級(jí)間引氣對(duì)一維方案壓氣機(jī)流道和性能的影響

鐘勇健，滕金芳，羌曉青，歐陽華

(1.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240;2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，高壓壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的好壞很大程度上決定了整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及可靠性。在高壓壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)中，不可避免地要涉及到引氣，引氣是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行及滿足飛機(jī)飛行需求的必要環(huán)節(jié)。同時(shí)，合理的引氣還能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停車以及其它非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)有效防止壓氣機(jī)發(fā)生失速或喘振。

但是，壓氣機(jī)級(jí)間引氣會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)推力，增大耗油率;PW和GE公司都利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)帶引氣的發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算軟件進(jìn)行了校準(zhǔn)［1－2］。級(jí)間引氣對(duì)壓氣機(jī)性能和流場也必然帶來影響，國內(nèi)外從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析方面入手，得到了一些有益的結(jié)論。在引氣量的影響方面，Stevent與Michal［3］研究了單級(jí)壓氣機(jī)機(jī)匣端壁處引氣量變化對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的影響，指出引氣流量較小時(shí)，壓氣機(jī)整體性能可能下降。Leishman等［4］研究指出引氣量較小時(shí)靠近壓力面的引氣槽帶來的葉片損失較小;引氣量較大時(shí)，靠近吸力面的引氣方案可得到較小的葉片損失。Leishman與 Cumpsty［5］的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究表明，引氣量增加時(shí)傾斜引氣槽的壓力損失較小，但主流的流動(dòng)損失增大。顧楊等［6］對(duì)不同引氣量引起的壓氣機(jī)性能變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一臺(tái)七級(jí)高壓壓氣機(jī)，級(jí)間引氣有效地增加了壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度，引氣量增加時(shí)效率相應(yīng)降低。趙斌等［7］將引氣的影響計(jì)入壓氣機(jī)的通流設(shè)計(jì)，提出了一種基于周向槽引氣的引氣模型;該引氣模型和考慮引氣的通流設(shè)計(jì)方法能夠有效的將引氣設(shè)計(jì)參數(shù)及其影響反映在通流流場結(jié)果中。周文嘯等［8－10］通過數(shù)值模擬方法研究了多級(jí)壓氣機(jī)中間級(jí)的級(jí)間引氣對(duì)總體性能與局部流場的影響，對(duì)比分析了不同引氣量與引氣槽的方案。

從以上分析來看，還未見到公開發(fā)表的關(guān)于級(jí)間引氣對(duì)一維方案壓氣機(jī)流道形狀和性能影響研究的報(bào)道。壓氣機(jī)一維方案的研究是壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系中基礎(chǔ)和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)［11］，對(duì)一維方案程序增加引氣模塊，提高一維方案階段計(jì)算的準(zhǔn)確性，具有重要意義?；诖?，本文擬以GE公司的高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)(E3)壓氣機(jī)［12］為研究對(duì)象，采用改進(jìn)的一維方案計(jì)算程序，研究級(jí)間引氣在不同引氣量時(shí)壓氣機(jī)流道的變化，并分析其對(duì)性能的影響。

1 計(jì)算方法

本文使用的壓氣機(jī)一維方案計(jì)算程序源于俄羅斯進(jìn)口程序，包括多級(jí)軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算程序PCPM與特性計(jì)算程序HARIKA。該程序在每個(gè)葉片排的進(jìn)出口設(shè)立計(jì)算站，求解平均半徑處的變比熱理想氣體控制方程。在計(jì)算中所采用的攻角、落后角、流動(dòng)損失、效率和理論能頭經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型均由大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。計(jì)算程序應(yīng)用了(1)～(4)四個(gè)基本控制方程。

連續(xù)方程

能量方程

熱力學(xué)第一定律

廣義伯努利方程

設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，給定壓氣機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)后，程序可計(jì)算得到壓氣機(jī)的流道，以及各項(xiàng)氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)參數(shù)沿著軸向的分布;特性計(jì)算時(shí)，給定壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，程序可預(yù)估壓氣機(jī)不同轉(zhuǎn)速的總體性能，包括設(shè)計(jì)點(diǎn)與非設(shè)計(jì)點(diǎn)的總壓比及總效率。

本文計(jì)算采用的是改進(jìn)的PCPM程序和HARIKA程序。根據(jù)E3的設(shè)計(jì)性能參數(shù)，以及基于跨聲速多級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的葉排效率、落后角和理論能頭修正模型，對(duì)原型程序做了大量改進(jìn);在此基礎(chǔ)上，增加了級(jí)間引氣模塊，將級(jí)間引氣的影響納入一維方案計(jì)算的考慮范圍內(nèi)。

2 驗(yàn)證分析

改進(jìn)的壓氣機(jī)一維計(jì)算程序添加級(jí)間引氣模塊后，對(duì)E310級(jí)高壓壓氣機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。E3壓氣機(jī)的部分設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 E3壓氣機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)

E3壓氣機(jī)共10級(jí)，平均級(jí)壓比達(dá)到了1.368，進(jìn)口葉尖切線速度達(dá)到了451.8 m/s，負(fù)荷較高，且為跨聲速進(jìn)口級(jí)。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)壓比采用提高設(shè)計(jì)壓比的9%進(jìn)行，一維設(shè)計(jì)程序驗(yàn)證所得的流道結(jié)果見圖1。由圖可見計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值基本完全重合，流道計(jì)算是準(zhǔn)確的。

一維計(jì)算程序?qū)3壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的特性預(yù)估結(jié)果見圖2。由圖可見，特性計(jì)算的壓比與效率均與試驗(yàn)點(diǎn)吻合良好，一維特性計(jì)算的精度較高。

綜上所述，一維計(jì)算程序?qū)3高壓壓氣機(jī)的流道與性能預(yù)估準(zhǔn)確性較高，可作為級(jí)間引氣方案的計(jì)算工具。

圖1 E3壓氣機(jī)計(jì)算流道與設(shè)計(jì)流道

圖2 E3壓氣機(jī)特性計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算與結(jié)果分析

E3壓氣機(jī)在第5級(jí)與第7級(jí)引氣，引氣量分別為1.3%與2.3%。第2節(jié)驗(yàn)證計(jì)算中設(shè)定的引氣量與原方案相同?，F(xiàn)根據(jù)壓氣機(jī)的常見引氣量擬定三組引氣方案，第一組為原方案，第二組引氣量分別為2.6%與4.6%，第三組引氣量分別為3.25%與5.75%。第二與第三組引氣量分別為原方案的2倍與2.5倍。三種引氣方案的流道計(jì)算結(jié)果比較見圖3。方案2、3的6級(jí)、8級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口內(nèi)徑相對(duì)于方案1的變化見表2。

表2 E3壓氣機(jī)不同方案內(nèi)徑變化百分比

圖3 不同引氣方案的流道計(jì)算結(jié)果

由圖3與表2可見，在引氣位置前，三種方案的流道曲線完全重合，級(jí)間引氣對(duì)引氣位置上游的流道并無影響;流道的輪轂曲線在第5級(jí)引氣處開始收縮，在第7級(jí)引氣處再次收縮，級(jí)間引氣位置的流道會(huì)發(fā)生收縮，并且下游的流道也隨之收縮;隨著引氣量的增加，壓氣機(jī)流道面積的縮小量將會(huì)增加，引氣量越大，一維計(jì)算的流道相對(duì)越窄。

采用改進(jìn)的一維程序計(jì)算得到了三種級(jí)間引氣方案E3壓氣機(jī)性能的預(yù)估結(jié)果，三種方案的特性比較見圖4與圖5，方案2、3的特性相對(duì)于方案1的變化見表3。

表3 E3壓氣機(jī)不同方案性能變化百分比

由圖4、圖5與表3中數(shù)據(jù)可見，三組引氣方案的性能計(jì)算結(jié)果隨著引氣量的變化呈現(xiàn)單調(diào)的改變，計(jì)算流量隨引氣量的增加而減小，總壓比隨引氣量的增加而降低，總效率隨引氣量的增加而降低。級(jí)間引氣對(duì)一維性能預(yù)估的影響與引氣量的大小成正比關(guān)系。

圖4 三種引氣方案的壓比特性計(jì)算結(jié)果

圖5 三種引氣方案的效率特性計(jì)算結(jié)果

級(jí)間引氣抽走了主流中的部分氣體，直接影響到了引氣位置下游的主流氣體流量，隨著引氣量的增加，下游的主流流量相應(yīng)減小。而一維設(shè)計(jì)計(jì)算流道型線的主要影響因素之一便是主流氣體流量的大小，故隨著引氣量增加，下游流道呈現(xiàn)縮減的趨勢(shì)。同樣，一維特性計(jì)算性能預(yù)估時(shí)，計(jì)算流量隨著引氣量的增加而減小。綜上所述，壓氣機(jī)級(jí)間引氣對(duì)一維方案計(jì)算的影響主要包括兩個(gè)方面:一是設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)壓氣機(jī)流道型線的變化，二是特性計(jì)算時(shí)壓氣機(jī)總體性能參數(shù)的變化。

4 結(jié)論

本文研究了級(jí)間引氣對(duì)壓氣機(jī)流道型線和總體性能的影響，以E310級(jí)高壓壓氣機(jī)為研究對(duì)象，在改進(jìn)的一維計(jì)算程序中增加引氣模塊，首先進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，然后對(duì)比分析了三種引氣量計(jì)算方案，得出如下結(jié)論:

(1)在改進(jìn)的一維計(jì)算程序中增加引氣模塊，對(duì)E3高壓壓氣機(jī)的流道型線設(shè)計(jì)與性能預(yù)估準(zhǔn)確性較高，可作為級(jí)間引氣方案的計(jì)算工具;

(2)2倍和2.5倍原始引氣量方案改變了E3壓氣機(jī)流道型線內(nèi)徑，6級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口位置改變量分別為0.2%、0.3%，8級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口位置改變量分別為0.38%、0.57%，相對(duì)量值較小;對(duì)E3壓氣機(jī)的總壓比與總效率的影響較大，總壓比分別降低3.6%、8.0%，效率分別降低0.61%、0.97%;

(3)為了提高壓氣機(jī)一維方案設(shè)計(jì)和特性計(jì)算的精度，必須在程序中考慮引氣量的影響。

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