某4級軸流壓氣機自循環(huán)機匣擴穩(wěn)研究

摘 要：本文對某四級軸流壓氣機的設計轉(zhuǎn)速及部分轉(zhuǎn)速下的性能特性進行了數(shù)值模擬研究。為了改善該壓氣機在部分轉(zhuǎn)速下的“前喘后堵”現(xiàn)象，研究了采取端壁自循環(huán)處理措施對壓氣機裕度的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明，端壁自循環(huán)處理能夠較大程度的提高壓氣機的部分轉(zhuǎn)速裕度，且端壁自循環(huán)處理還能提高100%轉(zhuǎn)速下的裕度。通過詳細的流場分析表明，通過端壁自循環(huán)處理大大提高了第一級轉(zhuǎn)子尖部的軸向速度，進而減小了轉(zhuǎn)子尖部的氣流角，使得尖部的攻角減小，從而抑制的轉(zhuǎn)子的葉尖失速。

關(guān)鍵詞：多級軸流壓氣機;失速裕度;自循環(huán)機匣處理

多級軸流壓氣機作為航空發(fā)動機的核心部件之一，對整個動力系統(tǒng)的工作效率、可靠運行等有著極為重要的影響。為了實現(xiàn)更高的推重比，就需要單級壓氣機在保證高效率的前提下能夠承受更大的載荷。然而級負荷的增加將會導致壓氣機穩(wěn)定工作裕度降低。此外實際運行條件的復雜多變，壓氣機更多的是在非設計工況下運行，其高效、穩(wěn)定的工作范圍就受到了以旋轉(zhuǎn)失速和喘振為典型代表的流動失穩(wěn)的限制?，F(xiàn)階段實際工程應用中，為了提高壓氣機的穩(wěn)定工作范圍，有以下幾種常見的拓穩(wěn)措施：如壓氣機中間放氣、可調(diào)進口導流葉片和靜子葉片、機匣處理、葉頂噴氣技術(shù)等一系列方法，這些擴穩(wěn)技術(shù)措施對擴大壓氣機的穩(wěn)定工作范圍均起到一定的作用，但大部分是以犧牲效率和增加結(jié)構(gòu)復雜性為代價的。

自循環(huán)機匣處理作為一種能夠兼顧失速裕度和絕熱效率兩項主要性能指標的控制方法，在離心壓氣機里面應用和研究的比較廣泛，因為離心壓氣機設計比較緊湊，自循環(huán)機匣處理在離心壓氣機里面具有其獨特的優(yōu)勢。FISHER[1]于1989年率先進行了自循環(huán)機匣處理試驗研究，試驗證明機匣處理結(jié)構(gòu)前后槽壓差是自循環(huán)回流流動的驅(qū)動力。隨后HUNZIKER等[2-5]在高速離心壓氣機進口設計了環(huán)狀槽自循環(huán)機匣處理結(jié)構(gòu)，推遲了旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生。2004年NASA的STRAZISAR[6]在Stage35上進行了初步自引氣數(shù)值計算和試驗研究，最大引氣量為主流流量0.9%時，能夠?qū)崿F(xiàn)2%～6%的失速裕度改善。2011年英國劍橋大學的DAY [7]重新對自循環(huán)噴氣的結(jié)構(gòu)（包括抽氣/噴氣位置、抽氣/噴氣孔形狀等參數(shù)）進行優(yōu)化，并通過試驗測量了自循環(huán)噴氣的最佳擴穩(wěn)效果，發(fā)現(xiàn)對于以突尖型失速先兆進入失速狀態(tài)的壓氣機，在動葉葉頂布置24個自循環(huán)回路，能夠獲得6.1%的穩(wěn)定性裕度提升，峰值效率僅下降0.8%?？梢钥闯?，目前對自循環(huán)噴氣在軸流壓氣機上的擴穩(wěn)效果在一定程度上得到證實和認可。

本文將以某四級軸流壓氣機為例，研究在多級環(huán)境下的自循環(huán)機匣處理對壓氣機的穩(wěn)定性影響機理。

1? 研究對象

本文研究的對象為某發(fā)動機的低壓壓氣機，該壓氣機結(jié)構(gòu)形式為四級軸流。由于該壓氣機負荷較高，在部分轉(zhuǎn)速下可能面臨裕度不足的風險，故嘗試使用端壁自循環(huán)技術(shù)擴大該壓氣機的部分轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作范圍。

2? 數(shù)值計算方法

以端壁自循環(huán)處理采用NUMECA/ AutoGrid5模塊生成流道內(nèi)網(wǎng)格。噴嘴采用ANSYS Meshing劃分的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，邊界層采用三棱柱網(wǎng)格加密如圖1所示。圖2為引氣部分網(wǎng)格采用IGG劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。軸流級轉(zhuǎn)子葉片葉尖間隙為0.25mm，過渡段支板和軸流級靜子葉片根部無間隙。本文采用ANSYS CFX軟件完成各工況下的三維數(shù)值模擬。本文采用定常計算，求解三維定常的Navier-Stokes方程組，采用高分辨率格式和K-E湍流模型，轉(zhuǎn)靜子之間采用混合平面模型。同時，計算中使用多核并行計算技術(shù)以加快收斂速度。本文中自循環(huán)噴嘴位于第一級轉(zhuǎn)子前的導葉計算域內(nèi)，引氣口位于第二級靜子后。因為引氣和噴氣位置的周期數(shù)不相等，在使用單通道網(wǎng)格計算時不便于將噴嘴和引氣塊使用整體網(wǎng)格連接，故而在此處使用了CFX的CEL函數(shù)邊界設置方法，構(gòu)成一個交叉引用邊界條件保證噴嘴與引氣口的通量守恒。

3? 結(jié)果分析

3.1? 總性能分析

如圖4所示，為端壁自循環(huán)處理相對于原始設計的部分轉(zhuǎn)速特性圖，表1為端壁自循環(huán)與原始設計裕度對比。由圖4a可以明顯看出，端壁自循環(huán)機匣處理在各個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能夠使喘振邊界點左移，相比于原始設計，每個轉(zhuǎn)速下的喘點壓比更高。由此表明自循環(huán)機匣處理能更好地擴寬該軸流壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。此外由圖4b可以發(fā)現(xiàn)，相比于原始設計，添加自循環(huán)機匣處理后，由于引氣回路損失及噴氣摻混損失，該壓氣機的效率有所下降。

3.2? 流場特征分析

為了分析端壁自循環(huán)的擴穩(wěn)機理，選取100%轉(zhuǎn)速下近失速點的實壁機匣和添加端壁自循環(huán)處理的兩個總壓比接近的算例作對比分析，分別選取第一級轉(zhuǎn)子進口軸向速度的展向分布圖作為對比。如圖5所示，由該圖可以發(fā)現(xiàn)，通過自循環(huán)機匣處理大大提高了一級轉(zhuǎn)子前緣90%以上葉高范圍內(nèi)的軸向速度，且90%以下葉高的軸向速度也有所增加。圖6為第一級轉(zhuǎn)子進口氣流角的展向分布圖，由此圖可以發(fā)現(xiàn)90%葉高以上的轉(zhuǎn)子進口氣流角有較大幅度的減小，90%葉高以下的轉(zhuǎn)子進口氣流角也有一定幅度的減小。由圖5、圖6可以看出通過端壁自循環(huán)處理大大提高了第一級轉(zhuǎn)子尖部的軸向速度，進而減小了轉(zhuǎn)子尖部的氣流角，使得尖部的攻角減小，進而降低轉(zhuǎn)子葉尖的負荷，從而抑制的轉(zhuǎn)子的葉尖失速。

圖7為第一級轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流的示意圖，圖中左側(cè)為實壁機匣的葉尖泄漏流線圖，右側(cè)為添加自適應機匣處理的葉尖泄漏流線圖。由圖可以發(fā)現(xiàn)添加端壁自循環(huán)處理后的轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流受到了抑制，葉尖通道的堵塞效應減小，使得該區(qū)域的流動變得更穩(wěn)定。

4? 結(jié)論

本文以多級軸流壓氣機為例，對比研究了實壁機匣與自適應機匣處理的壓氣機多個轉(zhuǎn)速下數(shù)值模擬結(jié)果，獲得主要結(jié)果如下：

（1）自適應機匣處理在包括100%轉(zhuǎn)速下的多個轉(zhuǎn)速下均能擴大壓氣機的裕度;

（2）自適應機匣處理后， 抑制了間隙流的發(fā)展， 并有效地改善葉頂區(qū)的氣流進氣角、出氣角及進口軸向速度。同時還抑制葉背附面層的分離， 極大改善了葉片通道頂部區(qū)域的流動狀況;

（3）本文中的自適應機匣處理對壓氣機效率造成了一定的負面影響;

本文中自適應機匣處理只是為了研究多級環(huán)境下的擴穩(wěn)機理，并未針對工程應用進行優(yōu)化設計，后續(xù)將針對具體應用展開噴嘴、引氣口的優(yōu)化工作，以期減小對壓氣機效率的影響。

參考文獻：

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[2]張皓光，楚武利，吳艷輝，張夏.? 軸向間隙引氣對雙級軸流式壓氣機性能及流場影響的數(shù)值研究[J].? 流體機械，2006，34（7）：24-27.

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[4]Anthony J. Strazisar， Michelle M. Bright， Scott Thorp.COMPRESSOR STALL CONTROL THROUGH ENDWALL RECIRCULATION[C]. ASME Paper No GT2004-54295.

作者簡介：

吳俊峰（1988—），男，漢族，湖北黃岡人，碩士，工程師，研究方向：壓氣機氣動設計及穩(wěn)定性。