多級(jí)軸流壓氣機(jī)級(jí)間性能試驗(yàn)研究

楊 靈，溫珍榮

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

1 引言

壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，其技術(shù)含量高、設(shè)計(jì)難度大、研制周期長(zhǎng)，一直是發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多級(jí)軸流壓氣機(jī)內(nèi)部存在著非常復(fù)雜的非定常流動(dòng)現(xiàn)象，其流動(dòng)過程呈現(xiàn)出很強(qiáng)的三維、粘性和非定常特點(diǎn)，單純進(jìn)行總性能試驗(yàn)無法了解其內(nèi)部氣流的真實(shí)流動(dòng)和各級(jí)間的匹配。因此有必要開展級(jí)間參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)，提高對(duì)其內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，探索這些復(fù)雜現(xiàn)象內(nèi)隱含的流動(dòng)機(jī)理，揭示其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，提高設(shè)計(jì)水平。

在壓氣機(jī)內(nèi)流試驗(yàn)研究方面，文獻(xiàn)[1]中利用LDV成功測(cè)量了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)的流動(dòng)，文獻(xiàn)[2]介紹了利用葉型受感部在五級(jí)跨聲壓氣機(jī)上成功獲取的試驗(yàn)結(jié)果。國內(nèi)也開展了類似研究，中國燃?xì)鉁u輪研究院利用自行研制的葉型受感部，對(duì)某型壓氣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持[3]。本文以某多級(jí)軸流壓氣機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，開展級(jí)間性能與優(yōu)化性能試驗(yàn)研究。在進(jìn)行級(jí)間參數(shù)測(cè)量的同時(shí)進(jìn)行靜葉角度調(diào)節(jié)試驗(yàn)，分析不同靜葉角度下壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)及各級(jí)加功能力和級(jí)壓比的變化。

2 試驗(yàn)及測(cè)試方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件

試驗(yàn)在中國燃?xì)鉁u輪研究院全臺(tái)壓氣機(jī)試驗(yàn)器(見圖1)上完成。該試驗(yàn)器屬敞開節(jié)流式，最高轉(zhuǎn)速20 000 r/min，最大功率8 500 kW，流量0～120 kg/s，調(diào)速精度0.2%。試驗(yàn)件如圖2所示，主要由進(jìn)口測(cè)量段、壓氣機(jī)部件、出口測(cè)量段、排氣機(jī)匣等組成。試驗(yàn)時(shí)須進(jìn)行級(jí)間引氣。

圖1 全臺(tái)壓氣機(jī)試驗(yàn)器簡(jiǎn)圖Fig.1 Layout of whole compressor test rig

圖2 某多級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)件簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of a multistage axial flow compressor

2.2 測(cè)試方法

利用安裝在穩(wěn)壓箱里的4支鉑電阻測(cè)量進(jìn)口溫度；利用安裝在壓氣機(jī)進(jìn)口的3支6點(diǎn)式總壓梳狀探針測(cè)得支板槽道間的平均壓力，再用耙狀探針獲取的支板尾跡區(qū)總壓對(duì)其修正，從而得到進(jìn)口總壓。在壓氣機(jī)出口同一測(cè)量截面上，沿周向于不同葉片槽道中布置6支總溫、總壓復(fù)合探針，以獲取一個(gè)柵距內(nèi)的總溫、總壓，并沿徑向安排4個(gè)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，在壓氣機(jī)前五級(jí)靜葉每級(jí)選取2片葉片安裝總壓葉型受感部，2片葉片安裝總溫葉型受感部，測(cè)取各級(jí)轉(zhuǎn)子后的總溫、總壓。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于葉型受感部安裝于各級(jí)靜葉前緣，測(cè)量的是各級(jí)轉(zhuǎn)子出口參數(shù)，故壓氣機(jī)級(jí)不能按傳統(tǒng)方式定義。文中有關(guān)級(jí)的定義為：前一級(jí)靜葉與下游動(dòng)葉組成一個(gè)壓氣機(jī)級(jí)，如第一級(jí)定義為零級(jí)導(dǎo)葉＋一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片，第二級(jí)定義為一級(jí)靜子葉片＋二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片，依次類推[4]。

(1)流量對(duì)級(jí)加功量和級(jí)壓比的影響

圖3 =1.00時(shí)不同流量下級(jí)加功量沿軸向的分布(設(shè)計(jì)角度)Fig.3 Axial distribution of stage work with different flow when=1.00.

圖4 =1.00時(shí)不同流量下級(jí)壓比沿軸向的分布(設(shè)計(jì)角度)Fig.4 Axial distribution of stage pressure ratio with different flow when=1.00.

(2)轉(zhuǎn)速對(duì)級(jí)加功量的影響

圖5 不同轉(zhuǎn)速時(shí)級(jí)加功量沿軸向的分布(設(shè)計(jì)角度)Fig.5 Axial distribution of stage work under design angle at different speeds

(3)轉(zhuǎn)速對(duì)級(jí)壓比的影響

圖6 不同轉(zhuǎn)速時(shí)級(jí)壓比沿軸向的分布(設(shè)計(jì)角度)Fig.6 Axial distribution of stage pressure ratio under design angle at different speeds

(4)靜葉角度對(duì)級(jí)壓比的影響

由單級(jí)壓氣機(jī)一維分析可知：靜葉角度開大意味著流量增加，級(jí)壓比增加。在本次試驗(yàn)優(yōu)化角度下，零、一、二級(jí)靜葉相對(duì)設(shè)計(jì)角度開大，但第一級(jí)級(jí)壓比反而有所減小。原因?yàn)槎嗉?jí)壓氣機(jī)存在級(jí)間干擾，靜葉角度的不同步變化使得一、二級(jí)轉(zhuǎn)子性能不匹配。相對(duì)零級(jí)靜葉，一、二級(jí)靜葉角度開得較大，大大增強(qiáng)了二、三級(jí)轉(zhuǎn)子的抽吸能力，使得一級(jí)轉(zhuǎn)子出口壓力降低(一級(jí)轉(zhuǎn)子性能點(diǎn)沿等換算轉(zhuǎn)速特性線向右移動(dòng))，進(jìn)而增大了一級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口流量。流量的增加使一級(jí)轉(zhuǎn)子攻角減小，扭速減小，故第一級(jí)級(jí)壓比有所減小。

圖7 不同靜葉角度下的流量-壓比曲線Fig.7 Comparison of flow vs.pressure ratio under different vane angles

圖8 =0.95時(shí)不同流量下級(jí)壓比沿軸向的分布Fig.8 Axial distribution of stage pressure ratio with different flow when=0.95

從圖8還可看出：優(yōu)化角度下，一級(jí)轉(zhuǎn)子級(jí)壓比隨著流量的減小增幅加大，即一級(jí)轉(zhuǎn)子應(yīng)處于偏負(fù)攻角狀態(tài)，流量減小使其輪緣功和級(jí)效率均增大。

(5)靜葉角度對(duì)不穩(wěn)定邊界的影響

開大某級(jí)靜葉角度將使該級(jí)動(dòng)葉流動(dòng)狀態(tài)向正攻角方向變化，該級(jí)將提前進(jìn)入不穩(wěn)定邊界。本次試驗(yàn)中，優(yōu)化角度下只錄取了=0.95時(shí)的喘點(diǎn)，無法看出不穩(wěn)定邊界的移動(dòng)。但在該試驗(yàn)件前期試驗(yàn)中，錄取過設(shè)計(jì)角度和優(yōu)化角度下在0.70～1.00范圍內(nèi)的喘點(diǎn)(見圖7)。從中可看出：優(yōu)化角度下，在=0.80及以下轉(zhuǎn)速時(shí)，該試驗(yàn)件不穩(wěn)定邊界明顯右移。

靜葉角度的改變會(huì)影響壓氣機(jī)級(jí)不穩(wěn)定邊界的位置。開大某級(jí)進(jìn)口靜葉角度，可增加該級(jí)級(jí)壓比，同時(shí)也會(huì)使該級(jí)的不穩(wěn)定邊界縮退。若該級(jí)不穩(wěn)定邊界縮退至整臺(tái)壓氣機(jī)不穩(wěn)定邊界內(nèi)，將會(huì)影響整臺(tái)壓氣機(jī)的不穩(wěn)定邊界(見圖9)。

(6)靜葉角度對(duì)級(jí)加功量的影響

優(yōu)化角度下級(jí)加功量沿軸向的分布如圖10所示。從圖中可看出，優(yōu)化角度下，各級(jí)加功量隨著轉(zhuǎn)速的升高基本同步增加；第二、第三級(jí)加功量所占比重隨著轉(zhuǎn)速的升高有所降低，但作為中間級(jí)的第二、第三、第四級(jí)，其加功量仍遠(yuǎn)高于第一、第五級(jí)。對(duì)比圖5和圖10(b)還可看出，改變靜葉角度后，大大增加了二、三級(jí)轉(zhuǎn)子的加功量，在中轉(zhuǎn)速時(shí)尤其明顯。

圖9 不同靜葉角度下不穩(wěn)定邊界的變化示意圖Fig.9 Scheme of the unsteady boundary variation under different vane angles

圖10 不同轉(zhuǎn)速時(shí)級(jí)加功量沿軸向的分布(優(yōu)化角度)Fig.10 Axial distribution of stage work under optimized angle at different speeds

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)角度下，該試驗(yàn)件在相對(duì)換算轉(zhuǎn)速0.80及以下時(shí)，二、三級(jí)轉(zhuǎn)子加功量和級(jí)壓比均偏低，建議適當(dāng)開大一、二級(jí)靜葉角度，以改善二、三級(jí)轉(zhuǎn)子流場(chǎng)，提高其性能。

(2)優(yōu)化角度下，第二、第三級(jí)加功量和級(jí)壓比均有較大增加，同時(shí)帶來整臺(tái)壓氣機(jī)不穩(wěn)定邊界縮退。建議后續(xù)的靜葉角度優(yōu)化試驗(yàn)應(yīng)密切注意其下游轉(zhuǎn)子的工作狀況，尤其是不穩(wěn)定邊界的變動(dòng)情況，并在不影響整臺(tái)壓氣機(jī)不穩(wěn)定邊界的情況下進(jìn)行靜葉角度優(yōu)化。

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