正轉逆流工況下離心壓氣機擋板設計及特性分析

邵小坤，李傳鵬，閆澤輝

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

軍用飛機的第二動力系統既有輔助動力裝置(APU)又有應急動力裝置(EPU)，這就造成了飛機質量和幾何空間的增加。為了降低飛機的質量和空間大小，未來先進的戰斗機采用組合動力裝置(IPU)[1-5]。IPU由一套燃氣渦輪裝置組成，這就要求原APU和EPU共用附件齒輪箱、燃燒室和渦輪。在高空啟動EPU時，盡管此模式下離心壓氣機不參與動力循環，由于與渦輪、附件齒輪箱固接在一起，離心壓氣機必然以額定轉速旋轉。如果離心壓氣機無氣體流過，則高速旋轉的離心壓氣機會攪動其中的空氣而產生大量熱量，導致離心壓氣機溫度過高而影響IPU壽命和安全。為了避免離心壓氣機鼓風效應而形成超溫，從高壓氣源中引出一部分空氣由擴壓器出口反向流出工作葉輪進口，防止鼓風效應，形成所謂“正轉逆流”現象。

EPU模式下，渦輪輸出總功一部分對外輸出用于液壓環控系統，另一部分用于驅動離心壓氣機。由于渦輪輸出總功率恒定，當離心壓氣機逆流狀態消耗功率較大，渦輪對外輸出功率就降低；另外離心壓氣機逆流氣流流量過多，會造成高壓氣源氣流的浪費，減小EPU運行時間。

針對正轉逆流工況，建立離心壓氣機模型，采用數值模擬方法，研究正轉逆流工況離心壓氣機流動特性，為改善正轉逆流壓氣機功耗、流量，設計擴壓器出口擋板，研究擋板對正轉逆流工況的影響。

1 離心壓氣機正轉逆流特性

1.1 物理模型

以DDA 404-Ⅲ[6]為原型進行相似模化設計[7]獲得的轉速、流量和壓比與131-9型APU動力段壓氣機參數[8]相近的離心壓氣機為研究對象，該壓氣機工作葉輪包括15個主葉片和15個分流葉片，擴壓器葉片由24片楔形葉片組成(圖1)。

圖1 離心壓氣機模型

1.2 數值計算方法

采用商業計算軟件CFX，對上述離心壓氣機進行數值模擬。計算使用TurboGrid劃分網格，計算網格如圖2所示。經過網格無關性驗證，計算網格總數為100萬，第一層壁面網格高度為2×10-5m。湍流模型采用k-ω模型，保證壁面第一層網格高度y+在1～10附近，滿足湍流模型的要求。

圖2 離心壓氣機計算網格

正轉逆流工況下，軍用飛機從當前飛行高度(6km～14km任意高度)逐漸降低到6km高空，高壓氣源處于放氣狀態，其壓力逐漸降低。為確定飛機攜帶合適的高壓氣源(氣源壓力、質量)，故計算選擇飛行高度為6km、10km、14km，氣源壓力選擇為800kPa、700kPa、600kPa、500kPa、400kPa、300kPa、200kPa。擴壓器出口在此工況下為氣流的進口，給定擴壓器出口邊界條件為總溫、總壓，工作葉輪進口此時為氣流出口，給定邊界條件為飛行高度下的當地大氣壓。工質選用理想氣體，離心壓氣機輪轂和機匣為絕熱、無滑移壁面，為了便于分析比較數據，將具體計算方案列出如表1所示。

表1 離心壓氣機正轉逆流工況下計算方案和邊界條件

1.3 正轉逆流工況下離心壓氣特性

通過計算，給出正轉逆流離心壓氣機特性如圖3所示。圖中給出了飛行高度為6km、10km、14km3個飛行高度下，離心壓氣機流量、耗功隨著高壓氣源壓力變化特性圖。從圖中可以看出，隨著高壓氣源壓力降低，離心壓氣機逆流流量和功率都在降低，但在此工況下所消耗的流量、功率過多，不符合高壓氣源量和軸功消耗小的要求，需要采取措施降低正轉逆流工況下離心壓氣機的流量和功耗。本文采取對擴壓器出口加裝擋板方案，來減小逆流時的流量、功耗，使其在滿足流量、耗功的要求下，又能保證離心壓氣機在此特殊工況下平穩運行。

圖3 逆向氣流流量和離心壓氣機耗功的變化趨勢

2 擴壓器出口擋板設計

2.1 擴壓器出口擋板縫隙形狀設計

結合離心壓氣機正轉逆流計算結果，為了滿足正轉逆流時壓氣機流量和功率的要求，擴壓器出口需安裝擋板，安裝方案采用條形縫隙。圖4給出了條形縫隙擋板設計圖，擋板用剖面線畫出，擋板與機匣采用彈簧鉸鏈連接，彈簧鉸鏈固定在機匣上，在無外力作用下，擋板三維視圖如圖4(a)所示，即擋板處于關閉狀態。當壓氣機正流時，由于擴壓器出口壓力大于外界大氣壓，擋板向外打開如圖4(b)所示。當離心壓氣機正轉逆流時，由于擴壓器出口內側的流體壓力小于儲氣罐的壓力，此時擋板在彈性力的作用下，反彈回原位置。采用此裝置可以完成正流和正轉逆流離心壓氣機流量、耗功設計要求。

圖4 條形縫隙設計圖

2.2 擋板縫隙臨界面積確定

加入擋板后離心壓氣機正轉逆流計算方案與表1相同，由于采用條形縫隙，計算網格無需重新劃分，只需在CFX-Pre軟件中設置不同的擴壓器擋板縫隙面積。

圖5給出了擴壓器出口擋板縫隙在不同面積下逆向氣流流量變化趨勢，100%表示未安裝擋板，50%、20%、10%分別表示擋板縫隙面積占擴壓器出口面積的50%、20%、10%。從圖中可以看出，在一定出口擋板縫隙面積下，離心壓氣機正轉逆流的特性并未發生變化，說明在縮小擴壓器出口縫隙面積時，計算流道中存在臨界面積，限制了各種氣源壓力下逆向流過擴壓器、工作葉輪的流量。只有當出口縫隙面積小于此臨界值時，出口縫隙面積的變化才會影響壓氣機正轉逆流的流量和耗功。因為在逆流過程中，進入擴壓器的流體經過擋板后能量損失很小，在臨界面積以上，流體速度隨著擋板縫隙面積的減小而增大，直到速度達到臨界速度。此時擋板縫隙面積和擴壓器喉道面積幾乎相等，隨著擴壓器擋板縫隙面積的繼續減小，逆流流量才會隨著擋板縫隙面積的減小而減小。所以擋板縫隙面積占出口總面積的10%以上時，離心壓氣機耗功和流量都不符合要求。

圖5 擴壓器出口擋板不同面積下逆向氣流流量變化趨勢

2.3 確定正轉逆流擋板縫隙面積及流動分析

為了確定離心壓氣機擋板縫隙面積的大小，圖6給出了出口擋板縫隙面積遠遠小于臨界面積下的離心壓氣機逆向氣流流量、耗功示意圖。由圖6可知，氣源壓力越大，逆流流體流量越多，功耗越大；相同氣源壓力，擋板縫隙面積愈大，流量愈大，耗功愈大；相同氣源壓力下，隨著飛行高度的降低，壓氣機逆流流量增加，功率增加。正轉逆流工況下，要求流量、功率為正常流量的10%以下，即最大流量為0.18kg/s，耗功為51.9kW。故在滿足流量、耗功條件下，高壓氣源壓力盡量選擇最大值，這樣可以在攜帶相同質量的高壓氣源時，減小體積。因此，擴壓器出口擋板縫隙面積為2.6%時，高壓氣源總壓選擇450kPa；擴壓器出口擋板縫隙面積為1.9%時，高壓氣源總壓選擇800kPa。因此，擋板縫隙面積在2.6%～1.9%變化時，高壓氣源壓力選擇范圍在450～800kPa。

圖6 逆向氣流流量和離心壓氣機耗功的變化趨勢

下面針對出口擋板縫隙面積為1.9%、反向流量=0.1kg/s條件下的正轉逆流離心壓氣機計算流場進行分析。

圖7給出了不同葉高方向Ma分布和流線圖，對比不同葉高云圖可以看出，在20%葉高，離心葉輪尾緣到葉片弦長80%位置，逆流流體沖擊到離心葉輪葉片壓力面上，離心葉輪以額定轉速旋轉，逆流流體阻礙了葉輪的轉動，壓氣機需要消耗功率維持轉動；葉片弦長80%位置到葉片前緣位置附近，逆流流體沖向葉片的吸力面，說明在此葉高位置，正轉逆流工況下流體在對離心葉輪做功；觀察Ma數云圖，在80%弦長位置處出現激波，因為激波的作用使得流體流動方向發生變化，使得流體由原來沖擊葉片壓力面做負功變為沖擊吸力面做正功，最終離心葉輪仍然耗功，由于逆流流體經過激波后，造成了較大的流動損失；同理在50%葉高有著相同的現象，但在55%葉高位置此現象已經不再明顯，隨著葉片高度增加，在通道內出現了流向渦。

圖7 相對Ma數分布及流線圖

圖8給出了不同總壓下沿流動方向，S3流面平均溫度分布圖，不論高壓氣源壓力如何變化，沿流向相對位置0.9處總是出現一個全流場最高溫度區域。此區域對應的就是激波區，隨后溫度逐漸降低，溫度分布在整個流道內較為合理，沒有出現溫度過高的區域，說明了逆流流場溫度不會對離心葉輪葉片造成損壞。

圖8 正轉逆流工況下離心葉輪沿流動方向溫度分布

3 結語

本文對正轉逆流條件下離心壓氣機進行了數值模擬，通過計算不同飛行高度、不同高壓氣源壓力時離心壓氣機特性，為設計IPU及高壓氣源攜帶氣體質量提供參考，并對離心壓氣機正轉逆流時內部流場進行初步分析，完成了擋板的設計，得出結論如下：

1) 完成擋板設計，擋板之間的縫隙為條形縫隙，此設計結構簡單，擋板之間無干涉。正轉逆流工況下，離心壓氣機擴壓器出口縫隙存在臨界面積，當擴壓器出口縫隙面積大于出口總面積的10%，離心壓氣機正轉逆流流量、功率不變。

2) 出口縫隙小于臨界縫隙面積時，正轉逆流條件下，氣源壓力越大，反向空氣流量越多，離心壓氣機耗功越大。相同氣源壓力，擋板縫隙面積愈大，流量和功耗也越大。擋板縫隙面積占總面積的2.6%～1.9%時，高壓氣源壓力為450～800kPa。

3) 正轉逆流工況下，流場溫度分布合理，離心壓氣機耗功主要是進入工作葉輪出口的氣體相對速度較大，在弦長80%位置附近產生激波，造成了較大的流動損失，然后經過激波后速度方向發生改變，氣流竟然對工作葉輪做正功，挽回了部分能量損失。