大級(jí)間引氣對(duì)軸流壓氣機(jī)級(jí)間性能的影響

張 軍，周成華，田小紅，黃 磊，蔣志軍，桂幸民

(1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500；2.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191；3.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072)

1 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，空氣系統(tǒng)需從壓氣機(jī)級(jí)間引氣，用于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口防冰和發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件冷卻等[1]。對(duì)于變循環(huán)、TBCC[2-3]等發(fā)動(dòng)機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)更寬的工作范圍，需要壓氣機(jī)提供更大的流量，為此對(duì)壓氣機(jī)級(jí)間引氣量的需求也越來(lái)越大。然而過(guò)大的級(jí)間引氣量，必然會(huì)增加壓氣機(jī)的級(jí)間匹配設(shè)計(jì)難度，帶來(lái)流場(chǎng)氣動(dòng)不穩(wěn)定、葉片振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)大和引氣損失大等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外在壓氣機(jī)引氣方式、引氣模型、引氣位置和引氣量等方面開(kāi)展了大量的研究工作。如Yuhas 等[4]通過(guò)地面試驗(yàn)，研究了F404-GE-400發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)內(nèi)部引氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。Leishman 等[5-7]對(duì)壓氣機(jī)引氣進(jìn)行了一系列機(jī)理研究，認(rèn)為引氣與主流干擾的本質(zhì)是無(wú)黏的壓力驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，并較強(qiáng)地依賴(lài)于引氣位置、引氣結(jié)構(gòu)形式和引氣量大小。趙斌等[8-10]采用數(shù)值模擬的方法，研究了引氣位置、引氣結(jié)構(gòu)形式等不同引氣方案對(duì)壓氣機(jī)級(jí)間性能及壓氣機(jī)總壓升、穩(wěn)定裕度的影響。姚丁夫等[11]采用CFD 方法對(duì)Stage35 和一臺(tái)9 級(jí)壓氣機(jī)開(kāi)展了引氣機(jī)理和級(jí)間匹配特性研究，結(jié)果表明轉(zhuǎn)子端壁引氣能夠提高級(jí)效率和級(jí)壓比。沙心國(guó)等[12]采用數(shù)值模型方法，研究了級(jí)間引氣對(duì)一臺(tái)高負(fù)荷8 級(jí)壓氣機(jī)總體性能、內(nèi)部流場(chǎng)和級(jí)間匹配特性的影響。顧楊等[13]針對(duì)一臺(tái)7 級(jí)高壓壓氣機(jī)，開(kāi)展了不同引氣量對(duì)其性能影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明級(jí)間引氣增加了壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度，引氣量增加時(shí)效率降低。陳業(yè)輝等[14]以一臺(tái)4 級(jí)壓氣機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量的方法研究了級(jí)間引氣量3.2%和5.4%工況下的壓氣機(jī)級(jí)間性能變化。強(qiáng)艷等[15]研究了級(jí)間放氣對(duì)壓氣機(jī)中低轉(zhuǎn)速性能和核心機(jī)起動(dòng)性能的影響。但這些研究工作大多是針對(duì)級(jí)間引氣量較小的狀態(tài)(一般不超過(guò)進(jìn)口流量的10%)，且所用方法多為數(shù)值模擬方法。

本文通過(guò)對(duì)一臺(tái)最大級(jí)間引氣量達(dá)24%的大級(jí)間引氣壓氣機(jī)開(kāi)展詳細(xì)的級(jí)間測(cè)量試驗(yàn)，采用基于流線曲率法改進(jìn)的通流計(jì)算方法對(duì)級(jí)間測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算、分析了大級(jí)間引氣試驗(yàn)狀態(tài)下的壓氣機(jī)流場(chǎng)，研究了大級(jí)間引氣對(duì)壓氣機(jī)級(jí)間性能(包括級(jí)間性能匹配和流場(chǎng)特征)的影響。

2 研究方法

研究對(duì)象為一臺(tái)大級(jí)間引氣9 級(jí)軸流壓氣機(jī)，其子午投影示意圖如圖1 所示。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)要求，該壓氣機(jī)需在部分工況下進(jìn)行大級(jí)間引氣以提高進(jìn)氣流量、增加發(fā)動(dòng)機(jī)推力。引氣位置設(shè)置在第3 級(jí)靜子后，最大級(jí)間引氣量可達(dá)進(jìn)口流量的20%以上。

圖1 9 級(jí)軸流壓氣機(jī)子午流路示意圖Fig.1 The meridional flow sketch of a 9-stage axial compressor

2.1 大級(jí)間引氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在大級(jí)間引氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為了實(shí)現(xiàn)較大的引氣流量，增加了第3 級(jí)靜子和第4 級(jí)轉(zhuǎn)子的軸向間隙(圖1)。為了盡可能以較低的損失將大量的氣體順利引出，開(kāi)展了多輪引氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流場(chǎng)仿真分析，從而得到了流路損失較小的大級(jí)間引氣結(jié)構(gòu)。大級(jí)間引氣結(jié)構(gòu)三維仿真網(wǎng)格如圖2 所示，最終的引氣結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖3。在第3 級(jí)靜子(S3)和第4 級(jí)轉(zhuǎn)子(R4)2 排葉片間的機(jī)匣處，沿周向開(kāi)24 個(gè)引氣孔，將氣流均勻地引到集氣腔內(nèi)；待氣流在集氣腔內(nèi)穩(wěn)定后，通過(guò)沿軸向均布的6 根引氣管引出并與試驗(yàn)臺(tái)架引氣管連接；通過(guò)調(diào)節(jié)引氣管閥門(mén)開(kāi)度控制級(jí)間引氣量，并在臺(tái)架引氣管中布置流量管測(cè)量引氣量。

圖2 大級(jí)間引氣結(jié)構(gòu)三維仿真網(wǎng)格Fig.2 The 3D simulation grid of high bleeding flow structure

圖3 大級(jí)間引氣結(jié)構(gòu)方案Fig.3 The structure of high bleeding flow

2.2 試驗(yàn)測(cè)試方案

試驗(yàn)在中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院全臺(tái)壓氣機(jī)試驗(yàn)器(圖4)上進(jìn)行。試驗(yàn)器主體由進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、齒輪增速器、動(dòng)力裝置、測(cè)試系統(tǒng)、電氣及試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)、潤(rùn)滑及應(yīng)急油路系統(tǒng)、引(放)氣系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)力電機(jī)帶動(dòng)齒輪增速器進(jìn)而帶動(dòng)試驗(yàn)件運(yùn)轉(zhuǎn)；利用進(jìn)氣和排氣節(jié)流裝置調(diào)節(jié)進(jìn)出口壓力，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件狀態(tài)調(diào)節(jié)。

圖4 試驗(yàn)器簡(jiǎn)圖Fig.4 The sketch of tester

在測(cè)試布局方面，壓氣機(jī)進(jìn)口物理流量通過(guò)試驗(yàn)器進(jìn)口流量管測(cè)取。流量管進(jìn)口沿周向均布了外壁靜壓孔采集靜壓，測(cè)量當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫ψ鳛榱髁抗苓M(jìn)口總壓，計(jì)算出進(jìn)口空氣物理流量。在壓氣機(jī)進(jìn)出口布置總溫、總壓復(fù)合探針，測(cè)取進(jìn)出口總溫、總壓。

在級(jí)間參數(shù)測(cè)量方面，通過(guò)在第1 級(jí)～第9 級(jí)靜葉前緣安裝的葉型受感部測(cè)取每級(jí)轉(zhuǎn)子后的總溫、總壓。每排靜葉選取2 個(gè)葉片安裝總壓葉型受感部，徑向共測(cè)量5 點(diǎn)，其中1 個(gè)葉片徑向測(cè)2 點(diǎn)，另1 個(gè)葉片徑向測(cè)3 點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)高度沿整個(gè)葉高等環(huán)面積分布；總溫葉型受感部的安裝方式與總壓的保持一致。測(cè)點(diǎn)位置沿徑向分布如圖5 所示。

圖5 級(jí)間測(cè)點(diǎn)沿徑向分布示意圖Fig.5 The positions along blade of inter-stage test point

試驗(yàn)時(shí)，利用前期試驗(yàn)確定的1 個(gè)使壓氣機(jī)性能較好的可調(diào)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)角度，然后保持該可調(diào)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)角度不變，調(diào)整壓氣機(jī)出口節(jié)氣閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)壓氣機(jī)出口背壓，并錄取壓氣機(jī)特性。在此過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)引氣管閥門(mén)開(kāi)度，保持特性線上每個(gè)點(diǎn)的級(jí)間引氣率(引氣流量/進(jìn)口流量)一致。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析方法

在級(jí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上，為了充分研究大級(jí)間引氣工況下壓氣機(jī)級(jí)間流場(chǎng)細(xì)節(jié)，采用基于級(jí)間測(cè)量數(shù)據(jù)求解S2 子午流面徑向平衡方程[16]，進(jìn)而獲得S2 子午流面參數(shù)的方法。利用該方法可以得到級(jí)間試驗(yàn)無(wú)法直接測(cè)量的氣流速度、角度、馬赫數(shù)分布等關(guān)鍵參數(shù)，由于關(guān)鍵參數(shù)直接采用試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，使其具有足夠的高仿真精度。

獲取S2 子午流面參數(shù)的核心算法在于求解的子午流面徑向平衡方程：

圖6 S2 流面變量定義Fig.6 Variable definitions of S2 meridional surface

求解公式(1)的關(guān)鍵在于求解焓、熵的分布，通過(guò)關(guān)聯(lián)級(jí)間測(cè)試的總溫、總壓，可得到每級(jí)的焓增量和熵增量：

式中：Δi為2 個(gè)計(jì)算站之間的總焓增，T*為前1 計(jì)算站的總溫，ΔT*為2 個(gè)計(jì)算站之間的總溫升，cp為等壓比熱容；Δs為2 個(gè)計(jì)算站之間的熵增，T為前1 計(jì)算站的靜溫，ΔT為2 個(gè)計(jì)算站之間的靜溫升，v為比體積。

帶入公式(1)進(jìn)行迭代求解，從而反演得到基于級(jí)間測(cè)試結(jié)果的子午流場(chǎng)。

3 結(jié)果與分析

選取壓氣機(jī)相對(duì)換算轉(zhuǎn)速0.8，分別開(kāi)展了3級(jí)后引氣率13%、17%、24%條件下的級(jí)間性能錄取試驗(yàn)，研究級(jí)間引氣量變化對(duì)壓氣機(jī)性能的影響。

3.1 級(jí)間引氣對(duì)總性能的影響

壓氣機(jī)在引氣率13%、17%、24%下的總性能如圖7 所示。可見(jiàn)，隨著3 級(jí)后引氣率增加，壓氣機(jī)最高效率逐漸降低，壓氣機(jī)堵點(diǎn)流量基本不變；喘點(diǎn)流量增加，壓氣機(jī)喘振邊界向右移動(dòng)，喘振裕度減小。

圖7 不同引氣率下的壓氣機(jī)總特性對(duì)比Fig.7 Comparison of the total performance of the compressor with different bleeding rate

3.2 工作點(diǎn)流場(chǎng)變化分析

發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作線與壓氣機(jī)特性線的交點(diǎn)(圖7(b)粉紅色方框內(nèi))為工作點(diǎn)，屬于壓氣機(jī)需要經(jīng)常工作的工況，因此對(duì)大級(jí)間引氣工況下壓氣機(jī)工作點(diǎn)流場(chǎng)變化的分析有著重要意義。

在大級(jí)間引氣工況下，引氣位置前后級(jí)轉(zhuǎn)子速度三角形理論變化趨勢(shì)如圖8 所示。其中，圖8(a)為引氣位置后面級(jí)軸向速度減小后的速度三角形變化趨勢(shì)，在假設(shè)轉(zhuǎn)子出口氣流角不變(β2=)的情況下，軸向速度由v1a減小為，扭速增加，轉(zhuǎn)子加功量增加；圖8(b)為引氣位置前面級(jí)軸向速度增加后的速度三角形變化趨勢(shì)，軸向速度由v1a增大為，扭速減小，轉(zhuǎn)子加功減小。

圖8 引氣位置前后速度三角型[11]Fig.8 Diagram of velocity triangle near the bleeding position

基于上述基本理論，選取各引氣率下近工作點(diǎn)的級(jí)壓比和級(jí)效率開(kāi)展級(jí)間參數(shù)沿軸向分布匹配分析。不同引氣率下的級(jí)壓比分布如圖9 所示?？梢?jiàn)，由于S3 后大級(jí)間引氣，第3 級(jí)轉(zhuǎn)子壓比降低最明顯，整個(gè)級(jí)壓比沿各級(jí)分布規(guī)律在第3 級(jí)處有較大的凹坑。隨著級(jí)間引氣量增大，引氣位置前面級(jí)(前3 級(jí))匹配壓比降低，后面級(jí)匹配壓比總體上提高；但在引氣量24%條件下，第4 級(jí)壓比反而降低。這說(shuō)明該引氣率過(guò)大，導(dǎo)致第4 級(jí)出現(xiàn)了局部失速區(qū)，這一引氣率已經(jīng)超過(guò)了第4 級(jí)能夠穩(wěn)定工作的最大引氣率。引氣量增加后，特別是增加到24%后，引氣位置前面級(jí)匹配壓比降低，但是后6 級(jí)匹配壓比并沒(méi)有提高以彌補(bǔ)前3 級(jí)降低的壓比，因此在整臺(tái)壓氣機(jī)總特性圖中(圖7)呈現(xiàn)出引氣量越大、喘點(diǎn)壓比越低、喘振裕度越小的趨勢(shì)。

圖9 不同引氣率下級(jí)壓比沿各級(jí)的分布Fig.9 Total pressure ratio distribution at stages with different bleeding rate

圖10 為不同引氣率下近工作點(diǎn)級(jí)效率沿各級(jí)的分布?？梢?jiàn)，大級(jí)間引量工況下，引氣位置后的第1 級(jí)(圖中第4 級(jí))匹配的級(jí)效率最低。這是因?yàn)榈? 級(jí)距離引氣下游位置最近，大量氣體從S3后的機(jī)匣位置引出后，導(dǎo)致R4 進(jìn)口流量劇烈變化、流場(chǎng)變化大、氣流容易發(fā)生分離，進(jìn)而導(dǎo)致該級(jí)效率低，且引氣量越大效率越低。

圖10 不同引氣率下級(jí)效率沿各級(jí)的分布Fig.10 Efficiency distribution at stages with different bleeding rate

圖11～圖13 示出了不同引氣率下引氣位置前1 級(jí)轉(zhuǎn)子(第3 級(jí)轉(zhuǎn)子，R3)和后1 級(jí)轉(zhuǎn)子(R4)的進(jìn)口軸向速度、攻角、無(wú)量綱壓比徑向分布。

圖11 不同引氣率下的轉(zhuǎn)子進(jìn)口軸向速度徑向分布Fig.11 Rotor inlet axial velocity along spanwise with different bleeding rate

從圖11(a)、圖12(a)、圖13(a)可以看出，隨著引氣率從13%增加到24%，R3 的軸向速度、攻角變化不大，壓比降低。其原因是由于該壓氣機(jī)在此工況下前3 級(jí)已經(jīng)進(jìn)入堵塞狀態(tài)，3 級(jí)后的引氣率變化對(duì)進(jìn)口流量影響不明顯，轉(zhuǎn)子壓比降低是由于引氣導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出口壓力降低引起的。從圖11(b)中可以看出，在大級(jí)間引氣量下，引氣位置后的1 級(jí)轉(zhuǎn)子(R4)進(jìn)口軸向速度呈現(xiàn)出從葉根到葉尖逐步減小的狀態(tài)。這是由于引氣孔設(shè)置在S3 后的機(jī)匣處(圖3)，大量氣流從機(jī)匣處被引出會(huì)大大降低引氣孔下游氣流的軸向速度，且這種影響在離引氣孔越近的位置越顯著。從圖8 中的速度三角形可知，進(jìn)口軸向速度降低后，轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣流角增大、攻角增大、轉(zhuǎn)子加功量增大，所以圖12(b)中R4 的攻角分布呈現(xiàn)出從葉根到葉尖逐步增大的趨勢(shì)。圖13(b)中，當(dāng)引氣率從13%增加到17%時(shí)，R4 尖部壓比提高；當(dāng)引氣率從17%增加到24%時(shí)，R4壓比反而出現(xiàn)了明顯的降低。這是因?yàn)閴罕仁怯赊D(zhuǎn)子加功量和效率共同決定的，當(dāng)引氣率達(dá)到24%時(shí)，攻角過(guò)大導(dǎo)致葉片損失增加、效率降低，雖然加功量增加，但效率大幅降低仍然會(huì)導(dǎo)致壓比降低。

圖12 不同引氣率下的轉(zhuǎn)子進(jìn)口軸向速度徑向分布Fig.12 Rotor inlet axial velocity along spanwise with different bleeding rate

圖13 不同引氣率下的轉(zhuǎn)子無(wú)量綱壓比徑向分布Fig.13 Non-dimensional total pressure ratio of rotor along spanwise with different bleeding rate

從級(jí)間參數(shù)的徑向分布可知，葉尖處的參數(shù)隨引氣率變化更明顯，從葉尖到葉根引氣率變化的影響逐步減弱，這與本文所采用的機(jī)匣引氣的結(jié)構(gòu)形式是相適應(yīng)的，大量氣流從機(jī)匣引氣孔引出，離引氣孔越近流場(chǎng)變化越大。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，不同引氣率下近工作點(diǎn)子午流面馬赫數(shù)分布如圖14 所示?？梢?jiàn)，隨著引氣量從13%增加到24%，S3 后引氣口位置的馬赫數(shù)首先降低，低速區(qū)范圍由機(jī)匣向輪轂區(qū)域逐漸發(fā)展并逐步增大；R4、S4 低速區(qū)范圍從葉尖開(kāi)始逐步增大，局部失速區(qū)范圍擴(kuò)大；與此同時(shí)，5 級(jí)以后低速區(qū)范圍主要從靜子葉中開(kāi)始增大，且級(jí)間引氣量越大，后面級(jí)靜子葉片的局部失速區(qū)越大，越容易使壓氣機(jī)進(jìn)入喘振，造成喘振裕度降低。

圖14 不同引氣率下的子午流面馬赫數(shù)分布Fig.14 The meridional Mach number distribution under different bleeding rate

3.3 大級(jí)間引氣對(duì)級(jí)特性匹配的影響

級(jí)流量系數(shù)是衡量級(jí)流通能力的重要參數(shù)，定義為級(jí)進(jìn)口軸向速度與轉(zhuǎn)子葉中切線速度之比。壓氣機(jī)級(jí)負(fù)荷系數(shù)[17]是衡量級(jí)負(fù)荷的一個(gè)重要特征系數(shù)，通常定義為級(jí)加功量與轉(zhuǎn)子葉中切線速度平方之比。圖15 為不同引氣率下引氣位置前1 級(jí)(R3)和后1 級(jí)(R4)的級(jí)負(fù)荷系數(shù)隨流量系數(shù)變化的級(jí)特性。從圖中可以看出，隨著引氣率逐步增加，第3 級(jí)匹配的級(jí)特性呈現(xiàn)出向右下方收縮的趨勢(shì)。最右下方粉紅色虛線框內(nèi)的點(diǎn)是整臺(tái)壓氣機(jī)處于堵塞工況時(shí)的第3 級(jí)特性匹配點(diǎn)，在不同引氣率下，該區(qū)域的流量系數(shù)變化不大，說(shuō)明第3 級(jí)工作在級(jí)特性的堵塞區(qū)，因此在總特性圖中(圖7)體現(xiàn)出壓氣機(jī)堵塞流量基本不變的特征。第4 級(jí)由于引氣量增加，流量系數(shù)明顯減小，該級(jí)工作的最大負(fù)荷系數(shù)變化不大。

圖15 不同引氣率下的負(fù)荷系數(shù)-流量系數(shù)級(jí)特性Fig.15 Loading coefficient -flow coefficient stage characteristics under different bleeding rate

圖16 為不同引氣率下的無(wú)量綱級(jí)效率隨流量系數(shù)變化的級(jí)特性。隨著引氣率增加，第3 級(jí)效率隨流量系數(shù)變化不大，第4 級(jí)效率降低。

圖16 不同引氣率下的無(wú)量綱效率-流量系數(shù)級(jí)特性Fig.16 Non-dimensional efficiency-flow coefficient stage characteristics under different bleeding rate

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)一臺(tái)9 級(jí)壓氣機(jī)開(kāi)展大級(jí)間引氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大級(jí)間引氣試驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，研究了大級(jí)間引氣對(duì)軸流壓氣機(jī)級(jí)間性能的影響，主要得出如下結(jié)論：

(1) 該壓氣機(jī)由于引氣位置前面的第3 級(jí)工作在級(jí)特性堵塞區(qū)，限制了整臺(tái)壓氣機(jī)的流量，增大級(jí)間引氣量無(wú)法提高壓氣機(jī)流量。

(2) 大級(jí)間引氣量下，級(jí)間引氣率從13% 增加到24%，由于引氣位置后面級(jí)出現(xiàn)局部失速區(qū)，后面級(jí)提升的增壓比不足以彌補(bǔ)引氣位置前面級(jí)降低的壓比，級(jí)間性能匹配惡化，導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振裕度降低。

(3) 采用機(jī)匣引氣，對(duì)引氣位置后的第1 級(jí)(該壓氣機(jī)的第4 級(jí))葉尖區(qū)域的流場(chǎng)匹配影響更明顯，從葉尖到葉根影響逐步減弱。