防冰引氣對(duì)組合壓氣機(jī)性能影響的數(shù)值模擬研究

賀　丹，李　杜，張錦綸，鄒學(xué)奇

（中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

防冰引氣對(duì)組合壓氣機(jī)性能影響的數(shù)值模擬研究

賀丹，李杜，張錦綸，鄒學(xué)奇

（中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

為了研究防冰引氣系統(tǒng)對(duì)軸流-離心組合壓氣機(jī)性能、內(nèi)部流場(chǎng)和級(jí)間匹配關(guān)系的變化的影響，以帶有防冰引氣系統(tǒng)的組合壓氣機(jī)為研究對(duì)象，在離心壓氣機(jī)離心葉輪約3/4相對(duì)弦長(zhǎng)位置輪緣處開(kāi)槽引氣，在軸流進(jìn)口導(dǎo)葉葉片表面開(kāi)孔噴氣，進(jìn)行3維數(shù)值模擬計(jì)算，并與不帶引氣和噴氣系統(tǒng)的原始?jí)簹鈾C(jī)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：防冰引氣會(huì)引起組合壓氣機(jī)的性能降低，喘振裕度減小；軸流前2級(jí)由于折合轉(zhuǎn)速下降，近工作點(diǎn)效率略有提高，但喘振裕度減??；離心級(jí)特性線向小流量方向移動(dòng)，效率降低，穩(wěn)定工作范圍減小。

組合壓氣機(jī)；防冰引氣；噴氣；數(shù)值模擬；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0　引言

目前，隨著科技水平發(fā)展，不論是軍用還是民用領(lǐng)域，對(duì)直升機(jī)的飛行要求也日益提高。由于直升機(jī)的飛行狀態(tài)變化大、環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，容易發(fā)生旋翼或發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰的現(xiàn)象［1］。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰會(huì)改變流道形狀，不僅影響其性能，還有可能引起冰塊打壞葉片，造成生命財(cái)產(chǎn)的重大事故。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為直升機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置，必須通過(guò)空氣系統(tǒng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有防冰能力。

采用壓氣機(jī)引氣，并傳輸?shù)竭M(jìn)口導(dǎo)葉內(nèi)腔進(jìn)行加熱的方法，可以較為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)防冰氣流的自動(dòng)或手動(dòng)控制，是較常用的防冰方式。防冰引氣作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)的一部分，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，其對(duì)壓氣機(jī)性能影響的研究文獻(xiàn)很少，而相關(guān)研究主要集中在空氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)性能的影響［2］，以及換熱結(jié)構(gòu)和空氣系統(tǒng)本身的分析等方面［3-4］。

對(duì)于壓氣機(jī)而言，可以通過(guò)引氣和噴氣對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行控制，無(wú)論是在軸流壓氣機(jī)［5-9］還是離心壓氣機(jī)領(lǐng)域［10-13］都是研究熱點(diǎn)，包括流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、引氣位置和流量、噴氣位置和流量等。壓氣機(jī)中引氣對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)的影響較為復(fù)雜，根據(jù)引氣位置、流量等關(guān)鍵參數(shù)的選取不同而對(duì)性能的影響有利有弊，而對(duì)于軸流-離心組合壓氣機(jī)的研究很少。在組合壓氣機(jī)中，由于引氣和噴氣會(huì)改變壓氣機(jī)級(jí)間參數(shù)，導(dǎo)致軸流各級(jí)和離心級(jí)工作在非設(shè)計(jì)折合轉(zhuǎn)速范圍，同時(shí)影響壓氣機(jī)各級(jí)進(jìn)口流場(chǎng)，必然會(huì)引起壓氣機(jī)性能的變化。

本文以組合壓氣機(jī)為研究對(duì)象，在離心壓氣機(jī)輪緣某位置開(kāi)槽引氣，在軸流進(jìn)口導(dǎo)葉葉片表面開(kāi)孔噴氣，研究此復(fù)雜的引氣、進(jìn)氣環(huán)境對(duì)組合壓氣機(jī)性能和級(jí)間匹配的影響。

1　數(shù)值計(jì)算

1.1研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為某軸流-離心組合壓氣機(jī)，引氣位置為離心葉輪約3/4相對(duì)弦長(zhǎng)位置輪緣處，形狀為環(huán)形槽。一部分防冰熱氣從進(jìn)口導(dǎo)葉軸頸進(jìn)入導(dǎo)葉內(nèi)部，通過(guò)導(dǎo)葉吸力面近尾緣處沿葉高方向分布的3個(gè)矩形孔進(jìn)入壓氣機(jī)主流道。組合壓氣機(jī)防冰引氣如圖1所示。

圖1　組合壓氣機(jī)防冰引氣

1.2網(wǎng)格模型

原始模型為某軸流-離心的組合壓氣機(jī)，為了驗(yàn)證防冰引氣對(duì)組合壓氣機(jī)的影響，對(duì)其性能進(jìn)行了全3維計(jì)算，采用NUMECA軟件的Autogrid模塊生成網(wǎng)格，每排葉片平均網(wǎng)格數(shù)在40萬(wàn)以上（離心葉輪網(wǎng)格在100萬(wàn)以上），并保證y+值小于10。

利用FINE/Turbo軟件對(duì)采用氣膜冷卻及抽吸氣技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行數(shù)值模擬，一般采用2種方法求解。1種是劃分氣膜孔或抽吸孔的網(wǎng)格后直接求解；另1種是源項(xiàng)法，即采用假設(shè)的方法，在葉片表面氣膜冷卻或抽吸位置相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)上添加質(zhì)量源項(xiàng)、動(dòng)量源項(xiàng)、能量源項(xiàng)，針對(duì)導(dǎo)葉表面噴氣，若建立氣孔、氣腔真實(shí)網(wǎng)格求解，網(wǎng)格劃分時(shí)間、網(wǎng)格規(guī)模、計(jì)算難度和求解時(shí)間將大大提高。為了節(jié)省時(shí)間和資源，在進(jìn)氣導(dǎo)葉處采用源項(xiàng)法，即導(dǎo)葉吸力面近尾緣處分別在15%、50%及85%葉高位置添加源項(xiàng)來(lái)模擬防冰氣體的噴入，如圖2（a）所示。對(duì)于離心葉輪輪緣處放氣槽，將環(huán)形槽與離心葉輪輪緣面之間的滑移片拆分做轉(zhuǎn)靜交界面，環(huán)形槽的網(wǎng)格如圖2（b）所示。離心葉輪處的引氣，用來(lái)對(duì)進(jìn)氣道支板和壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉葉片內(nèi)腔進(jìn)行加熱（而進(jìn)氣道支板不在本文研究的計(jì)算域內(nèi)），即對(duì)進(jìn)口導(dǎo)葉進(jìn)行防冰的氣流流量?jī)H為離心輪緣引氣流量的一部分，且進(jìn)口導(dǎo)葉的氣流溫度低于引氣點(diǎn)引氣溫度。因此，引氣及噴氣部分不能組成1個(gè)完整的自循環(huán)模式，其對(duì)壓氣機(jī)性能的影響是獨(dú)立的。

圖2　防冰引氣處理方法

1.3計(jì)算方法

3維數(shù)值計(jì)算采用時(shí)間平均法求解控制方程組加湍流模型的數(shù)值模擬方法，選用Spalart-Allmaras一方程湍流模型來(lái)封閉上述方程組。采用守恒形式的有限體積法、中心差分格式進(jìn)行空間離散，時(shí)間推進(jìn)采用4步Runge-Kutta法，利用多重網(wǎng)格和隱式殘差均化對(duì)流動(dòng)實(shí)施加速收斂，同時(shí)也節(jié)約了時(shí)間。

計(jì)算包括2個(gè)模型，即不帶防冰引氣系統(tǒng)的原始狀態(tài)組合壓氣機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“原始狀態(tài)”），以及帶離心引氣和進(jìn)口導(dǎo)葉尾緣噴氣的防冰引氣狀態(tài)組合壓氣機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“防冰引氣”）。計(jì)算工質(zhì)采用理想氣體，邊界條件設(shè)置為：進(jìn)口給定總壓、總溫和進(jìn)氣角，出口給定靜壓。每個(gè)葉片排計(jì)算單個(gè)通道，給定周期性的邊界，流固結(jié)合面給定固壁絕熱邊界。

計(jì)算通過(guò)逐漸加大組合壓氣機(jī)出口截面的靜壓獲得不同狀態(tài)點(diǎn)工況。計(jì)算得到原始狀態(tài)的性能曲線和流場(chǎng)結(jié)果。在防冰引氣的計(jì)算中，在相同背壓原始狀態(tài)計(jì)算結(jié)果中對(duì)應(yīng)的離心葉輪近輪緣引氣位置獲取引氣溫度，從而設(shè)定相應(yīng)的引氣量及導(dǎo)葉處的進(jìn)氣量進(jìn)行計(jì)算。隨壓氣機(jī)壓比的增大，防冰引氣的引氣量和進(jìn)口導(dǎo)葉的噴氣量隨著離心外罩引氣位置的溫度升高而減少。

2　防冰引氣的影響分析

2.1性能計(jì)算公式

總壓比、效率和穩(wěn)定裕度是衡量壓氣機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，因此，從這3方面對(duì)組合壓氣機(jī)的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

總壓比可表示為

文獻(xiàn)［14-15］分別對(duì)引氣及噴氣條件下的壓氣機(jī)效率進(jìn)行了探究，并給出了相應(yīng)的效率修正公式，但均不適用于本文防冰引氣的情況。為準(zhǔn)確評(píng)估壓氣機(jī)在防冰引氣條件下的效率，需同時(shí)考慮引氣及噴氣共同工作的作用。將氣流分為主氣流、噴氣氣流及引氣氣流3部分來(lái)對(duì)式（2）進(jìn)行修正。

壓氣機(jī)所需等熵壓縮功僅考慮主氣流，可表示為

壓氣機(jī)所需實(shí)際消耗功則需考慮主氣流、噴氣氣流及引氣氣流3部分，分別表示為

因此，帶防冰引氣的組合壓氣機(jī)的效率為

某折合轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)工作的穩(wěn)定工作裕度SM為

為合理比較2種狀態(tài)下組合壓氣機(jī)性能的變化，定義第1級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口截面為組合壓氣機(jī)進(jìn)口截面，即不包括進(jìn)口導(dǎo)葉部分。進(jìn)口導(dǎo)葉處噴氣僅改變壓氣機(jī)的進(jìn)口條件，故需對(duì)式（7）進(jìn)行相應(yīng)修正，修正公式為

圖3　流量-壓比特性

帶防冰引氣前、后壓氣機(jī)的性能特性對(duì)比如圖3～5所示（效率、壓比及流量均進(jìn)行無(wú)量綱化處理）。從圖3、4中可見(jiàn)，采用防冰引氣后，壓氣機(jī)的堵點(diǎn)折合流量減少了約0.56%，這是由于部分引氣流量被用于進(jìn)氣道的加熱而導(dǎo)致的；在整個(gè)流量范圍內(nèi)，壓比及效率均有所降低；就近設(shè)計(jì)點(diǎn)而言，帶防冰引氣的壓氣機(jī)折合流量約減少0.5%，效率約降低0.78%，壓比約降低0.68%。從圖5中可見(jiàn)，防冰引氣使得組合壓氣機(jī)的性能整體略有降低。采用防冰引氣前、后壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度降低了2.44%，說(shuō)明防冰引氣使得組合壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍明顯減小。

圖4　流量-效率特性

圖5　效率-壓比特性

2.2狀態(tài)比較

在防冰引氣狀態(tài)下，防冰熱氣從進(jìn)口導(dǎo)葉吸力面近尾緣位置進(jìn)入主流道，因此對(duì)第1級(jí)轉(zhuǎn)子的進(jìn)口條件必然產(chǎn)生影響。由于進(jìn)口導(dǎo)葉尾緣向主流道內(nèi)噴氣而形成的出口流場(chǎng)如圖6所示。在2種狀態(tài)下的導(dǎo)葉出口總溫分布如圖6（a）所示，可見(jiàn)在導(dǎo)葉尾緣下游形成了高溫區(qū)。導(dǎo)葉出口的總壓分布如圖6（b）所示，可見(jiàn)在原始狀態(tài)下，由于葉片尾跡而產(chǎn)生了低壓區(qū)；在防冰引氣狀態(tài)下，由于近尾緣處噴入較高能量氣體，在葉片下游的對(duì)應(yīng)位置形成了高壓區(qū)。

圖6　組合壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉出口流場(chǎng)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到的在防冰引氣狀態(tài)下參數(shù)的變化見(jiàn)表1，表中包括了軸流第1級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口、離心壓氣機(jī)進(jìn)口和組合壓氣機(jī)出口3個(gè)位置，其中近堵點(diǎn)、近工作點(diǎn)和近喘點(diǎn)均分別在相同背壓下進(jìn)行比較。從圖6中可見(jiàn)，在進(jìn)行防冰引氣之后，由于進(jìn)口導(dǎo)葉噴入了高溫氣體，在各狀態(tài)下軸流第1級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口總溫和總壓有所升高，折合轉(zhuǎn)速下降。

表1　防冰引氣造成的狀態(tài)變化

離心壓氣機(jī)進(jìn)口總溫相對(duì)于原始狀態(tài)的均有不同程度的升高，從近堵點(diǎn)到近喘點(diǎn)溫度的增幅變大，近喘點(diǎn)溫度上升幅度最大，折合轉(zhuǎn)速降低的幅度也隨之變大。組合壓氣機(jī)出口的變化趨勢(shì)與離心進(jìn)口的類(lèi)似，總壓的變化相對(duì)較小。

3　壓氣機(jī)級(jí)間匹配特性分析

壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉噴入高溫高壓氣體，導(dǎo)致第1級(jí)轉(zhuǎn)子前進(jìn)口條件變化，軸流第1級(jí)（不包括進(jìn)口導(dǎo)葉）的特性線變化情況如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，由于原始狀態(tài)下堵點(diǎn)到喘點(diǎn)進(jìn)口條件不變，因此折合轉(zhuǎn)速不變；在防冰引氣狀態(tài)下進(jìn)口總溫升高，折合轉(zhuǎn)速減小，并且由于從堵點(diǎn)到喘點(diǎn)的過(guò)程中進(jìn)口導(dǎo)葉防冰的噴氣熱量不斷減少，導(dǎo)致第1級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口折合轉(zhuǎn)速持續(xù)變化。因此，在防冰引氣的影響下，第1級(jí)轉(zhuǎn)子由于進(jìn)口總溫升高，折合轉(zhuǎn)速減小，壓氣機(jī)工作點(diǎn)向左移動(dòng)，同時(shí)進(jìn)口條件變化，穩(wěn)定工作范圍明顯減小。防冰引氣狀態(tài)近喘點(diǎn)與原始狀態(tài)相同背壓點(diǎn)的折合流量有較大幅度減小，將導(dǎo)致第1級(jí)較原始狀態(tài)更早失速，減小了壓氣機(jī)的喘振裕度。值得注意的，由于折合轉(zhuǎn)速下降，防冰引氣狀態(tài)下近工作點(diǎn)的級(jí)效率有所提高。

軸流第2級(jí)的特性曲線如圖8所示。與第1級(jí)相同的是，堵點(diǎn)折合流量減少，近喘點(diǎn)壓比減小，喘振裕度減小。但是由于特性線左移，最高效率點(diǎn)左移，導(dǎo)致在近設(shè)計(jì)壓比點(diǎn)效率有所提高，如圖8（c）所示。

圖7　軸流第1級(jí)特性曲線（不包括進(jìn)口導(dǎo)葉）

圖8　軸流第2級(jí)特性曲線

軸流第3級(jí)的特性曲線如圖9所示。與前2級(jí)不相同的是，在原始狀態(tài)和防冰引氣狀態(tài)下的軸流第3級(jí)進(jìn)口折合流量幾乎一致，喘振裕度降低幅度較小。在防冰引氣狀態(tài)下的近設(shè)計(jì)壓比點(diǎn)效率略有減小，如圖9（c）所示。

圖9　軸流第3級(jí)特性曲線

整個(gè)軸流級(jí)（不包括進(jìn)口導(dǎo)葉）的特性曲線如圖10所示。與前文所述的軸流前2級(jí)的特性趨勢(shì)基本一致，即堵點(diǎn)流量減小，喘振裕度減小，而近工作點(diǎn)壓比下的效率有所提高。

圖10　軸流級(jí)特性曲線（不包括進(jìn)口導(dǎo)葉）

離心壓氣機(jī)的特性曲線如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，由于軸流出口總溫的升高，離心壓氣機(jī)工作的折合轉(zhuǎn)速有所下降；在防冰引氣狀態(tài)下的堵點(diǎn)流量略有增加，壓比喘振裕度略有不足；由于離心葉輪輪緣位置存在放氣，因此離心級(jí)的效率為

圖11　離心壓氣機(jī)特性曲線

式中：Pr為離心壓氣機(jī)壓比；Tin、Tb、Tout分別為離心壓氣機(jī)進(jìn)口截面、離心葉輪外罩引氣處及離心壓氣機(jī)出口截面的總溫，K；Gb、Gout分別離心葉輪外罩引氣處及離心壓氣機(jī)出口截面的物理流量，kg/s。由此可見(jiàn)，防冰引氣的離心壓氣機(jī)隨著流量的減少，效率相對(duì)與于原始狀態(tài)降低得更加明顯。

5　結(jié)論

通過(guò)3維數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)防冰引氣條件下的組合壓氣機(jī)各級(jí)特性與原始狀態(tài)進(jìn)行了比較，分析了軸流各級(jí)和離心級(jí)的性能和匹配關(guān)系變化，得到如下結(jié)論：

（1）在整個(gè)流量范圍內(nèi)，防冰引氣使得壓比及效率均有所降低，并且組合壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度減小了2.44%。

（2）在防冰引氣狀態(tài)下，進(jìn)口折合流量有所減少，軸流轉(zhuǎn)子前折合轉(zhuǎn)速略有下降，軸流壓氣機(jī)作功能力減弱，但從近堵點(diǎn)到近工作點(diǎn)效率有所提高。

（3）不包括進(jìn)口導(dǎo)葉的軸流第1級(jí)特性變化較為明顯，流量范圍明顯減小，可能是造成整個(gè)組合壓氣機(jī)在防冰引氣狀態(tài)下喘振裕度減小的主要原因。軸流第3級(jí)特性變化較小。

（4）離心壓氣機(jī)受防冰引氣的影響，折合轉(zhuǎn)速降低，但堵點(diǎn)流量有所增加，喘振裕度略有減小，近工作點(diǎn)到近喘點(diǎn)的效率明顯降低。

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（編輯：張寶玲）

Numerical Simulation Investigation on Influence of Anti-icing Bleed on Performance of Combined Compressor

HE Dan，LI Du，ZHANG Jin-lun，ZOU Xue-qi
（Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou China 412002）

In order to research the influence of the anti-icing system on the performance of axial-centrifugal combined compressor，the internal flow field and the variation of inter-stage matching relation，taking the combined compressor with anti-icing system as research object，bleeding by opening slot at about 3/4 relative chord position flange of centrifugal impeller for a centrifugal compressor，injecting air by making holes on vane blade surface of axial flow inlet，the three-dimensional numerical simulation of the combined compressor was carried out and the comparison between the combined compressor with and without the anti-icing system was performed.The results show that the anti-icing system causes the degeneration of compressor performance and stall margin.Due to the decline of corrected rotation speed，the efficiency of the first and second axial stage is increased but the stall margin is decreased.The performance curve of the centrifugal compressor is moved towards low mass flow，the efficiency and the steady operation range are reduced.

combined compressor；anti-icing bleed；air injection；numerical simulation；aeroengine

V 211.6

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.011

2016-03-08

賀丹（1988），女，從事壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)工作：E-mail：676439801@qq.com。

引用格式：賀丹，李杜，張錦綸，等.防冰引氣對(duì)組合壓氣機(jī)性能影響的數(shù)值模擬研究［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（4）：63-68.HEDan，LIDu，ZHANGJinlun，et al.Numericalsimulationinvestigationoninfluenceofanti-icingbleedonperformanceofcombinedcompressor［J］.Aeroengine，2016，42（4）：63-68.