某4級(jí)軸流壓氣機(jī)自循環(huán)機(jī)匣擴(kuò)穩(wěn)研究

摘 要：本文對(duì)某四級(jí)軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速及部分轉(zhuǎn)速下的性能特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。為了改善該壓氣機(jī)在部分轉(zhuǎn)速下的“前喘后堵”現(xiàn)象，研究了采取端壁自循環(huán)處理措施對(duì)壓氣機(jī)裕度的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，端壁自循環(huán)處理能夠較大程度的提高壓氣機(jī)的部分轉(zhuǎn)速裕度，且端壁自循環(huán)處理還能提高100%轉(zhuǎn)速下的裕度。通過(guò)詳細(xì)的流場(chǎng)分析表明，通過(guò)端壁自循環(huán)處理大大提高了第一級(jí)轉(zhuǎn)子尖部的軸向速度，進(jìn)而減小了轉(zhuǎn)子尖部的氣流角，使得尖部的攻角減小，從而抑制的轉(zhuǎn)子的葉尖失速。

關(guān)鍵詞：多級(jí)軸流壓氣機(jī);失速裕度;自循環(huán)機(jī)匣處理

多級(jí)軸流壓氣機(jī)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的工作效率、可靠運(yùn)行等有著極為重要的影響。為了實(shí)現(xiàn)更高的推重比，就需要單級(jí)壓氣機(jī)在保證高效率的前提下能夠承受更大的載荷。然而級(jí)負(fù)荷的增加將會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度降低。此外實(shí)際運(yùn)行條件的復(fù)雜多變，壓氣機(jī)更多的是在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，其高效、穩(wěn)定的工作范圍就受到了以旋轉(zhuǎn)失速和喘振為典型代表的流動(dòng)失穩(wěn)的限制?，F(xiàn)階段實(shí)際工程應(yīng)用中，為了提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，有以下幾種常見(jiàn)的拓穩(wěn)措施：如壓氣機(jī)中間放氣、可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)流葉片和靜子葉片、機(jī)匣處理、葉頂噴氣技術(shù)等一系列方法，這些擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)措施對(duì)擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍均起到一定的作用，但大部分是以犧牲效率和增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性為代價(jià)的。

自循環(huán)機(jī)匣處理作為一種能夠兼顧失速裕度和絕熱效率兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)的控制方法，在離心壓氣機(jī)里面應(yīng)用和研究的比較廣泛，因?yàn)殡x心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)比較緊湊，自循環(huán)機(jī)匣處理在離心壓氣機(jī)里面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。FISHER[1]于1989年率先進(jìn)行了自循環(huán)機(jī)匣處理試驗(yàn)研究，試驗(yàn)證明機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)前后槽壓差是自循環(huán)回流流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。隨后HUNZIKER等[2-5]在高速離心壓氣機(jī)進(jìn)口設(shè)計(jì)了環(huán)狀槽自循環(huán)機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)，推遲了旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生。2004年NASA的STRAZISAR[6]在Stage35上進(jìn)行了初步自引氣數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究，最大引氣量為主流流量0.9%時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)2%～6%的失速裕度改善。2011年英國(guó)劍橋大學(xué)的DAY [7]重新對(duì)自循環(huán)噴氣的結(jié)構(gòu)（包括抽氣/噴氣位置、抽氣/噴氣孔形狀等參數(shù)）進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了自循環(huán)噴氣的最佳擴(kuò)穩(wěn)效果，發(fā)現(xiàn)對(duì)于以突尖型失速先兆進(jìn)入失速狀態(tài)的壓氣機(jī)，在動(dòng)葉葉頂布置24個(gè)自循環(huán)回路，能夠獲得6.1%的穩(wěn)定性裕度提升，峰值效率僅下降0.8%?？梢钥闯觯壳皩?duì)自循環(huán)噴氣在軸流壓氣機(jī)上的擴(kuò)穩(wěn)效果在一定程度上得到證實(shí)和認(rèn)可。

本文將以某四級(jí)軸流壓氣機(jī)為例，研究在多級(jí)環(huán)境下的自循環(huán)機(jī)匣處理對(duì)壓氣機(jī)的穩(wěn)定性影響機(jī)理。

1? 研究對(duì)象

本文研究的對(duì)象為某發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)，該壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式為四級(jí)軸流。由于該壓氣機(jī)負(fù)荷較高，在部分轉(zhuǎn)速下可能面臨裕度不足的風(fēng)險(xiǎn)，故嘗試使用端壁自循環(huán)技術(shù)擴(kuò)大該壓氣機(jī)的部分轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作范圍。

2? 數(shù)值計(jì)算方法

以端壁自循環(huán)處理采用NUMECA/ AutoGrid5模塊生成流道內(nèi)網(wǎng)格。噴嘴采用ANSYS Meshing劃分的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，邊界層采用三棱柱網(wǎng)格加密如圖1所示。圖2為引氣部分網(wǎng)格采用IGG劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。軸流級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉尖間隙為0.25mm，過(guò)渡段支板和軸流級(jí)靜子葉片根部無(wú)間隙。本文采用ANSYS CFX軟件完成各工況下的三維數(shù)值模擬。本文采用定常計(jì)算，求解三維定常的Navier-Stokes方程組，采用高分辨率格式和K-E湍流模型，轉(zhuǎn)靜子之間采用混合平面模型。同時(shí)，計(jì)算中使用多核并行計(jì)算技術(shù)以加快收斂速度。本文中自循環(huán)噴嘴位于第一級(jí)轉(zhuǎn)子前的導(dǎo)葉計(jì)算域內(nèi)，引氣口位于第二級(jí)靜子后。因?yàn)橐龤夂蛧姎馕恢玫闹芷跀?shù)不相等，在使用單通道網(wǎng)格計(jì)算時(shí)不便于將噴嘴和引氣塊使用整體網(wǎng)格連接，故而在此處使用了CFX的CEL函數(shù)邊界設(shè)置方法，構(gòu)成一個(gè)交叉引用邊界條件保證噴嘴與引氣口的通量守恒。

3? 結(jié)果分析

3.1? 總性能分析

如圖4所示，為端壁自循環(huán)處理相對(duì)于原始設(shè)計(jì)的部分轉(zhuǎn)速特性圖，表1為端壁自循環(huán)與原始設(shè)計(jì)裕度對(duì)比。由圖4a可以明顯看出，端壁自循環(huán)機(jī)匣處理在各個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能夠使喘振邊界點(diǎn)左移，相比于原始設(shè)計(jì)，每個(gè)轉(zhuǎn)速下的喘點(diǎn)壓比更高。由此表明自循環(huán)機(jī)匣處理能更好地?cái)U(kuò)寬該軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。此外由圖4b可以發(fā)現(xiàn)，相比于原始設(shè)計(jì)，添加自循環(huán)機(jī)匣處理后，由于引氣回路損失及噴氣摻混損失，該壓氣機(jī)的效率有所下降。

3.2? 流場(chǎng)特征分析

為了分析端壁自循環(huán)的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理，選取100%轉(zhuǎn)速下近失速點(diǎn)的實(shí)壁機(jī)匣和添加端壁自循環(huán)處理的兩個(gè)總壓比接近的算例作對(duì)比分析，分別選取第一級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口軸向速度的展向分布圖作為對(duì)比。如圖5所示，由該圖可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)自循環(huán)機(jī)匣處理大大提高了一級(jí)轉(zhuǎn)子前緣90%以上葉高范圍內(nèi)的軸向速度，且90%以下葉高的軸向速度也有所增加。圖6為第一級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣流角的展向分布圖，由此圖可以發(fā)現(xiàn)90%葉高以上的轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣流角有較大幅度的減小，90%葉高以下的轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣流角也有一定幅度的減小。由圖5、圖6可以看出通過(guò)端壁自循環(huán)處理大大提高了第一級(jí)轉(zhuǎn)子尖部的軸向速度，進(jìn)而減小了轉(zhuǎn)子尖部的氣流角，使得尖部的攻角減小，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)子葉尖的負(fù)荷，從而抑制的轉(zhuǎn)子的葉尖失速。

圖7為第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流的示意圖，圖中左側(cè)為實(shí)壁機(jī)匣的葉尖泄漏流線(xiàn)圖，右側(cè)為添加自適應(yīng)機(jī)匣處理的葉尖泄漏流線(xiàn)圖。由圖可以發(fā)現(xiàn)添加端壁自循環(huán)處理后的轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流受到了抑制，葉尖通道的堵塞效應(yīng)減小，使得該區(qū)域的流動(dòng)變得更穩(wěn)定。

4? 結(jié)論

本文以多級(jí)軸流壓氣機(jī)為例，對(duì)比研究了實(shí)壁機(jī)匣與自適應(yīng)機(jī)匣處理的壓氣機(jī)多個(gè)轉(zhuǎn)速下數(shù)值模擬結(jié)果，獲得主要結(jié)果如下：

（1）自適應(yīng)機(jī)匣處理在包括100%轉(zhuǎn)速下的多個(gè)轉(zhuǎn)速下均能擴(kuò)大壓氣機(jī)的裕度;

（2）自適應(yīng)機(jī)匣處理后， 抑制了間隙流的發(fā)展， 并有效地改善葉頂區(qū)的氣流進(jìn)氣角、出氣角及進(jìn)口軸向速度。同時(shí)還抑制葉背附面層的分離， 極大改善了葉片通道頂部區(qū)域的流動(dòng)狀況;

（3）本文中的自適應(yīng)機(jī)匣處理對(duì)壓氣機(jī)效率造成了一定的負(fù)面影響;

本文中自適應(yīng)機(jī)匣處理只是為了研究多級(jí)環(huán)境下的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理，并未針對(duì)工程應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，后續(xù)將針對(duì)具體應(yīng)用展開(kāi)噴嘴、引氣口的優(yōu)化工作，以期減小對(duì)壓氣機(jī)效率的影響。

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作者簡(jiǎn)介：

吳俊峰（1988—），男，漢族，湖北黃岡人，碩士，工程師，研究方向：壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性。