民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓級(jí)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

余華蔚，程榮輝，夏 聯(lián)

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

增壓級(jí)是民用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件之一，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有增壓級(jí)部件。增壓級(jí)的設(shè)計(jì)與風(fēng)扇/壓氣機(jī)有類似之處，但也有其特殊性，如氣流通道形式異形，且切線速度低、級(jí)負(fù)荷重、加功困難等，研制中涉及了氣體動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、傳熱學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、強(qiáng)度、材料與工藝應(yīng)用、試驗(yàn)與測(cè)試等技術(shù)領(lǐng)域。

增壓級(jí)作為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，世界各主要發(fā)動(dòng)機(jī)公司均具有較高的設(shè)計(jì)水平和豐富的經(jīng)驗(yàn)。以P&W公司為例，近年來(lái)采用先進(jìn)的CFD技術(shù)，使增壓級(jí)氣動(dòng)性能得到了很大的提高，其新近設(shè)計(jì)的增壓級(jí)已不再進(jìn)行部件試驗(yàn)，而在加工后直接裝上發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行整機(jī)試車。在我國(guó)，還沒(méi)有自行研制的民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)增壓級(jí)。因此自行研制民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件——增壓級(jí)，掌握增壓級(jí)關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)和研制技術(shù)，積累必須的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是研制民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)亟需解決的難題。

本文介紹的某三級(jí)增壓級(jí)是國(guó)內(nèi)首次研制成功全工況性能優(yōu)異的滿足民機(jī)增壓級(jí)性能要求的三級(jí)增壓壓氣機(jī)部件，其試驗(yàn)性能全面達(dá)到和超過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)要求，填補(bǔ)了我國(guó)在民機(jī)增壓級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)方面的空白，為“十一五”國(guó)內(nèi)已著手開(kāi)展的大型客機(jī)增壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，為民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制奠定了堅(jiān)實(shí)、可靠的基礎(chǔ)。

2 增壓級(jí)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)分析

增壓級(jí)是民用發(fā)動(dòng)機(jī)所特有的部件，其設(shè)計(jì)與風(fēng)扇/壓氣機(jī)的相似，但不完全相同，因?yàn)樵鰤杭?jí)所處流路位置的特殊性，使得其在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上有自己的獨(dú)特性。一般來(lái)說(shuō)，增壓級(jí)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)增壓級(jí)與風(fēng)扇同軸，轉(zhuǎn)速相同，但半徑比風(fēng)扇小得多(如圖1所示[1])，切線速度也大幅度下降，因而其加功能力十分有限。

圖1 PW6000發(fā)動(dòng)機(jī)中的增壓級(jí)Fig.1 PW6000 LPC

(2)增壓級(jí)處于風(fēng)扇出口和高壓壓氣機(jī)進(jìn)口的轉(zhuǎn)接處，流路形式異常(后面級(jí)流路徑向傾斜度大，造成后面級(jí)的流場(chǎng)容易產(chǎn)生分離，如圖2所示)，并且切線速度低、級(jí)負(fù)荷較重，葉片加功能力弱，因此如何保證在此異形流路下，設(shè)計(jì)出的葉型既有良好的氣動(dòng)性能，又能滿足強(qiáng)度振動(dòng)要求，是增壓級(jí)研制的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 PW6000風(fēng)扇、外涵和增壓級(jí)流路示意圖Fig.2 PW6000 fan,duct and LPC flowpath

(3)增壓級(jí)處于風(fēng)扇與高壓壓氣機(jī)之間(如圖3所示)，會(huì)直接影響高壓壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能、穩(wěn)定性，以及高低壓部件間的匹配，因此能否夠研制出一臺(tái)全工況性能優(yōu)越、抗畸變能力強(qiáng)、噪聲低的增壓級(jí)部件，是影響民用發(fā)動(dòng)機(jī)研制的瓶頸技術(shù)之一。

圖3 民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的增壓級(jí)位置Fig.3 The typical of LPC in civil engine

(4)中介機(jī)匣支板與上游增壓級(jí)出口靜葉之間的干擾效應(yīng)對(duì)風(fēng)扇的氣動(dòng)穩(wěn)定性、振動(dòng)、噪聲以及性能有較大影響，是風(fēng)扇增壓級(jí)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。怎樣有效地預(yù)測(cè)并消除中介機(jī)匣支板對(duì)出口靜葉前壓力分布的影響，特別是對(duì)支板造成的流場(chǎng)擾動(dòng)的主要因素也是增壓級(jí)設(shè)計(jì)中的難題。

以上這些設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中分別采用全三維設(shè)計(jì)技術(shù)、傾斜流道葉片造型設(shè)計(jì)技術(shù)、出口靜葉與支板匹配技術(shù)等使之得以解決。試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的增壓級(jí)在設(shè)計(jì)增壓比下，效率和喘振裕度均超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)，抗畸變能力也較強(qiáng)。

3 增壓級(jí)試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)

本文介紹的某三級(jí)增壓級(jí)是根據(jù)民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)增壓級(jí)的要求，針對(duì)民機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，發(fā)展和應(yīng)用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究，在國(guó)內(nèi)首次研制成功全工況性能優(yōu)異的滿足民機(jī)增壓級(jí)性能要求的三級(jí)增壓壓氣機(jī)部件。

3.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

該增壓級(jí)的主要技術(shù)指標(biāo)按國(guó)外民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)增壓級(jí)的要求確定，主要運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)要求見(jiàn)表1(選取常規(guī)巡航狀態(tài)為設(shè)計(jì)點(diǎn))。

表1 某增壓級(jí)各主要運(yùn)行狀態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求Table 1 Performance requirements within operating range

3.2 S2流面反問(wèn)題設(shè)計(jì)

采用流線曲率法對(duì)該三級(jí)增壓級(jí)進(jìn)行S2流面反問(wèn)題設(shè)計(jì)。和高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)一樣，對(duì)子午投影(增壓級(jí)詳細(xì)的流道及葉片排前后緣在子午面的投影形狀)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取流道堵塞系數(shù)、轉(zhuǎn)子葉片排壓比和效率、靜子葉片排總壓恢復(fù)系數(shù)和出口環(huán)量等參數(shù)的徑向分布，以利于增加變工況的運(yùn)行效率，改善中低轉(zhuǎn)速的特性。根據(jù)這些參數(shù)，通過(guò)求解連續(xù)方程、徑向平衡方程及能量方程，得到葉片排進(jìn)出口馬赫數(shù)、氣流角、壓力、溫度、速度等氣流參數(shù)的徑向分布，同時(shí)還得到各葉片排擴(kuò)散因子、AVDR等負(fù)荷參數(shù)的徑向分布[2]。

3.3 葉型設(shè)計(jì)

葉片造型是保證增壓級(jí)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。由于增壓級(jí)流路形式異常，給葉片設(shè)計(jì)帶來(lái)了相當(dāng)大的難度。如圖4所示，第3級(jí)轉(zhuǎn)子和靜子的流路與常規(guī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)的有很大的不同，設(shè)計(jì)參數(shù)的選取和各基元葉型的積迭完全沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可以參考。

圖4 增壓級(jí)子午面投影Fig.4 Meridional flow path of LPC

因此在該增壓級(jí)的設(shè)計(jì)中，針對(duì)增壓級(jí)流道的特點(diǎn)，采用可控?cái)U(kuò)散葉型設(shè)計(jì)技術(shù)，同時(shí)針對(duì)增壓級(jí)特有的徑向傾斜葉片造型方法，形成了一套設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的經(jīng)驗(yàn)和方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，最終所設(shè)計(jì)的增壓級(jí)葉型完全滿足設(shè)計(jì)要求。從而為今后其它類似葉片設(shè)計(jì)提供了參數(shù)選擇的經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

對(duì)某三級(jí)增壓級(jí)各排葉片的各典型截面進(jìn)行S1流面分析，結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)、靜子葉片多為負(fù)攻角情況，葉型損失均不大，葉片表面馬赫數(shù)分布合理，基本無(wú)流動(dòng)分離；在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下，葉片的可用攻角范圍和低損失攻角范圍都比較寬。圖5所示為第1級(jí)轉(zhuǎn)子、第3級(jí)靜子的攻角特性圖。

3.4 增壓級(jí)特性預(yù)估

完成S2流面和葉片造型設(shè)計(jì)后，利用流道參數(shù)和葉片中截面葉型參數(shù)，對(duì)該三級(jí)增壓級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的一維特性預(yù)估計(jì)算，同時(shí)也根據(jù)S2流面和葉片造型設(shè)計(jì)得到的完整增壓級(jí)幾何尺寸及特征參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的二維特性預(yù)估計(jì)算。

一維計(jì)算特性圖見(jiàn)圖6，二維正問(wèn)題計(jì)算特性見(jiàn)圖7，二維計(jì)算得到的各運(yùn)行狀態(tài)下的級(jí)壓比特性見(jiàn)

圖5 第1級(jí)轉(zhuǎn)子、第3級(jí)靜子的攻角特性Fig.5 Prediction of attainable incidence range of 1st rotor and 3rd stator

圖6 一維計(jì)算特性Fig.6 Performance map of one-dimensional prediction

圖7 二維計(jì)算特性圖Fig.7 Performance map of two-dimensional prediction

圖8 各狀態(tài)二維(正問(wèn)題)計(jì)算級(jí)壓比特性Fig.8 Stage performance map of two-dimensional prediction

狀態(tài) 最小巡航狀態(tài)常規(guī)巡航狀態(tài)最大爬升狀態(tài)熱天海平面起飛一維特性計(jì)算結(jié)果最高壓比 1.697 0 1.876 9 2.036 1 1.821 9最高效率 0.921 5 0.910 4 0.888 8 0.915 2喘振裕度 32.0% 25.8% 25.0% 25.8%二維特性計(jì)算結(jié)果最高壓比 1.745 6 1.957 0 2.170 1 1.885 6最高效率 0.898 8 0.898 3 0.887 4 0.899 6喘振裕度 32.4% 34.2% 38.9% 40.5%

3.5 葉片三維優(yōu)化設(shè)計(jì)

在該增壓級(jí)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在國(guó)內(nèi)首次將全三維設(shè)計(jì)技術(shù)分析應(yīng)用到增壓級(jí)的性能參數(shù)和葉片排內(nèi)部的流場(chǎng)分析之中。采用DENTON程序?qū)υ撊?jí)增壓級(jí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行了全三維粘性流場(chǎng)分析，數(shù)值模擬模型見(jiàn)圖9。

圖9 增壓級(jí)的全三維數(shù)值模擬圖Fig.9 LPC model with three dimensional simulations

三維計(jì)算結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近三維計(jì)算流量比設(shè)計(jì)值大6%，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下最高壓比1.878，最高效率0.897 5，該增壓級(jí)的氣動(dòng)流場(chǎng)較好，壓比裕度大，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下效率分布規(guī)律好(轉(zhuǎn)速特性見(jiàn)圖10)。根、中、尖截面全三維計(jì)算馬赫數(shù)等值線圖見(jiàn)圖11。

3.6 出口靜葉與支板匹配技術(shù)研究

中介機(jī)匣支板與上游增壓級(jí)出口靜葉之間的干擾效應(yīng)對(duì)風(fēng)扇的氣動(dòng)穩(wěn)定性、振動(dòng)、噪聲以及性能有較大的影響，因此預(yù)測(cè)并消除中介機(jī)匣支板對(duì)出口靜葉前壓力分布的影響，特別是對(duì)支板造成流場(chǎng)擾動(dòng)的主要因素的深入探討，是改進(jìn)目前風(fēng)扇增壓級(jí)設(shè)計(jì)方法和提高可靠性的一個(gè)重要途徑。

圖10 三維計(jì)算特性圖Fig.10 Performance map of three-dimensional prediction

圖11 根、中、尖截面全三維計(jì)算馬赫數(shù)等值線圖Fig.11 Contours of Mach number at root/mid/tip

支板的存在造成流場(chǎng)周向非均勻性，對(duì)出口靜葉前壓力分布有很大的影響。采用高精度數(shù)值模擬和分析技術(shù)對(duì)支板/出口靜葉相互影響特性進(jìn)行深入研究，探索不同周向布局、軸向距離及出口靜葉幾何參數(shù)條件下出口靜葉前壓力分布的變化特征與規(guī)律，深刻揭示兩者間影響效應(yīng)的本質(zhì)，進(jìn)而尋求控制中介機(jī)匣支板對(duì)出口靜葉前壓力的影響。

圖12給出了距離支板前緣26%LZ(LZ為支板根部軸向弦長(zhǎng))處和距離靜子前緣21%LS(LS為靜子根部軸向弦長(zhǎng))處的支板進(jìn)口附近馬赫數(shù)分布云圖。圖13給出了靜子在初始位置以及移動(dòng)0.6T(T為柵距)后計(jì)算域進(jìn)口處根部、中部和尖部壓力分布對(duì)比曲線，從圖中看出，無(wú)論是在根部、中部還是尖部，壓力變化區(qū)域都集中在對(duì)應(yīng)支板的槽道流動(dòng)區(qū)域。

圖12 中介機(jī)匣支板進(jìn)口附近馬赫數(shù)分布云圖Fig.12 Contours of Mach number at inlet of intermediate casing strut

圖13 靜子在初始位置以及移動(dòng)0.6T后進(jìn)口處壓力沿周向的分布Fig.13 Circumferential distribution of total pressure afer moving 0.6T vs.at origin distribution

對(duì)出口靜葉與支板匹配技術(shù)研究，認(rèn)為：

(1)支板與上游葉片的周向相對(duì)位置的變化可以有效地改變上游區(qū)域的壓力畸變分布，因此在設(shè)計(jì)時(shí)存在周向布局選擇的問(wèn)題。

(2)在一定的軸向間距和亞聲速流動(dòng)條件下，下游支板的周向布局對(duì)上游葉片表面馬赫數(shù)影響不大，但當(dāng)上游葉片槽道存在局部流動(dòng)超聲區(qū)時(shí)，需要慎重考慮支板的周向布局。

4 增壓級(jí)試驗(yàn)件的試驗(yàn)驗(yàn)證

該三級(jí)增壓級(jí)在中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院某單多級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)器上進(jìn)行了總性能試驗(yàn)、級(jí)間參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)、畸變?cè)囼?yàn)和聲學(xué)試驗(yàn)。

該單多級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)器為敞開(kāi)節(jié)流式軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)器，主體主要由流量測(cè)量段、擴(kuò)散段、進(jìn)氣節(jié)氣門(mén)、穩(wěn)壓箱、排氣部分、測(cè)扭器、齒輪增速器、電機(jī)等組成。試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)件由一臺(tái)功率為3 200 kW的同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻無(wú)級(jí)調(diào)速。由電機(jī)通過(guò)齒輪增速器、測(cè)扭器、排氣道軸系后帶動(dòng)試驗(yàn)件。試驗(yàn)件如圖14所示。

圖14 增壓級(jí)試驗(yàn)件Fig.14 LPC test configuration

4.1 總性能試驗(yàn)

試驗(yàn)中，得到了相對(duì)換算轉(zhuǎn)速0.4～1.094的總性能，但受試驗(yàn)設(shè)備的限制沒(méi)能錄取最高效率點(diǎn)右支靠近堵點(diǎn)的狀態(tài)點(diǎn)。圖15為三級(jí)增壓級(jí)的總性能試驗(yàn)特性，可見(jiàn)：①試驗(yàn)錄取的狀態(tài)點(diǎn)，在各等轉(zhuǎn)速線比較平滑，流量-壓比線比較平坦；②試驗(yàn)得到的流量達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，效率(0.880)超過(guò)了設(shè)計(jì)要求(0.845)，喘振裕度(23.9%)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)(18.0%)。

圖15 總性能試驗(yàn)特性Fig.15 Experimental performance map

表3列出了根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作線計(jì)算出的各轉(zhuǎn)速下的總性能參數(shù)，由此可以表明該增壓級(jí)在各運(yùn)行狀態(tài)均有非常高的穩(wěn)定工作裕度。

圖16為試驗(yàn)的最高效率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，可見(jiàn)該增壓級(jí)的最高效率點(diǎn)出現(xiàn)在相對(duì)換算轉(zhuǎn)速0.7與0.8之間，在所測(cè)轉(zhuǎn)速中，最高效率點(diǎn)比較平穩(wěn)，均保持在0.85至0.89之間。

表3 各主要運(yùn)行狀態(tài)下的總性能參數(shù)(試驗(yàn)結(jié)果)Table 3 Experimental results within operating range

圖16 試驗(yàn)最高效率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.16 Maximum efficiency relatives to speed during experiment

由于增壓級(jí)進(jìn)、出口中介機(jī)匣內(nèi)均有支板，為準(zhǔn)確評(píng)估支板總壓損失，還測(cè)取了進(jìn)、出口支板尾跡區(qū)總壓。圖17和圖18分別為不同轉(zhuǎn)速下最大壓比點(diǎn)的進(jìn)、出口支板尾跡區(qū)總壓測(cè)量結(jié)果。

4.2 級(jí)間參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)

利用在靜葉前緣安裝的葉型受感部測(cè)量各級(jí)轉(zhuǎn)子出口總壓、總溫，并借助于各截面測(cè)得的外壁靜壓對(duì)各級(jí)的增壓能力進(jìn)行分析，可以最大限度地減小對(duì)流場(chǎng)的干擾，為研究增壓級(jí)級(jí)間匹配關(guān)系提供有力的支持。

圖19為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)不同壓比下靜壓升的軸向分布。從圖中可以看出，各葉片排間壁面靜壓沿軸向的分布趨勢(shì)大致相同，各級(jí)的加功量均較平穩(wěn)，氣流在經(jīng)過(guò)進(jìn)口支板后靜壓降低，而各級(jí)轉(zhuǎn)子增壓效果比較顯著，各級(jí)靜葉擴(kuò)壓能力也較強(qiáng)?？梢?jiàn)，增壓級(jí)的各級(jí)工作狀態(tài)較好，級(jí)間匹配性能良好。

圖17 進(jìn)口支板后總壓沿周向的分布Fig.17 Circumferential distribution of total pressure at the outlet of the inlet strut

圖18 出口支板后總壓沿周向的分布Fig.18 Circumferential distribution of total pressure atthe exit of the outlet strut

圖19 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)不同壓比下靜壓升的軸向分布Fig.19 Stagewise distribution of static pressure at design point

圖20 轉(zhuǎn)子出口級(jí)總壓比、級(jí)總溫升徑向分布Fig.20 Spanwise total pressure&temperature ratio distribution at the rotor outlet

圖20 給出了各級(jí)轉(zhuǎn)子出口、試驗(yàn)件出口、支板出口的級(jí)總壓比和級(jí)總溫升徑向分布(空心符為計(jì)算值、實(shí)心符為試驗(yàn)值)。從圖中可以看出，一、二級(jí)總壓比與計(jì)算值相比略為偏大，說(shuō)明一、二級(jí)的增壓能力優(yōu)于設(shè)計(jì)值，試驗(yàn)件出口和支板后葉尖的增壓比與計(jì)算值相比略為偏小，這可能是由于流道處于彎曲段導(dǎo)致氣流偏角過(guò)大，使得測(cè)量得到的總壓比真實(shí)值偏低的緣故；各測(cè)量截面的總溫升比與計(jì)算值重合性較好，葉根和葉尖略高于葉中；支板后總壓、總溫沿徑向的分布比較均勻，有效地模擬了高壓壓氣機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)。

4.3 進(jìn)氣壓力畸變?cè)囼?yàn)

該三級(jí)增壓級(jí)在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行了針對(duì)增壓級(jí)的插板壓力畸變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該增壓級(jí)對(duì)進(jìn)口流場(chǎng)的敏感度低，具有較強(qiáng)的抗畸變能力。

通過(guò)在增壓級(jí)進(jìn)口安裝不同遮擋比的固定插板，可產(chǎn)生不同強(qiáng)度的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)組合畸變。進(jìn)口流場(chǎng)的畸變程度用綜合畸變指數(shù)(W)來(lái)表征，其畸變指數(shù)的關(guān)系式為：

圖21 綜合畸變指數(shù)隨馬赫數(shù)的變化Fig.21 Integrated distortion index vs.Mach number

圖21 給出了綜合畸變指數(shù)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化關(guān)系。從圖中可以看出，進(jìn)口馬赫數(shù)越大，綜合畸變指數(shù)也越大，綜合畸變指數(shù)與進(jìn)口馬赫數(shù)符合線性系統(tǒng)特性，且插板深度越大，其綜合畸變指數(shù)變化增加的幅度也越大。對(duì)比圖21中的(a)、(b)兩圖可以看出，兩種流道高度處的變化規(guī)律基本相同。

進(jìn)口流場(chǎng)畸變改變了原設(shè)計(jì)的流動(dòng)條件，使得增壓級(jí)葉柵進(jìn)氣攻角偏離設(shè)計(jì)值，引起氣流分離，因而會(huì)使喘振提前。進(jìn)氣壓力畸變條件下的增壓級(jí)喘振邊界變化情況如圖22所示，從圖中可以看出，與均勻進(jìn)氣時(shí)相比，畸變時(shí)的喘振邊界向右下方偏移，喘振裕度相應(yīng)減小，且兩種插板深度下的喘振邊界基本重合，表明增壓級(jí)對(duì)進(jìn)口流場(chǎng)畸變的敏感度較低，該增壓級(jí)具有較強(qiáng)的抗壓力畸變能力。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)喘振裕度的損失約為7%。

圖22 進(jìn)氣壓力均勻/畸變?cè)囼?yàn)特性的比較Fig.22 Comparison of experimental results between clean inlet and distortion inlet

4.4 聲學(xué)測(cè)量試驗(yàn)

由于該增壓級(jí)加上大涵道比的風(fēng)扇可以設(shè)計(jì)民用發(fā)動(dòng)機(jī)，因此對(duì)增壓級(jí)開(kāi)展了聲學(xué)測(cè)量試驗(yàn)，這樣不僅可以比較詳細(xì)地了解增壓級(jí)的具體聲學(xué)特性，也可為研究增壓級(jí)的降噪技術(shù)進(jìn)行技術(shù)積累。

聲學(xué)測(cè)量試驗(yàn)表明，增壓級(jí)產(chǎn)生的噪聲主要來(lái)源于第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片與進(jìn)口導(dǎo)向葉片、一級(jí)靜葉和進(jìn)口支板的相互作用，而其它各級(jí)轉(zhuǎn)子的噪聲在向外傳播的過(guò)程中由于受到第一級(jí)轉(zhuǎn)子及靜子的反射，因而對(duì)外界的影響較小。圖23和圖24中給出了不同轉(zhuǎn)速下的頻譜圖。

圖23 某低轉(zhuǎn)速的頻譜圖Fig.23 Noises frequent bands under low rotational speed

圖24 某高轉(zhuǎn)速的頻譜圖Fig.24 Noises frequent bands under high rotational speed

5 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明：該三級(jí)增壓級(jí)試驗(yàn)件性能在全工況下達(dá)到和超出設(shè)計(jì)要求，并具有良好的低速性能，超轉(zhuǎn)時(shí)可獲得足夠的加功能力和較寬的穩(wěn)定工作范圍，并且對(duì)進(jìn)口流場(chǎng)畸變的敏感度較低，具有較強(qiáng)的抗壓力畸變能力。同時(shí)，在該增壓級(jí)的試驗(yàn)中，首次進(jìn)行的聲學(xué)測(cè)量試驗(yàn)研究，為理論和數(shù)值計(jì)算研究提供了校核參考數(shù)據(jù)，也為以后進(jìn)一步研究噪聲問(wèn)題進(jìn)行了技術(shù)積累。

作為國(guó)內(nèi)首次自行研制成功的民用發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件——增壓級(jí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)創(chuàng)性地采用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：增壓級(jí)全三維流場(chǎng)分析技術(shù)；增壓級(jí)特有的徑向傾斜葉片造型方法；出口靜葉與支板匹配技術(shù)。

該增壓級(jí)的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)已基本掌握增壓級(jí)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)、噪聲分析等技術(shù)，將在下一步民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中發(fā)揮巨大的作用，具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]Brilliant L，Balamucki S，Burger G，et al.Application of Multistage CFD Analysis to Low Pressure Compressor Design[R].ASME GT2004-54263，2004.

[2]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第8冊(cè)——壓氣機(jī)[K].北京：航空工業(yè)出版社，2000.