长处，后掠结构的最大马赫数约出现在25%弦长处，弯叶片的最大马赫数约出现在18%弦长处。原型悬臂静叶的最大马赫数峰值分布在20%-30%弦长区域，比较分散，另外三种结构则相对比较集中。通过比较四种不同结构悬臂静子叶片等熵马赫数曲线包围的面积可看出，弯叶片所包围的面积最小，说明弯叶片的负荷明显降低，而负荷的大幅度降低意味着叶片流道内的泄漏流和通道涡的作用增强，造成较高的能量损失。前掠结构虽然在30%-70%弦长区域等熵马赫数小于原型悬臂静子叶片，但在0-30%弦长区域等熵马赫数大于其余三种结构，等熵马赫数曲线包围的面积与原型悬臂静叶基本一致。后掠结构等熵马赫数曲线包围的面积也与原型悬臂静叶基本一致，没有出现负荷突然降低的情况。

近年，随着城镇化水平的不断提高，水资源短缺、河流污染、资源性缺水和水质性缺水已经成为限制临沂市经济社会可持续发展的瓶颈。临沂市依托其河网密布、水系发达的优势，对城区河道进行统一规划，层层拦蓄，梯级开发，形成上下连接、左右贯通、纵横交错、互为补充的大水网，实现了“静态水网、动态水体、环境优美、自然生态、以水为魂、人水和谐”的大水城建设目标，有力地促进了临沂市的水系生态建设。

为进一步观察静叶流道内的涡流系统的发展情况，图5给出了四种不同结构的悬臂静叶轴向同一位置处的螺旋度分布云图。其中，螺旋度H的定义如下：

=

·

采用ANSYS CFX软件进行全三维定常数值模拟计算，压气机进口给定标准大气压条件(总压：101325Pa，总温：288.15K)和轴向进气方向，工质为理想气体，出口给定平均背压。计算模型的固体壁面均采用绝热无滑移条件，将转静叶交接面设置为掺混面。

处于温带草原气候区的西部边缘地带，属半干旱高原大陆性气候，主要气候特点是气候温凉，气温的日较差和年较差较大，白天气温高，春季升温和秋季降温都很迅速；降水不足，高度集中，水热同期；风大、蒸发强烈；日照长辐射强；气候有一定的垂直差异。年均气温为7.6 ℃，极端最低气温为-26 ℃，极端最高气温为41 ℃，气温年较差25.6 ℃，日较差13.6 ℃，积温2 077.5 ℃，无霜期约160 d。年降水量368～450 mm，集中于七、八、九3个月；年蒸发量为1 100 mm，年日照时数2 600 h。土壤类型为粟钙土。

有学者在《解放区发展民办小学的历史考察》中对解放战争时期小学教育进行了一定的研究。解放区在革命战争激烈的环境里，掀起了发展民办小学的热潮。解放区的民办小学是在 “民办公助”方针的指引下发展起来的。这个方针的提出和当时解放区正在进行的小学教育改革分不开。民办小学的发展加快了在解放区普及小学教育的步伐，体现了普及教育中的群众路线。

从图5可以看出四种结构的悬臂式静叶高螺旋度主要分布在10%-25%和75%-85%叶高区域。可以看到，除弯叶片外，机匣附近存在螺旋度负值比较大区域，这主要是由于顶部通道涡的存在造成的。对于弯叶片，在机匣附近存在一个正螺旋度比较大的区域，这是因为弯叶片改变了径向压力梯度的分布，通道涡与尾迹的相互作用改变。在轮毂附近存在负螺旋度比较大的区域，这主要是由于轮毂与叶片相对运动及泄漏涡造成的。

4 结论

本文以DGEN380发动机的风扇静叶为研究对象，探究不同结构的悬臂静叶结构对叶根部的流动情况以及流动损失带来的影响，经过数值模拟计算及分析得到以下结论：

(1)前掠悬臂静叶设计会使得泄漏流与叶片通道内正常流动流体发生掺混，增强泄漏流作用强度。但该结构没有使得叶片通道流动损失增加，可以保证静叶负荷稳定。

(2)后掠悬臂静叶设计不但会使得因泄漏流造成的损失增大，还同时会使得静叶的总压恢复系数减小，造成更大的压强损失。对于静叶的气动性能无明显改善。

(3)弯造型悬臂静叶设计虽然可以简化叶根部的流动情况，减弱泄漏流的作用强度，但是对于悬臂静叶的整体气动性能没有明显改善。

[1]蔡睿贤, 王锡刚, 彭惠君等. 静叶内围带对轴流式压气机气动性能的影响及4500马力机车燃气轮机的热力性能[J]. 工程热物理学报, 1980, 1(1): 3-9.

[2]Lange Martin et al. An Experimental Verification of a New Design for Cantilevered Stators With Large Hub Clearances[J].Journal of Turbomachinery, 2013, 135(4)

[3]Dong Y, Gallimore SJ, Hodson HP. Three-dimensional flows and loss reduction in axial compressors[R]. ASME Paper 1986-GT-193,1986.

[4]Swoboda M, Ivey P C, Wenger U, et al. An Experimental Examination of Cantilevered and Shrouded Stators in a Multistage Axial Compressor [R]. ASME Paper GT-1998-282, 1998.

[5]Campobasso M S, Mattheiss A, Wenger U, et al. Complementary Use of CFD and Experimental Measurements to Assess the Impact of Shrouded and Cantilevered Stators in Axial Compressors [R]. ASME Paper GT1999-208,1999.

[6]左志涛, 朱阳历, 张冬阳等. 静叶轮毂间隙对高压压气机气动性能的影响[J]. 推进技术, 2011, (03): 329-333+338.

[7]Lu Hanan and Li Qiushi. Cantilevered stator hub leakage flow control and loss reduction using non-uniform clearances[J]. Aerospace Science and Technology, 2016, 51: 1-10.

[8]LUO Ju, HU Jun, WANG Zhiqiang, et al. Experimental Study of Effects of Bowed Blade on the Flow Field in a Cantilevered Stator Passage [R]. ASME Paper No. GT2014-25766, 2014.

[9]WANG Songtao, DU Xin, WANG Zhongqi. Study on the Effects of End-Bend Cantilevered Stator in a 2-Stage Axial Compressor [J]. Journal of Thermal Science, 2009, 18(2): 119-125.

[10]Friedrichs J, Baumgarten S, Kosyna G, et al. Effect of Stator Design on Stator Boundary Layer Flow in a Highly Loaded Single-Stage Axial-Flow Low-Speed Compressor [J]. ASME Journal of Turbomachinery, 2001, 123(3): 483-489.

[11]鹿哈男,李秋实,潘天宇.局部端前掠对跨音悬臂静子气动性能影响研究[J].工程热物理学报,2017,38(07):1485-1490.

[12]Gümmer V, Wenger U, Kau H-P. Using Sweep and Dihedral to Control Three-Dimensional Flow in Transonic Stators of Axial Compressors [J]. ASME Journal of Turbomachinery, 2001, 123(1): 40-48.