民用間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機高壓壓氣機方案探索

王遠剛，蔣志軍，鄧　楊，楊　偉（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

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民用間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機高壓壓氣機方案探索

王遠剛，蔣志軍，鄧楊，楊偉
（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

摘要：間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機為實現(xiàn)間冷和回?zé)徇^程，其高壓壓氣機布局與常規(guī)高壓壓氣機布局有著較大差異。對間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機高壓壓氣機布局特點進行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了1級軸流+1級離心的高壓壓氣機布局方案。其數(shù)值模擬結(jié)果表明，該高壓壓氣機設(shè)計點氣動性能達到了指標(biāo)要求，流場分布較為合理。同時，綜合考慮氣動、結(jié)構(gòu)、工藝等因素，選擇整體葉盤、整體大小葉片離心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)作為其初步結(jié)構(gòu)方案。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；間冷回?zé)嵫h(huán)；高壓壓氣機；氣動布局；結(jié)構(gòu)布局；數(shù)值模擬

aerodynamic layout；structure arrangement；numerical simulation

1　引言

隨著石化能源價格的不斷高漲和環(huán)境保護意識的不斷增強，未來民用渦扇發(fā)動機將面臨更加苛刻的燃油消耗率、排放和噪聲要求。基于常規(guī)循環(huán)的航空發(fā)動機循環(huán)效率的提升空間已非常有限，而通過建立帶間冷和回?zé)徇^程的發(fā)動機熱力循環(huán)，有望顯著提高發(fā)動機循環(huán)熱效率并降低NOx排放。

近年來，國外機構(gòu)開展了以歐盟NEWAC計劃為代表的大量間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機總體方案及部件研究［1-4］。國內(nèi)對間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機的相關(guān)研究起步較晚，且多關(guān)注于發(fā)動機總體方案研究［5-7］，對適合于間冷回?zé)岚l(fā)動機高壓壓氣機等部件的相關(guān)研究開展較少。本文對民用大涵道比間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機高壓壓氣機布局特點進行了分析，并在此基礎(chǔ)上，開展了間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機高壓壓氣機氣動及部分結(jié)構(gòu)布局的探索。

2　高壓壓氣機布局特點

間冷及回?zé)徇^程的引入，導(dǎo)致間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機高壓壓氣機流道形式與常規(guī)發(fā)動機有著較大差異。圖1為典型民用間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機氣動布局（歐盟NEWAC計劃間冷回?zé)岚l(fā)動機方案）。為使高壓壓氣機葉片保持在合適的展弦比范圍，通常通過C型轉(zhuǎn)接段將間冷器出口氣流引回至較增壓級平均半徑更小的區(qū)域；同時，為使高壓壓氣機出口氣流流入位于燃燒室和渦輪外部的導(dǎo)管以進入回?zé)崞髋c高溫燃氣換熱，需要抬高高壓壓氣機出口流道至較大半徑位置。

高壓壓氣機出口流道抬高，通常可通過在軸流壓氣機后增加S型轉(zhuǎn)接段、采用離心（斜流）或末級離心（斜流）的方式實現(xiàn)。圖2為常見的3種間冷回?zé)岚l(fā)動機高壓壓氣機布局方案。

圖1　典型間冷回?zé)岚l(fā)動機的氣動布局Fig.1 Aerodynamic distribution for a typical intercooling and recuperative aero-engine

圖2　間冷回?zé)岚l(fā)動機高壓壓氣機布局方案Fig.2 Areodynamic distribution of high pressure compressor

間冷回?zé)岚l(fā)動機高壓壓氣機采用軸流+S轉(zhuǎn)接段的組合（圖2（a）），可能會帶來結(jié)構(gòu)形式不夠緊湊和流動損失增加等問題。而采用離心（圖2（b））或末級離心組合（圖2（c））壓氣機的形式，則可通過末級離心壓氣機來改變氣流扭速、實現(xiàn)對氣流的加功，以減小改變氣流方向過程中的流動損失。并且，由于離心壓氣機具有單級壓比高、穩(wěn)定工作范圍廣和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，間冷回?zé)岚l(fā)動機高壓壓氣機采用離心/末級離心，可減小壓氣機尺寸及零件數(shù)量，使得結(jié)構(gòu)更為緊湊。

3　高壓壓氣機方案探索

本文開展的民用間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機高壓壓氣機探索，壓比指標(biāo)達6以上。經(jīng)過對各設(shè)計指標(biāo)的分析、論證，確定高壓壓氣機采用末級離心的方案。同時設(shè)計分析表明，若采用單級離心壓氣機方案，設(shè)計難度較大，效率等指標(biāo)難以實現(xiàn)。故最終采用了1級軸流+1級離心的組合壓氣機方案，并完成了組合壓氣機各級的壓比分配，離心級壓比4以上。

3.1 S2流面設(shè)計

高壓壓氣機流道參數(shù)根據(jù)發(fā)動機總體要求及設(shè)計經(jīng)驗選取，并依據(jù)一維特性和三維流場分析結(jié)果進行了多次優(yōu)化調(diào)整。高壓壓氣機S2流面氣動布局設(shè)計采用準三維通流計算程序，假設(shè)氣流為軸對稱定常流，采用流線曲率法逐站求解。圖3為最終確定的高壓壓氣機流道及葉片子午投影。

圖3　高壓壓氣機子午流道Fig.3 Meridional flowpath of high pressure compressor

為抑制離心葉輪出口附近流動分離，對葉輪出口處輪蓋附近流道進行優(yōu)化。圖4為輪蓋型線優(yōu)化前后離心葉輪出口附近流道細節(jié)，及Numeca三維計算得到的平均流線分布。可以看出，輪蓋附近流道收縮后有效抑制了葉輪出口附近的流動分離。

圖4　輪蓋型線優(yōu)化前后葉輪出口平均流線Fig.4 Streamline of centrifugal wheel outlet before and after optimization

3.2葉片造型設(shè)計

高壓壓氣機葉片進出口氣流角主要由S2流面計算給出，并根據(jù)全三維計算分析修正。對于離心級，由于其內(nèi)部流動方向改變大，流動復(fù)雜程度高，S2流面計算結(jié)果精度相對較低，故設(shè)計工作更側(cè)重于通過三維計算結(jié)果不斷調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片造型參數(shù)。軸流級葉型采用可控擴散葉型，通過對氣流擴散的控制，使葉型形狀有利于附面層發(fā)展：在吸力面前維持一段較長的層流附面層，而后段控制逆壓梯度分布，以推遲或避免附面層分離。

對于離心葉輪，由于葉片空間變化角度大，葉片造型設(shè)計難度更大，需通過三維計算分析不斷調(diào)整優(yōu)化葉片構(gòu)造角等造型參數(shù)。圖5為間冷回?zé)岣邏簤簹鈾C轉(zhuǎn)子實體模型。

圖5　高壓壓氣機轉(zhuǎn)子實體模型Fig.5 Model of the high pressure compressor rotor

為有效減小離心葉輪進口堵塞，葉輪采用了大小葉片并在設(shè)計過程中對小葉位置進行了多次優(yōu)化。圖6示出了采用大小葉片前后離心葉輪50%葉高S1流面相對馬赫數(shù)分布，可見大小葉片方案能有效降低通道內(nèi)激波強度，減小離心葉輪進口堵塞。

圖6　采用大小葉片前后50%葉高S1流面相對馬赫數(shù)分布Fig.6 Relative Mach number distribution of S1 surface at 50% span with and without splitters

3.3三維流場計算分析

高壓壓氣機三維流場計算采用Numeca軟件。計算中所有葉片排均采用默認的O4H型網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為227萬，設(shè)置轉(zhuǎn)子葉片葉尖間隙，使用S-A湍流模型。邊界條件為進口給定總溫、總壓、氣流角，出口給定背壓。

表1為近設(shè)計點Numeca三維計算結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)對比，可見高壓壓氣機設(shè)計點流量、壓比和效率等性能參數(shù)均達到設(shè)計指標(biāo)。圖7、圖8分別為設(shè)計轉(zhuǎn)速下50%葉高S1流面相對馬赫數(shù)和葉片表面靜壓分布，可見設(shè)計點流場分布較為合理，除離心級擴壓器尾部出現(xiàn)一定流動分離外，其余位置均未見明顯分離，各級葉片表面氣動載荷分布較為合理。

表1　近設(shè)計點三維計算結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)對比

圖7　 50%葉高S1流面相對馬赫數(shù)分布Fig.7 Relative Mach numbers at 50%span

圖8　 50%葉高S1流面葉片表面靜壓分布Fig.8 Static pressure of the blade surface at 50%span

3.4結(jié)構(gòu)方案初步探索

在完成氣動方案探索的基礎(chǔ)上，開展了間冷回?zé)岚l(fā)動機高壓壓氣機結(jié)構(gòu)方案的初步探索。圖9為高壓壓氣機部件剖面圖，該方案在氣動、結(jié)構(gòu)、工藝等各方面進行了綜合權(quán)衡。壓氣機機匣組件采用雙層結(jié)構(gòu)，外層機匣傳遞發(fā)動機載荷，內(nèi)層機匣形成氣流通道；壓氣機轉(zhuǎn)子組件由兩級整體葉盤組成，第一級整體葉盤為常規(guī)軸流整體葉盤，第二級整體葉盤為帶大小葉片的離心葉輪。壓氣機出口最高工作溫度約為735 K，采用BT25鈦合金材料可滿足工作溫度要求。

圖9　高壓壓氣機部件剖面圖Fig.9 Sectional view of high pressure compressor

4　結(jié)論

本文分析研究了民用間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機高壓壓氣機布局特征，根據(jù)總體參數(shù)提出了1級軸流+1級離心的高壓壓氣機布局，并開展了對間冷回?zé)岚l(fā)動機高壓壓氣機氣動及結(jié)構(gòu)方案的探索。三維數(shù)值模擬結(jié)果表明，該高壓壓氣機設(shè)計點氣動性能達到了指標(biāo)要求，流場分布較為合理。結(jié)構(gòu)方面采用目前先進的整體葉盤、整體大小葉片離心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，且加工工藝可實現(xiàn)。

但對于此類具有大流量、較高壓比的組合高壓壓氣機，全三維計算分析所得流場及性能參數(shù)的真實性、可靠性，尚需大量設(shè)計經(jīng)驗和試驗驗證。此外，本文僅對高壓壓氣機結(jié)構(gòu)方案進行了初步探索，結(jié)構(gòu)和強度相關(guān)研究需要進一步開展。

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High pressure compressor design for an intercooled recuperated civil turbofan engine

WANG Yuan-gang，JIANG Zhi-jun，DENG Yang，YANG Wei
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Abstract：In order to introduce the intercooling and recuperative processes，the layout of high pressure compressor has great differences from normal compressor. The characteristics of high pressure compressor layout for the intercooling and recuperative aero-engine（IRA）were discussed，and an axial-centrifugal combined high pressure compressor was proposed. Numerical simulation of the high pressure compressor shows that the performance of design point has reached the target，and the flow filed distribution is reasonable. The preliminary structure of centrifugal blisk with splitter is conformed taking into consideration of the aerodynamic，structural and manufacturing process.

Key words：aero-engine；intercooling and recuperative cycle；high pressure compressor；

中圖分類號：V235.13

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-2620（2016）01-0032-04

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-02-24

作者簡介：王遠剛（1986-），男，四川成都人，工程師，主要從事壓氣機氣動設(shè)計研究。