兩種不同靜子結(jié)構(gòu)對某組合壓氣機(jī)氣動性能影響分析

趙振國 韋威 楊華斌

摘 要：本文以某組合壓氣機(jī)為研究對象，從軸流末級靜子懸臂和帶內(nèi)環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式入手，數(shù)值研究了兩種結(jié)構(gòu)形式對組合壓氣機(jī)氣動性能的影響。結(jié)果表明：懸臂和帶內(nèi)環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式對軸流末級靜子性能的影響主要是葉尖間隙泄漏流。懸臂結(jié)構(gòu)可使組合壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍得到較大的擴(kuò)展，對組合壓氣機(jī)總體性能的影響幅度不大。輪轂旋轉(zhuǎn)對組合壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍的影響很小。

關(guān)鍵詞：靜子結(jié)構(gòu);組合壓氣機(jī);氣動性能;影響;分析

自上世紀(jì)五十年代成功地用于驅(qū)動直升機(jī)飛行以來，渦軸發(fā)動機(jī)因其獨(dú)特的優(yōu)點逐漸成為了現(xiàn)代軍用和民用直升機(jī)的主要動力裝置。經(jīng)過了大半個世紀(jì)的發(fā)展，渦軸發(fā)動機(jī)的性能獲得了巨大的改善[1，2]。作為渦軸發(fā)動機(jī)的核心部件之一，壓氣機(jī)性能的好壞直接影響了整臺發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)。目前中大功率和高壓比渦軸發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的典型結(jié)構(gòu)形式是軸流-離心組合壓氣機(jī)，這種結(jié)構(gòu)形式結(jié)合了軸流級大流量、流道平緩、高效率的特點和離心級寬穩(wěn)定工作范圍、單級壓比高、零件數(shù)少的特點[3-5]。為了保證軸流-離心組合壓氣機(jī)達(dá)到足夠的增壓比，離心級需要有較強(qiáng)的做功能力，這就要求軸流級末級流道下壓，以降低離心葉輪進(jìn)口輪轂半徑。由于軸流級末級靜子的附面層較厚，流道下壓會進(jìn)一步增大末級靜子的擴(kuò)壓度，容易加劇末級靜子的流動分離，導(dǎo)致壓氣機(jī)失穩(wěn)。因此對于軸流-離心組合壓氣機(jī)，如何有效控制軸流末級靜子內(nèi)的流動和延緩端區(qū)流動分離，具有一定的研究意義。

軸流-離心組合壓氣機(jī)軸流末級靜子的結(jié)構(gòu)形式一般有懸臂和帶內(nèi)環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式。本文以某組合壓氣機(jī)為研究對象，從軸流末級靜子結(jié)構(gòu)形式入手，數(shù)值研究了兩種不同的靜子結(jié)構(gòu)形式對組合壓氣機(jī)氣動性能的影響，為今后類似組合壓氣機(jī)的設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

1研究對象與研究方法

本文研究對象為某三級軸流加一級離心（3A1C）組合壓氣機(jī)，末級靜子分別采用懸臂結(jié)構(gòu)和帶內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖1所示。除了圖示結(jié)構(gòu)形式的不同外，末級靜子的葉型和流道保持一致，組合壓氣機(jī)其余部分的葉型和流道也保持一致。

末級靜子采用懸臂結(jié)構(gòu)和帶內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，盡管葉型和流道相同，但由于懸臂結(jié)構(gòu)靜子葉尖存在間隙，且輪轂面隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，二者在端區(qū)流動上會存在較大的差異[6-8]。因此本文分別從葉尖間隙和輪轂旋轉(zhuǎn)兩個方面數(shù)值研究了兩種結(jié)構(gòu)形式對組合壓氣機(jī)流場和性能的影響。

本文數(shù)值模擬研究采用CFX13.0軟件，計算域包括軸流級和離心級共十排葉片，采用TurboGrid13.0生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，定常計算求解三維Navier-Stokes方程組，差分格式采用高精度格式，湍流模型采用K-epsilon模型。為了使計算分析更具有可比性，本文各算例計算網(wǎng)格均采用相同的網(wǎng)格模板生成，網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)格密度均保持一致，計算邊界條件亦保持一致。

2數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1葉尖間隙對組合壓氣機(jī)氣動性能的影響

本文首先數(shù)值模擬了末級靜子葉尖無間隙和有間隙兩種情況下組合壓氣機(jī)設(shè)計轉(zhuǎn)速下多個工況的流場。圖2為兩種情況下末級靜子總壓恢復(fù)系數(shù)曲線，圖3為組合壓氣機(jī)流量-壓比特性，圖中曲線右側(cè)第一個點對應(yīng)的工況為設(shè)計工況。為便于比較，本文均各性能參數(shù)均采用相對值表示，即計算值與設(shè)計指標(biāo)的比值。

從圖3可以看出，對于該3A1C組合壓氣機(jī)，葉尖有無間隙對末級靜子總壓恢復(fù)系數(shù)存在較大的影響，在設(shè)計點附近，葉尖有間隙以后末級靜子總壓恢復(fù)系數(shù)下降了0.22%。從圖4可以看出，兩種情況下組合壓氣機(jī)流量堵點流量基本重合，設(shè)計點流量和壓比相差均在0.1%以內(nèi)，因此可以認(rèn)為組合壓氣機(jī)設(shè)計點性能基本相同。這是由于末級軸流壓氣機(jī)所承擔(dān)的負(fù)荷在組合壓氣機(jī)總負(fù)荷中占比較小，末級靜子總壓恢復(fù)系數(shù)的改變對組合壓氣機(jī)的影響不大。但是葉尖有間隙以后，組合壓氣機(jī)喘振裕度提高了8.8個百分點，因此可以認(rèn)為，末級靜子對裕度的貢獻(xiàn)比對性能更顯著，采用懸臂結(jié)構(gòu)的末級靜子由于葉尖間隙的存在，使組合壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍得到了擴(kuò)展。

圖4-圖5為兩種情況下組合壓氣機(jī)末級靜子葉尖無間隙的近喘點、末級靜子葉尖有間隙在相同壓比下的葉片尖部流場和葉片吸力面極限流線圖。圖中可以看出，葉尖有間隙時，在間隙區(qū)形成了由葉片壓力面流向葉片吸力面的間隙泄漏流，這股氣流吹散了靜子角區(qū)堆積的低能流體團(tuán)，緩解了靜子尖部的角區(qū)分離，從而延緩了壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速，擴(kuò)大了穩(wěn)定工作范圍。

2.2輪轂旋轉(zhuǎn)對組合壓氣機(jī)氣動性能的影響

當(dāng)末級靜子采用懸臂結(jié)構(gòu)時，由于其輪轂一般采用間隔環(huán)的連接形式，通過過盈配合固定在末級轉(zhuǎn)子盤和離心葉輪盤之間，此時末級靜子的輪轂流道會隨著轉(zhuǎn)子同轉(zhuǎn)速同方向的旋轉(zhuǎn)。因此本文數(shù)值模擬和分析了末級靜子輪轂旋轉(zhuǎn)對組合壓氣機(jī)氣動性能和靜子角區(qū)流場的影響。

圖6為末級靜子采用懸臂結(jié)構(gòu)時輪轂旋轉(zhuǎn)和靜止兩種情況下末級靜子總壓恢復(fù)系數(shù)曲線，圖7為組合壓氣機(jī)流量-壓比特性。從圖6可以看出，輪轂旋轉(zhuǎn)時末級靜子總壓恢復(fù)系數(shù)比輪轂靜止時增大了0.16%。從圖7可以看出，末級靜子輪轂旋轉(zhuǎn)可以使組合壓氣機(jī)效率有一定的提升，對組合壓氣機(jī)喘振裕度影響幅度很小，二者基本持平。

圖8、圖9為末級靜子輪轂旋轉(zhuǎn)和輪轂靜止時近喘點尖部流場和吸力面極限流線。圖中可以看出，輪轂旋轉(zhuǎn)對給了靜子輪轂面上氣流一個速度，與葉尖間隙泄漏流的速度方向相反，一定程度上抑制了葉尖間隙泄漏流，減小了近設(shè)計點處末級靜子葉尖的二次流損失。由于輪轂旋轉(zhuǎn)，組合壓氣機(jī)效率有所提升，但是靜子角區(qū)低能流體的堆積有所加重。綜合來看，輪轂旋轉(zhuǎn)對組合壓氣機(jī)氣動性能的影響較為微弱，占次要地位，懸臂靜子產(chǎn)生的影響還是以葉尖間隙泄漏流為主。

3結(jié)束語

本文以某3A1C組合壓氣機(jī)為研究對象，從軸流末級靜子懸臂和帶內(nèi)環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式入手，數(shù)值研究了兩種結(jié)構(gòu)形式對組合壓氣機(jī)氣動性能的影響，得出的結(jié)論如下：

（1）懸臂和帶內(nèi)環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式對軸流末級靜子性能的影響主要是靜子葉尖間隙泄漏流和輪轂旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的影響，以葉尖間隙泄漏流的影響為主;

（2）末級靜子對裕度的貢獻(xiàn)比對性能更為顯著，采用懸臂結(jié)構(gòu)的末級靜子由于葉尖間隙的存在，使組合壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍得到了顯著的擴(kuò)展;

（3）輪轂旋轉(zhuǎn)對組合壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的影響很小。

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作者簡介：

趙振國（1989—），男，漢族，江蘇徐州人，碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職于中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，研究方向：壓氣機(jī)氣動熱力學(xué)。