進(jìn)氣畸變對(duì)大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中介機(jī)匣性能的影響

莊皓琬，李 斌，滕金芳*，羌曉青

(1.上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院,上海 200240；2.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心,上海 200240)

進(jìn)氣畸變對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和氣動(dòng)穩(wěn)定性有非常大的影響[1]。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)通常是在均勻進(jìn)氣條件下進(jìn)行的,但在實(shí)際工作中,進(jìn)氣畸變無(wú)法避免,因此發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流所流經(jīng)的壓縮部件流道,實(shí)際上都在進(jìn)氣畸變的條件下工作[2-4]。進(jìn)氣畸變引出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的相容性問(wèn)題,降低了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和穩(wěn)定工作裕度,威脅飛機(jī)的飛行安全,因而對(duì)進(jìn)氣畸變問(wèn)題學(xué)術(shù)界與工業(yè)界都開(kāi)展了廣泛研究。其中影響最大的是《燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)畸變?cè)u(píng)定指南》ARP1420[5]，以及《燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總壓畸變?cè)u(píng)定方法》AIR1419[6]。ARP 1420為各方面人士提供了連接的紐帶并指明了共同發(fā)展的方向[1],AIR 1419則全面概括了流場(chǎng)畸變方面的重要內(nèi)容。

近年來(lái)開(kāi)展的進(jìn)氣畸變的實(shí)驗(yàn)研究[7-9]以及數(shù)值模擬研究[10-12]重點(diǎn)關(guān)注的是畸變對(duì)風(fēng)扇、壓氣機(jī)葉片的氣動(dòng)性能和失速的影響。目前,中國(guó)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)立項(xiàng)并開(kāi)始研制,在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮系統(tǒng)中,大半徑的風(fēng)扇和小半徑的高壓壓氣機(jī)之間的S型過(guò)渡段即中介機(jī)匣承接了上下游的流場(chǎng)。為了降低耗油率,目前先進(jìn)的民用發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比已經(jīng)超過(guò)10,由此帶來(lái)的大折轉(zhuǎn)角和擴(kuò)散度,使得中介機(jī)匣內(nèi)流動(dòng)分離損失和出口流場(chǎng)畸變度已經(jīng)成為重要的研究課題[13]。在沒(méi)有轉(zhuǎn)子葉片的壓氣機(jī)中介機(jī)匣流道中,進(jìn)氣畸變會(huì)對(duì)出口流場(chǎng)造成何種影響,這是急待解決的問(wèn)題。本文將針對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的中介機(jī)匣流道,選取根據(jù)AIR 1419[6]進(jìn)氣畸變區(qū)位于根部的空間位置,在流道進(jìn)口前的下壁面增加擾流器以形成根部進(jìn)氣畸變,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)氣畸變對(duì)中介機(jī)匣流道氣動(dòng)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院葉柵實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞中進(jìn)行,氣源由羅茨風(fēng)機(jī)提供,其功率500 kW,進(jìn)口流量343 m3/min,最大壓升為68.6 kPa。風(fēng)機(jī)導(dǎo)管出口連接擴(kuò)張段和穩(wěn)壓箱,穩(wěn)壓箱直徑800 mm,內(nèi)裝三道阻尼網(wǎng)和一道蜂窩器；穩(wěn)壓箱后連接1/4扇形轉(zhuǎn)接段。實(shí)驗(yàn)時(shí)將實(shí)驗(yàn)件裝在扇形轉(zhuǎn)接段上,后面接扇形節(jié)流段和出口節(jié)流錐。實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞示意圖如圖1(a)所示。插板擾流器廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣畸變實(shí)驗(yàn)中,利用插板擾流器模擬進(jìn)氣畸變流場(chǎng)是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、方便實(shí)用的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)為了模擬進(jìn)口徑向流場(chǎng)畸變,將擾流器安裝于扇形轉(zhuǎn)接段距離中介機(jī)匣實(shí)驗(yàn)件進(jìn)口150 mm處的內(nèi)壁面根部,擾流器截面為矩形,高20 mm,占中介機(jī)匣進(jìn)口20%葉高范圍,寬10 mm,如圖1(b)所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞和根部擾流器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the wind tunnel and spoiler at the hub

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為中介機(jī)匣的1/4通道(扇形段),如圖2(a)所示。實(shí)驗(yàn)件由內(nèi)、外壁流道型面,左、右側(cè)壁,前、后安裝邊,中間1個(gè)厚支板葉片,左、右間隔30°各1個(gè)薄支板葉片組成。圖2(b)展示了實(shí)驗(yàn)件進(jìn)出口截面測(cè)點(diǎn)軸向位置的示意圖。利用裝在位移機(jī)構(gòu)上的總溫和總壓氣動(dòng)探針,對(duì)中介機(jī)匣實(shí)驗(yàn)件的進(jìn)、出口截面進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量,得到進(jìn)、出口截面的總溫和總壓參數(shù)的分布。截面的測(cè)量位置可以通過(guò)探針位移機(jī)構(gòu)調(diào)整,軸向位置有三個(gè):進(jìn)口總溫、總壓測(cè)量位置位于進(jìn)口安裝邊前25 mm截面,出口位于實(shí)驗(yàn)件出口安裝邊后170 mm處,徑向位置位于實(shí)驗(yàn)件上、下壁間等間距測(cè)量,并離開(kāi)上、下壁面各1 mm。在上、下壁沿大、小支板之間中間法向距離的流線(xiàn)位置各均勻布置30個(gè)靜壓測(cè)孔。數(shù)據(jù)采集用PSI 9116智能型壓力掃描閥,測(cè)量精度可達(dá)到±0.05%全量程。

為了量化分析中介機(jī)匣的性能,引入了總壓恢復(fù)系數(shù)δ和表面壓力系數(shù)Cp,分別定義為

(1)

(2)

圖2 中介機(jī)匣實(shí)驗(yàn)件和進(jìn)出口測(cè)量截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the intermediate duct test sample and measuring points of inlet and outlet section

圖3 實(shí)驗(yàn)件有無(wú)進(jìn)氣畸變的進(jìn)、出口總壓、總溫及馬赫數(shù)分布Fig.3 Radial distributions of total pressure, total temperature and Ma at the inlet and outlet

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)、出口總溫、總壓和馬赫數(shù)分布

圖3給出了實(shí)驗(yàn)件安裝擾流部件前后的進(jìn)、出口總壓、總溫及馬赫數(shù)的分布圖。

圖3(a)、3(b)給出了不同進(jìn)氣條件下中介機(jī)匣實(shí)驗(yàn)件進(jìn)口總壓和總溫的徑向分布,相對(duì)于均勻進(jìn)氣條件,在實(shí)驗(yàn)件進(jìn)口前安裝擾流器,使得中介機(jī)匣的進(jìn)口截面流場(chǎng)發(fā)生了很大變化。均勻進(jìn)氣條件下的總壓恢復(fù)系數(shù)為0.980 2,總壓損失系數(shù)為0.049 7；而進(jìn)氣畸變后的總壓恢復(fù)系數(shù)僅有0.973 5,總壓損失系數(shù)增加到0.147 1,相對(duì)于均勻進(jìn)氣分別變化了0.684%和9.74%。進(jìn)口的總溫總壓在徑向上振蕩明顯,尤其是通道整體高度40%以下區(qū)域,由于擾流器阻礙氣流正常通過(guò),使氣流產(chǎn)生分離,在根部靠近壁面處總壓顯著降低。而由于根部氣流發(fā)生堵塞,使得主流區(qū)氣流通流面積減小,流速加快,總壓增加,但在上壁面接近端壁區(qū)由于黏性作用導(dǎo)致總壓降低。進(jìn)口總溫分布在通道高度40%以下開(kāi)始加速下降,接近端壁處達(dá)到最低。由圖3(a)、圖3(b)可以看出進(jìn)口氣流存在徑向總壓和總溫的畸變。

圖3(c)、圖3(d) 給出了不同進(jìn)氣條件下中介機(jī)匣實(shí)驗(yàn)件出口總壓和總溫的徑向分布。可以看出,均勻進(jìn)氣條件下出口總壓比較均勻,在靠近上端壁部分損失不明顯,而在下端壁部分損失相對(duì)較大?？倻胤植稼厔?shì)較平緩。在畸變進(jìn)氣條件下,可以明顯看到出口總壓波動(dòng)幅度加大；但相較于進(jìn)口總壓約30%的波動(dòng)量,在出口處已經(jīng)減小到了約10%；出口中部葉高以上區(qū)域總壓依舊高于通道高度40%以下區(qū)域,但差異較進(jìn)口顯著減小?？倻卦诔隹趲缀鯎交炀鶆?但溫度更高,這表明進(jìn)氣總溫的畸變度經(jīng)過(guò)中介機(jī)匣流道后得到了很好的改善。

圖3(e)顯示了馬赫數(shù)(Ma)的變化?？梢钥吹竭M(jìn)氣畸變導(dǎo)致進(jìn)口處的Ma發(fā)生了較大的變化,尤其是40%葉高以下的區(qū)域。出口的流動(dòng)特征也發(fā)生了較大的變化,Ma在畸變條件下20%高度下減小較明顯,速度分布不均勻度加大。

2.2 上、下端壁壓力系數(shù)分布

圖4 有無(wú)進(jìn)氣畸變條件下上、下壁面沿流道靜壓分布對(duì)比Fig.4 The static pressure distributions along streamline of inner and outer wall with/without inlet distortion

實(shí)驗(yàn)利用壓力掃描閥對(duì)均勻進(jìn)氣和畸變進(jìn)氣兩種條件下中介機(jī)匣實(shí)驗(yàn)件上下壁面沿流線(xiàn)分布的靜壓進(jìn)行了測(cè)量,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了無(wú)量綱化,如圖4所示。由圖4可見(jiàn),在支板存在區(qū)域內(nèi)兩種進(jìn)氣條件下上下壁面壓力發(fā)展趨勢(shì)相同；在上壁面,靜壓沿流向在靠近前后端均出現(xiàn)拐點(diǎn)后大部分呈下降趨勢(shì)；在下壁面,靜壓均是逐漸增大；在支板前36.7%弦長(zhǎng)的軸向位置處,有無(wú)進(jìn)氣畸變的流動(dòng)都存在一個(gè)加減速的臨界點(diǎn)。在進(jìn)口附近,由于進(jìn)氣畸變的影響,使得下壁面靜壓要大于上壁面,隨著流動(dòng)的發(fā)展,上壁面靜壓迅速增大,并在20%流道長(zhǎng)度處出現(xiàn)拐點(diǎn),之后靜壓逐漸降低,上下壁面壓力發(fā)展與均勻進(jìn)氣條件保持相同趨勢(shì)。圖4中上下壁面壓差即為流道內(nèi)的徑向壓力梯度(由上壁面到下壁面為正),可以看出壓力梯度呈先增大后減小至零后又反向增大的趨勢(shì)?；儣l件下壓力梯度變化更為激烈:初期為負(fù)壓力梯度,然后迅速減小為零后反向增加,在支板前即突擴(kuò)處正壓力梯度最大,之后逐漸減小繼而再反向增大。

2.3 出口截面速度場(chǎng)分布

圖5 進(jìn)氣均勻和畸變下的出口截面速度場(chǎng)分布Fig.5 Measured velocity distribution of different radius at outlet section with/without inlet distortion

為了進(jìn)一步說(shuō)明進(jìn)氣畸變對(duì)中介機(jī)匣出口流場(chǎng)的改變,采用三孔探針和熱線(xiàn)風(fēng)速儀對(duì)出口截面流場(chǎng)進(jìn)一步測(cè)量。圖5給出了進(jìn)氣均勻和畸變兩種條件下的出口截面速度場(chǎng)分布。由圖5可以直觀(guān)地看出,在均勻進(jìn)氣條件下尾跡區(qū)在出口截面上較為明顯,主流區(qū)速度較為均勻,支板兩側(cè)流動(dòng)對(duì)稱(chēng)性較好；畸變進(jìn)氣條件下支板葉片尾跡與主流氣體已明顯摻混；相比于均勻進(jìn)氣條件,主流速度明顯降低。

3 結(jié)論

選取大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)中介機(jī)匣作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象,在實(shí)驗(yàn)件進(jìn)口前的轉(zhuǎn)接段內(nèi)壁面根部安裝占20%徑向高度的擾流器,以模擬進(jìn)氣的根部流場(chǎng)畸變,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得出如下主要結(jié)論。

(1)進(jìn)氣畸變導(dǎo)致進(jìn)口截面的總壓恢復(fù)和總壓損失系數(shù)相較于均勻進(jìn)氣分別下降了0.684%和增加了9.74%；總壓和總溫在通道整體高度40%以下區(qū)域虧損嚴(yán)重。在出口截面,進(jìn)氣畸變導(dǎo)致總壓波動(dòng)幅度較均勻進(jìn)氣更大,出口中部葉高以上區(qū)域總壓遠(yuǎn)高于通道高度40%以下區(qū)域；出口總溫由于氣流的摻混明顯高于均勻進(jìn)氣條件,出口速度明顯降低。

(2)中介機(jī)匣對(duì)進(jìn)口徑向畸變沿流向的發(fā)展有明顯改善作用。機(jī)匣上、下壁面沿流線(xiàn)分布的靜壓在畸變開(kāi)始時(shí)差異最大,隨后沿流向有所改善；畸變氣流通過(guò)中介機(jī)匣后,總溫和總壓分布較進(jìn)口的畸變度下降且分布更加均勻；相較于進(jìn)口畸變總壓約30%的波動(dòng)量,在出口處已經(jīng)減小到了約10%；總溫在出口幾乎摻混均勻；支板葉片尾跡與主流氣體的摻混較均勻進(jìn)氣更為充分。