渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙影響的研究

孫澤良 李 斌

中國航發(fā)動(dòng)力股份有限公司 西安 710021

1 研究背景

風(fēng)扇是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分,是發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)氣流做功的最前端,它的性能是影響整機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一。目前的風(fēng)扇設(shè)計(jì)要求為高壓比、高流通能力、高穩(wěn)定工作范圍[1]。風(fēng)扇內(nèi)部氣流流動(dòng)非常復(fù)雜,具有大逆壓梯度、非定長(zhǎng)、跨聲速,以及存在強(qiáng)烈的三元效應(yīng)等特點(diǎn)。風(fēng)扇內(nèi)部實(shí)際流動(dòng)存在一定損失,轉(zhuǎn)子葉尖間隙引起的倒流和潛流等損失是其中的重要組成部分,占比接近流動(dòng)總損失的一半[2-3]。在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙設(shè)計(jì)中,既要考慮到間隙過大會(huì)帶來較大的氣流損失,又要考慮間隙過小易導(dǎo)致風(fēng)扇實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子與靜子發(fā)生碰撞的危險(xiǎn),因此風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙的確定極其重要。國內(nèi)外針對(duì)風(fēng)扇與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙流動(dòng)開展了大量研究,研究成果表明,風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙增大,風(fēng)扇壓比、效率均會(huì)降低,穩(wěn)定工作裕度減小[4-9]。根據(jù)軸流壓氣機(jī)原理,葉尖間隙容易產(chǎn)生二次流,對(duì)軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定性有較大影響[10]。充分認(rèn)識(shí)葉尖間隙實(shí)際流動(dòng)過程,對(duì)提高風(fēng)扇性能和穩(wěn)定工作范圍具有重要意義。

某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)隨工作時(shí)間的增加性能下降明顯,大修分解檢查發(fā)現(xiàn),風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙變化比較明顯。為確定發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降的原因,提高發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)使用性能,筆者以該發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件為研究對(duì)象,開展風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙影響研究,確定發(fā)動(dòng)機(jī)修理控制措施。

2 研究對(duì)象

研究對(duì)象為某發(fā)動(dòng)機(jī)五級(jí)風(fēng)扇,由一級(jí)進(jìn)口導(dǎo)流葉片、五級(jí)轉(zhuǎn)子葉片和五級(jí)靜子葉片組成,其中,第1級(jí)、第5級(jí)轉(zhuǎn)子葉片帶阻尼臺(tái)。筆者的計(jì)算在最大轉(zhuǎn)速為8 458 r/min時(shí)開展。風(fēng)扇流道如圖1所示。

▲圖1 風(fēng)扇流道

風(fēng)扇各級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖間隙圖紙?jiān)O(shè)計(jì)值為冷態(tài)值,實(shí)際工作過程中,受溫度及轉(zhuǎn)速影響,葉尖間隙會(huì)發(fā)生變化。筆者計(jì)算的葉尖間隙是在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)值為冷態(tài)間隙基礎(chǔ)上,通過計(jì)算變形后得到的。各級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖間隙計(jì)算值見表1。

表1 各級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖計(jì)算間隙 mm

3 數(shù)值模擬方法

筆者采用NUMECA軟件,應(yīng)用Autogrid5.0生成網(wǎng)格,各葉片排風(fēng)通道內(nèi)均使用C型貼體網(wǎng)格,葉片前后緣處對(duì)網(wǎng)格加密。帶阻尼臺(tái)的第1級(jí)、第5級(jí)轉(zhuǎn)子葉片沿徑向分為三塊,并且在阻尼臺(tái)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。采用Fine-Turbo模塊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,發(fā)動(dòng)機(jī)給定軸向進(jìn)氣,絕對(duì)氣流角為0°,進(jìn)口邊界處的總溫度認(rèn)為是均勻的,進(jìn)口總壓設(shè)置為101 325 Pa,進(jìn)口總溫度設(shè)置為288.6 K,出口邊界以平均靜壓來計(jì)算。

4 計(jì)算分析

4.1 總體性能分析

最大轉(zhuǎn)速下不同葉尖間隙風(fēng)扇特性如圖2、圖3所示,可以看出隨著葉尖間隙的增大,五級(jí)風(fēng)扇的效率、壓比、流量都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。當(dāng)五級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙由最小間隙退化為最大間隙時(shí),風(fēng)扇最高效率降低0.69個(gè)百分點(diǎn),最大壓比降低1.11%,流量降低0.22%。

▲圖2 最大轉(zhuǎn)速下不同葉尖間隙風(fēng)扇流量效率特性▲圖3 最大轉(zhuǎn)速下不同葉尖間隙風(fēng)扇流量總壓比特性

4.2 流場(chǎng)分析

葉尖間隙的變化在葉尖區(qū)域的影響最為明顯。葉尖間隙最小和最大時(shí)99%葉高處馬赫數(shù)云圖分別如圖4、圖5所示,可以看出在轉(zhuǎn)子葉尖處,葉尖間隙最大時(shí)較最小時(shí)低馬赫數(shù)區(qū)面積明顯增大。可以初步得到結(jié)論,葉尖間隙增大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉尖通道處產(chǎn)生低速區(qū),這很可能是五級(jí)風(fēng)扇性能下降的原因。

▲圖4 葉尖間隙最小時(shí)99%葉高處馬赫數(shù)云圖▲圖5 葉尖間隙最大時(shí)99%葉高處馬赫數(shù)云圖

葉尖間隙最小和最大時(shí)第1級(jí)至第5級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖處的泄漏流線圖分別如圖6、圖7所示。圖7較圖6縱向泄漏流線明顯增多,即在葉尖間隙變大時(shí),葉尖處的泄漏會(huì)增大,較明顯的變化發(fā)生在轉(zhuǎn)子第3級(jí)和轉(zhuǎn)子第5級(jí)葉尖處。在小葉尖間隙時(shí),葉尖處的泄漏流從一個(gè)通道進(jìn)入另一個(gè)通道,并順沿該通道流到下一級(jí)。當(dāng)葉尖間隙增大時(shí),轉(zhuǎn)子第3級(jí)和轉(zhuǎn)子第5級(jí)葉尖處的泄漏流從一個(gè)通道進(jìn)入下一個(gè)通道,會(huì)有部分泄漏流繼續(xù)進(jìn)入再下一個(gè)通道,為二次泄漏流,這些泄漏流與主流摻混在葉尖通道處,形成低速區(qū),導(dǎo)致流場(chǎng)損失增加。由此可見,葉尖間隙增大會(huì)導(dǎo)致葉尖處的泄漏流增多,產(chǎn)生二次泄漏流,并在葉尖通道處形成低速區(qū),進(jìn)而導(dǎo)致五級(jí)風(fēng)扇性能衰退。

▲圖6 葉尖間隙最小時(shí)轉(zhuǎn)子葉尖處泄漏流線圖

▲圖7 葉尖間隙最大時(shí)轉(zhuǎn)子葉尖處泄漏流線圖

4.3 主要影響級(jí)分析

葉尖間隙最小和最大時(shí)五級(jí)風(fēng)扇各級(jí)的效率如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)葉尖間隙增大時(shí),前三級(jí)的效率下降很小,分別下降0.12、0.14、0.26個(gè)百分點(diǎn),第4級(jí)效率下降0.57個(gè)百分點(diǎn),第5級(jí)效率下降最大,達(dá)到1.72個(gè)百分點(diǎn)。由以上分析結(jié)果可以推斷,第5級(jí)效率下降最大。

▲圖8 葉尖間隙最小和最大時(shí)風(fēng)扇各級(jí)效率

5 結(jié)論

筆者采用數(shù)值仿真對(duì)五級(jí)風(fēng)扇進(jìn)行計(jì)算分析,對(duì)比不同葉尖間隙時(shí)的風(fēng)扇性能及流場(chǎng),主要研究結(jié)論如下:

(1) 葉尖間隙增大時(shí),風(fēng)扇的效率、壓比、流量都呈現(xiàn)下降趨勢(shì);

(2) 葉尖間隙增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉尖處的泄漏流增多,同時(shí)產(chǎn)生二次泄漏流,導(dǎo)致在葉尖通道處產(chǎn)生低速區(qū),這是導(dǎo)致風(fēng)扇性能效率降低的主要原因；

(3) 轉(zhuǎn)子第5級(jí)葉尖間隙變化是影響風(fēng)扇性能變化的主要級(jí)。