進(jìn)氣條件對壓氣機(jī)中介機(jī)匣流場影響的試驗(yàn)研究

向宏輝，張 良，陸慶飛，葉 巍，趙 桓，任 飛

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇南京210016；2.中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

1 引言

中介機(jī)匣是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中連接高、低壓壓縮部件的重要過渡通道和主要承力件。為適應(yīng)上游風(fēng)扇與下游高壓壓氣機(jī)之間的流道高度落差，中介機(jī)匣通常采用“S”造型。中介機(jī)匣內(nèi)部具有大流線曲率與強(qiáng)壓力梯度的典型特征，其流場品質(zhì)對高壓壓氣機(jī)部件及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的工作性能均會(huì)產(chǎn)生影響，是軍/民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵部件之一[1，2]。

國外對中介機(jī)匣進(jìn)行過大量研究。Britchford、Bailey等[3～5]采用LDV系統(tǒng)對中介機(jī)匣在理想與實(shí)際進(jìn)氣條件下的流場進(jìn)行了詳細(xì)測量，為最終利用CFD方法開展中介機(jī)匣優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)支持。Sonoda等[6，7]采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了下游流道形狀和進(jìn)口附面層厚度對中介機(jī)匣流場的影響，結(jié)果表明，與中介機(jī)匣下游轉(zhuǎn)接平直流道相比，轉(zhuǎn)接彎曲流道后的輪轂區(qū)總壓損失更大；當(dāng)進(jìn)口附面層厚度變化時(shí)，中介機(jī)匣凈總壓損失沒有明顯變化，但中介機(jī)匣出口對進(jìn)口附面層厚度變化的氣動(dòng)敏感性較高。Wallin等[8]針對大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中高落差中介機(jī)匣的設(shè)計(jì)，采用響應(yīng)面法分別對二維渦輪中介機(jī)匣與三維壓氣機(jī)中介機(jī)匣進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，表明端壁形狀優(yōu)化對降低中介機(jī)匣損失有很大潛力。Duenas等[9]研究了不同軸向長度對中介機(jī)匣性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)中介機(jī)匣長度減小時(shí)，附面層出現(xiàn)分離，總壓損失隨之增大，但分離尺度主要取決于進(jìn)口雷諾數(shù)；為準(zhǔn)確評估中介機(jī)匣的氣動(dòng)性能，應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)雷諾數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行研究。Naylor等[10]采用非軸對稱端壁造型對高負(fù)荷中介機(jī)匣支板與輪轂角區(qū)分離進(jìn)行了控制，表明中介機(jī)匣壓力損失對上壁面幾何造型優(yōu)化不敏感，但對下壁面輪轂造型非常敏感，輪轂型面優(yōu)化可使中介機(jī)匣總損失減少16%。Karakasis等[11]進(jìn)一步研究了上游壓氣機(jī)級出口尾跡對中介機(jī)匣氣動(dòng)性能的影響，表明來流靜葉尾跡導(dǎo)致軸對稱中介機(jī)匣總壓損失增大54%，而相同進(jìn)口條件下非軸對稱中介機(jī)匣的總壓損失僅增加28%，體現(xiàn)了非軸對稱造型在綜合改善中介機(jī)匣性能方面的巨大潛力。

目前，國內(nèi)在中介機(jī)匣氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面缺乏完整設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和成熟工程經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有三維數(shù)值模擬方法還無法準(zhǔn)確模擬中介機(jī)匣流道曲率變化對湍流附面層發(fā)展的影響程度。因此，深入開展中介機(jī)匣氣動(dòng)性能試驗(yàn)，研究不同進(jìn)口約束條件下中介機(jī)匣流場的變化規(guī)律，掌握中介機(jī)匣特殊彎曲流道內(nèi)部流動(dòng)發(fā)展演化機(jī)制，對改進(jìn)中介機(jī)匣氣動(dòng)設(shè)計(jì)、提高中介機(jī)匣與壓縮部件的流動(dòng)匹配特性具有重要意義。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

中介機(jī)匣氣動(dòng)性能試驗(yàn)在中國燃?xì)鉁u輪研究院敞開吸氣式綜合試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。該設(shè)備主要由防塵網(wǎng)、流量管、吸氣試驗(yàn)段、過渡段、穩(wěn)壓箱、主/旁路抽氣管道(含閥門)及補(bǔ)氣閥等組成，如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，采用進(jìn)口直接供大氣、氣源壓縮機(jī)組在出口連續(xù)抽負(fù)壓的工作方式，通過控制主/旁路閥門開度以調(diào)節(jié)試驗(yàn)段內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)。

2.2 中介機(jī)匣試驗(yàn)件

為真實(shí)模擬中介機(jī)匣在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)內(nèi)的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了沿周向均布4個(gè)承力支板的雙涵道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件(見圖2)，通過在雙涵道出口并聯(lián)抽氣以實(shí)現(xiàn)進(jìn)口氣流經(jīng)分流環(huán)進(jìn)入內(nèi)涵中介機(jī)匣彎曲通道的流動(dòng)模式。通過在進(jìn)口加裝畸變網(wǎng)來改變中介機(jī)匣進(jìn)氣方式，以模擬上游風(fēng)扇出口實(shí)際流場分布。采用文獻(xiàn)[10]中的幾何定義方式，中介機(jī)匣無量綱設(shè)計(jì)特征參數(shù)描述為：ΔR/L=0.29，hin/L=0.37，Aout/Ain=0.87，rin/hin=2.64，cmax/b=0.20。其中ΔR為中介機(jī)匣內(nèi)壁進(jìn)、出口半徑落差，L為彎曲流道基準(zhǔn)長度，hin為進(jìn)口流道高度，rin為內(nèi)壁進(jìn)口半徑，Ain和Aout分別為進(jìn)、出口流道面積，cmax和b分別為中介機(jī)匣支板最大厚度、弦長。以上5個(gè)無量綱設(shè)計(jì)參數(shù)綜合決定了中介機(jī)匣的氣動(dòng)負(fù)荷。

2.3 流場測試方案

中介機(jī)匣軸向流路上共安排5個(gè)測量站(見圖2)，其中0截面作為中介機(jī)匣進(jìn)口參考截面，安裝2支徑向11點(diǎn)總靜壓復(fù)合梳狀探針測量來流馬赫數(shù)；1截面位于畸變網(wǎng)下游約1.0hin位置，定義為中介機(jī)匣進(jìn)口截面，安裝2支徑向6點(diǎn)總壓梳狀探針測量進(jìn)口壓力分布；2截面位于中介機(jī)匣彎曲流道中部，安裝1支徑向11點(diǎn)總壓探針測量支板槽道間壓力分布；3截面位于中介機(jī)匣彎曲流道出口，在距出口約0.15L位置安裝2支徑向14點(diǎn)總壓探針測量彎曲流道轉(zhuǎn)接平直流道后的壓力分布。同時(shí)，在距支板尾緣約0.2b軸向位置安裝1支周向均布11測點(diǎn)總壓耙測量支板尾跡，利用二維位移機(jī)構(gòu)進(jìn)行徑向控制；4截面位于中介機(jī)匣彎曲流道出口約1.6L軸向位置，定義為中介機(jī)匣出口截面，安裝2支徑向14點(diǎn)總壓梳狀探針測量下游平直流道壓力分布。探針在使用前均進(jìn)行校準(zhǔn)，保證試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍內(nèi)壓力測量不敏感角達(dá)±10°。數(shù)采系統(tǒng)壓力掃描閥通道標(biāo)定結(jié)果滿足壓力測量精度±0.25%要求。

2.4 數(shù)據(jù)處理

為量化分析中介機(jī)匣氣動(dòng)性能，引入兩個(gè)表征中介機(jī)匣流場特征的無量綱參數(shù)，即總壓損失系數(shù)λ和總壓畸變強(qiáng)度ε。分別定義為：

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 通道流場分布

圖3給出了不同進(jìn)氣方式下中介機(jī)匣進(jìn)口壓力徑向分布(來流馬赫數(shù)為0.48，下同)，圖中為相對流道高度。可見，相比均勻進(jìn)氣條件，畸變網(wǎng)誘導(dǎo)下游流場在整個(gè)流道高度均產(chǎn)生了壓力擾動(dòng)，氣流徑向不均勻度明顯增大，壓力損失約7%。從流體力學(xué)響應(yīng)機(jī)制角度看，相當(dāng)于對中介機(jī)匣進(jìn)口施加了兩種不同的約束條件，對比分析不同進(jìn)氣條件下流場徑向摻混及其損失特性，將有助于從物理本質(zhì)上認(rèn)識中介機(jī)匣彎曲流道內(nèi)部流動(dòng)發(fā)展演化規(guī)律。

圖4(a)給出了中介機(jī)匣彎曲流道中部總壓損失系數(shù)的徑向分布。從圖中可以看出，均勻進(jìn)氣條件下中心主流區(qū)流動(dòng)損失很小，不過由于存在較強(qiáng)徑向壓力梯度，導(dǎo)致壓力徑向不均勻度增大，上、下端壁低壓高損失區(qū)呈現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢，上壁面附面層厚度要比下壁面的小，這與流向壓力梯度的變化有關(guān)。對于中介機(jī)匣彎曲流道中部，下壁面處于流向逆壓梯度環(huán)境，氣流減速擴(kuò)壓，促進(jìn)了附面層發(fā)展；而上壁面情況剛好相反，抑制了附面層發(fā)展。從圖中還可以看出，畸變進(jìn)氣條件下流場整體結(jié)構(gòu)沒有大的變化，只是整個(gè)流道高度的流動(dòng)損失程度明顯增大?？梢?，中介機(jī)匣彎曲流道前段對進(jìn)口氣流壓力波動(dòng)的抑制作用很強(qiáng)，導(dǎo)致氣流迅速徑向摻混。因此，氣流強(qiáng)烈摻混是導(dǎo)致畸變進(jìn)氣條件下中介機(jī)匣流道前段總壓損失增大的主要原因。

圖4(b)給出了中介機(jī)匣彎曲流道出口總壓損失系數(shù)徑向分布。如圖所示，均勻進(jìn)氣條件下主流區(qū)徑向分布均勻度顯著改善，表明流道徑向壓力梯度減小，而上、下壁附面層厚度均有不同程度的增長，尤其是下壁面更為明顯，附面層發(fā)展與彎曲流道后-為平均總壓，n為徑向測段曲率及流向壓力梯度的不同變化相關(guān)聯(lián)。彎曲流道后段，上壁面處于流向逆壓梯度環(huán)境，氣流開始減速，促進(jìn)了上游附面層發(fā)展，但由于流道上壁面凸曲率造型又在一定程度上抑制了附面層的發(fā)展；下壁面的情況與之相反?？梢姡薪闄C(jī)匣流道曲率變化對于附面層的發(fā)展起到了重要作用。畸變進(jìn)氣條件下，近壁面低壓區(qū)影響范圍擴(kuò)大，流場徑向不均勻度加劇，上壁面凸曲率對附面層發(fā)展的控制有所減弱。

圖4(c)給出了中介機(jī)匣下游平直流道出口總壓損失系數(shù)徑向分布?？梢?，均勻進(jìn)氣時(shí)60%流道高度以上區(qū)域流動(dòng)損失明顯增大，60%流道高度以下區(qū)域流場變化較小?；冞M(jìn)氣時(shí)，流場徑向分布趨勢大致接近，總壓損失隨流道高度的增加而增大，壓力徑向分布不均勻度隨之增大?？梢姡街绷鞯郎喜苛鲌鰫夯怯绊懼薪闄C(jī)匣氣動(dòng)性能的重要因素。

3.2 支板尾跡分布

通常，支板的存在會(huì)引起額外壓力梯度，導(dǎo)致支板型面與彎曲流道所圍成的端壁角區(qū)流動(dòng)更為復(fù)雜，成為局部高損失區(qū)。中介機(jī)匣下游平直流道上部區(qū)域流場惡化與中介機(jī)匣支板的堵塞有關(guān)，有必要針對支板尾跡測量結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。圖5給出了不同徑向高度支板尾跡總壓損失系數(shù)的周向分布，圖中橫坐標(biāo)-t為相對測量寬度?？梢?，不同徑向高度的尾跡分布存在差異，表明支板表面存在較為明顯的徑向壓力梯度。均勻進(jìn)氣時(shí)，隨著流道高度的增加，尾跡總壓損失逐漸增大，尾跡低壓區(qū)影響范圍隨之增大，支板低動(dòng)量尾流與通道主流間摻混作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致下游平直流道上部區(qū)域總壓損失增大?；冞M(jìn)氣時(shí)，支板尾跡強(qiáng)度進(jìn)一步增大，其中尾跡寬度約增大1倍，總壓損失約增大50%，此時(shí)下游流場受到嚴(yán)重影響。因此，中介機(jī)匣支板尾跡干擾是導(dǎo)致平直流道上部流場徑向不均勻度與損失增大的直接原因。由此可知，有效控制支板與流道上壁面的角區(qū)流動(dòng)可改善該型中介機(jī)匣的氣動(dòng)性能。

3.3 總體性能變化

來流馬赫數(shù)是影響中介機(jī)匣氣動(dòng)性能的另一個(gè)重要約束條件，這與發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下風(fēng)扇工作狀態(tài)的變化相對應(yīng)。圖6顯示，中介機(jī)匣出口平均總壓損失系數(shù)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化近似呈線性關(guān)系增長，畸變進(jìn)氣條件下的總壓損失系數(shù)明顯比均勻進(jìn)氣條件下的大，同時(shí)氣流徑向不均勻度也會(huì)加劇總壓損失系數(shù)的增長幅度。圖7顯示，中介機(jī)匣出口總壓畸變強(qiáng)度隨進(jìn)口馬赫數(shù)的增大呈線性增長趨勢，均勻進(jìn)氣條件下中介機(jī)匣出口仍然存在一定強(qiáng)度的壓力徑向畸變，表明中介機(jī)匣出口流場徑向分布對于馬赫數(shù)的變化較為敏感。隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大，中介機(jī)匣總壓恢復(fù)能力降低，出口流場品質(zhì)惡化，對下游高壓壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響程度隨之增大。

4 結(jié)論

(1)進(jìn)氣方式對中介機(jī)匣流動(dòng)損失影響較大，氣流強(qiáng)烈徑向摻混是畸變進(jìn)氣條件下中介機(jī)匣彎曲流道前段總壓損失增大的主要原因。

(2)中介機(jī)匣流道曲率變化對環(huán)壁附面層的發(fā)展起重要作用，與均勻進(jìn)氣條件相比，進(jìn)氣畸變會(huì)增大彎曲流道內(nèi)部的徑向壓力梯度，影響流道曲率與流向壓力梯度對附面層的控制效果。

(3)中介機(jī)匣支板表面存在徑向壓力梯度，支板尾流與通道主流之間的劇烈摻混是下游平直流道上部流場惡化及損失增大的直接原因，而進(jìn)氣畸變會(huì)進(jìn)一步加劇支板尾跡的影響。

(4)隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大，中介機(jī)匣總壓損失系數(shù)近似呈線性關(guān)系增長，而總壓畸變強(qiáng)度呈非線性關(guān)系增長，表明中介機(jī)匣出口流場徑向分布對馬赫數(shù)變化的氣動(dòng)敏感性較高。

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