多級軸流壓氣機級間性能試驗研究

楊 靈，溫珍榮

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

1 引言

壓氣機是航空發動機的重要部件，其技術含量高、設計難度大、研制周期長，一直是發動機研制中的關鍵環節。多級軸流壓氣機內部存在著非常復雜的非定常流動現象，其流動過程呈現出很強的三維、粘性和非定常特點，單純進行總性能試驗無法了解其內部氣流的真實流動和各級間的匹配。因此有必要開展級間參數測量試驗，提高對其內部復雜流動現象的認識，探索這些復雜現象內隱含的流動機理，揭示其內部流動規律，提高設計水平。

在壓氣機內流試驗研究方面，文獻[1]中利用LDV成功測量了壓氣機轉子葉片通道內的流動，文獻[2]介紹了利用葉型受感部在五級跨聲壓氣機上成功獲取的試驗結果。國內也開展了類似研究，中國燃氣渦輪研究院利用自行研制的葉型受感部，對某型壓氣機進行了試驗研究，為部件的改進設計提供了技術支持[3]。本文以某多級軸流壓氣機為試驗平臺，開展級間性能與優化性能試驗研究。在進行級間參數測量的同時進行靜葉角度調節試驗，分析不同靜葉角度下壓氣機內部流場及各級加功能力和級壓比的變化。

2 試驗及測試方法

2.1 試驗設備及試驗件

試驗在中國燃氣渦輪研究院全臺壓氣機試驗器(見圖1)上完成。該試驗器屬敞開節流式，最高轉速20 000 r/min，最大功率8 500 kW，流量0～120 kg/s，調速精度0.2%。試驗件如圖2所示，主要由進口測量段、壓氣機部件、出口測量段、排氣機匣等組成。試驗時須進行級間引氣。

圖1 全臺壓氣機試驗器簡圖Fig.1 Layout of whole compressor test rig

圖2 某多級軸流壓氣機試驗件簡圖Fig.2 Sketch of a multistage axial flow compressor

2.2 測試方法

利用安裝在穩壓箱里的4支鉑電阻測量進口溫度；利用安裝在壓氣機進口的3支6點式總壓梳狀探針測得支板槽道間的平均壓力，再用耙狀探針獲取的支板尾跡區總壓對其修正，從而得到進口總壓。在壓氣機出口同一測量截面上，沿周向于不同葉片槽道中布置6支總溫、總壓復合探針，以獲取一個柵距內的總溫、總壓，并沿徑向安排4個測點。同時，在壓氣機前五級靜葉每級選取2片葉片安裝總壓葉型受感部，2片葉片安裝總溫葉型受感部，測取各級轉子后的總溫、總壓。

3 試驗結果分析

由于葉型受感部安裝于各級靜葉前緣，測量的是各級轉子出口參數，故壓氣機級不能按傳統方式定義。文中有關級的定義為：前一級靜葉與下游動葉組成一個壓氣機級，如第一級定義為零級導葉＋一級轉子葉片，第二級定義為一級靜子葉片＋二級轉子葉片，依次類推[4]。

(1)流量對級加功量和級壓比的影響

圖3 =1.00時不同流量下級加功量沿軸向的分布(設計角度)Fig.3 Axial distribution of stage work with different flow when=1.00.

圖4 =1.00時不同流量下級壓比沿軸向的分布(設計角度)Fig.4 Axial distribution of stage pressure ratio with different flow when=1.00.

(2)轉速對級加功量的影響

圖5 不同轉速時級加功量沿軸向的分布(設計角度)Fig.5 Axial distribution of stage work under design angle at different speeds

(3)轉速對級壓比的影響

圖6 不同轉速時級壓比沿軸向的分布(設計角度)Fig.6 Axial distribution of stage pressure ratio under design angle at different speeds

(4)靜葉角度對級壓比的影響

由單級壓氣機一維分析可知：靜葉角度開大意味著流量增加，級壓比增加。在本次試驗優化角度下，零、一、二級靜葉相對設計角度開大，但第一級級壓比反而有所減小。原因為多級壓氣機存在級間干擾，靜葉角度的不同步變化使得一、二級轉子性能不匹配。相對零級靜葉，一、二級靜葉角度開得較大，大大增強了二、三級轉子的抽吸能力，使得一級轉子出口壓力降低(一級轉子性能點沿等換算轉速特性線向右移動)，進而增大了一級轉子進口流量。流量的增加使一級轉子攻角減小，扭速減小，故第一級級壓比有所減小。

圖7 不同靜葉角度下的流量-壓比曲線Fig.7 Comparison of flow vs.pressure ratio under different vane angles

圖8 =0.95時不同流量下級壓比沿軸向的分布Fig.8 Axial distribution of stage pressure ratio with different flow when=0.95

從圖8還可看出：優化角度下，一級轉子級壓比隨著流量的減小增幅加大，即一級轉子應處于偏負攻角狀態，流量減小使其輪緣功和級效率均增大。

(5)靜葉角度對不穩定邊界的影響

開大某級靜葉角度將使該級動葉流動狀態向正攻角方向變化，該級將提前進入不穩定邊界。本次試驗中，優化角度下只錄取了=0.95時的喘點，無法看出不穩定邊界的移動。但在該試驗件前期試驗中，錄取過設計角度和優化角度下在0.70～1.00范圍內的喘點(見圖7)。從中可看出：優化角度下，在=0.80及以下轉速時，該試驗件不穩定邊界明顯右移。

靜葉角度的改變會影響壓氣機級不穩定邊界的位置。開大某級進口靜葉角度，可增加該級級壓比，同時也會使該級的不穩定邊界縮退。若該級不穩定邊界縮退至整臺壓氣機不穩定邊界內，將會影響整臺壓氣機的不穩定邊界(見圖9)。

(6)靜葉角度對級加功量的影響

優化角度下級加功量沿軸向的分布如圖10所示。從圖中可看出，優化角度下，各級加功量隨著轉速的升高基本同步增加；第二、第三級加功量所占比重隨著轉速的升高有所降低，但作為中間級的第二、第三、第四級，其加功量仍遠高于第一、第五級。對比圖5和圖10(b)還可看出，改變靜葉角度后，大大增加了二、三級轉子的加功量，在中轉速時尤其明顯。

圖9 不同靜葉角度下不穩定邊界的變化示意圖Fig.9 Scheme of the unsteady boundary variation under different vane angles

圖10 不同轉速時級加功量沿軸向的分布(優化角度)Fig.10 Axial distribution of stage work under optimized angle at different speeds

4 結論

(1)設計角度下，該試驗件在相對換算轉速0.80及以下時，二、三級轉子加功量和級壓比均偏低，建議適當開大一、二級靜葉角度，以改善二、三級轉子流場，提高其性能。

(2)優化角度下，第二、第三級加功量和級壓比均有較大增加，同時帶來整臺壓氣機不穩定邊界縮退。建議后續的靜葉角度優化試驗應密切注意其下游轉子的工作狀況，尤其是不穩定邊界的變動情況，并在不影響整臺壓氣機不穩定邊界的情況下進行靜葉角度優化。

[1]Wisler D C，Mossey P W.Gas Velocity Measurement With?in a Compressor Rotor Passage Using the Laser Doppler Velocimeter[J].ASME Journal of Engineering for Power，1973，92(2)：91—96.

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[4]向宏輝，任銘林，馬宏偉，等.葉型探針對軸流壓氣機性能試驗結果的影響[J].燃氣渦輪試驗與研究，2008，21(4)：28—33.

[5]楚武利，劉前智，胡春波.航空葉片機原理[M].西安：西北工業大學出版社，2009.