發動機中軸流壓氣機轉子葉尖間隙影響研究

□ 李 斌 □ 張江偉 □ 張 雨

中國航發西安航空發動機有限公司 西安 710021

1 研究背景

發動機中軸流壓氣機的內部流場是非常復雜的三維周期性非定常流動,存在多種形式的流動分離和二次流等,在非設計狀態下,往往還存在失速和喘振等不穩定工況[1]。軸流壓氣機內部流場數值仿真研究已成為葉輪機械氣體動力學領域的熱點問題之一。軸流壓氣機的工作狀況一般由進口壓力、進口溫度、空氣流量、轉速決定,在進氣和轉速不變的條件下,軸流壓氣機的特性就是壓比、工作效率與空氣流量的關系。轉速一定時,隨著空氣流量的減小,壓比增大,在某一流量點達到最大值,隨后隨著流量減小而減小。如果進一步減小流量,那么軸流壓氣機會失穩,進入失速或喘振狀態,各轉速臨界點連線形成軸流壓氣機的喘振邊界。在臨界轉速下,發動機共同工作線與軸流壓氣機喘振邊界較接近,在此工況下,軸流壓氣機容易發生失速或喘振[2-6]。

某單轉子渦流噴氣發動機廠內試車時,穩定性余量檢查不合格。由經驗判斷,不合格主要原因為軸流壓氣機。該發動機為航空發動機第一代產品,加工公差大,轉子葉尖間隙范圍大。根據軸流壓氣機原理,葉尖間隙容易產生二次流,對軸流壓氣機的穩定性有較大影響[7-10]。為解決該型發動機穩定性余量檢查不合格問題,避免大規模排查故障工作,筆者對軸流壓氣機轉子葉尖間隙影響進行研究,為發動機排查故障及控制措施制訂提供依據。

2 研究對象

筆者研究的對象為八級軸流壓氣機,由一級進口導流葉片、八級轉子葉片、八級整流葉片組成。這一八級軸流壓氣機設計轉速為4 700 r/min,穩定性余量檢查轉速為3 500 r/min,如圖1所示。

▲圖1 八級軸流壓氣機

分別對八級軸流壓氣機轉子葉尖間隙的上公差值、中公差值、下公差值進行計算,見表1。

表1 八級軸流壓氣機轉子葉尖間隙 mm

3 模擬方法

筆者采用NUMECA軟件中的AUTOGRID5模塊對模型進行網格劃分,并且采用O4H型拓撲結構,基于FINE/TURBO模塊進行數值求解。在研究中,湍流模型采用Spalart-Allmaras模型,時間推進采用四階龍格-庫塔法,通過多重網格技術、當地時間步長、殘差光順技術加速收斂。邊界條件中,進口總溫為288.2 K,總壓為101 325 Pa。設置進口氣流角,采用軸向進氣。設置出口靜壓,通過調整出口壓力,獲得軸流壓氣機的特性。

4 總體性能分析

轉速為4 700 r/min時軸流壓氣機特性曲線如圖2所示。轉速為4 700 r/min時,轉子葉尖間隙減小后,軸流壓氣機性能明顯提高。在整個流量范圍內,轉子葉尖小間隙軸流壓氣機的效率均高于原型。在部分大流量范圍內,轉子葉尖小間隙軸流壓氣機的壓比高于原型。轉子葉尖間隙減小后,軸流壓氣機的穩定性得到一定程度提高,即轉子葉尖小間隙軸流壓氣機喘振邊界對應的流量比原型低。

▲圖2 4 700 r/min時軸流壓氣機特性曲線

轉速為3 500 r/min時軸流壓氣機特性曲線如圖3所示。轉速為3 500 r/min時,軸流壓氣機表現出與轉速為4 700 r/min時類似的特性規律。轉子葉尖間隙增大后,整個流量范圍內軸流壓氣機性能明顯降低,同時軸流壓氣機穩定性降低。轉子葉尖間隙減小后,整個流量范圍內軸流壓氣機性能明顯提高,同時軸流壓氣機穩定性提高。

▲圖3 3 500 r/min時軸流壓氣機特性曲線

為了更好地定量分析轉子葉尖間隙變化對軸流壓氣機性能的影響,對比不同轉子葉尖間隙時的綜合裕度改進量SMI和流量裕度改進量SMI1,見表2、表3。

(1)

SMI1=[(Mys/Mns)-1]×100%

(2)

表2 4 700 r/min時裕度改進量對比

表3 3 500 r/min時裕度改進量對比

對比表2、表3可發現,轉子葉尖間隙變化在關鍵轉速3 500 r/min時對軸流壓氣機穩定性、峰值效率的影響程度都比在設計轉速4 700 r/min時大很多,特別是對裕度改進量的影響更大。

5 流場分析

結合總體性能分析結果,轉子葉尖間隙的影響在轉速為3 500 r/min時更為明顯,因此軸流壓氣機的流場分析在3 500 r/min轉速下進行。

98%葉片高度處所有軸流壓氣機葉片通道內相對馬赫數分布云圖如圖4所示。從圖4中可以看到,第一級轉子至第五級轉子葉頂通道內低能流體區流場的大小受轉子葉尖間隙的影響較大,最后三級轉子葉頂通道內流場受轉子葉尖間隙的影響較小。隨著轉子葉尖間隙的減小,前五級轉子葉頂通道內低能流體分布范圍逐漸減小。前期研究表明,前三級轉子葉頂流場影響軸流壓氣機穩定性的程度比后五級大,所以著重分析前三級轉子葉頂流場。

▲圖4 98%葉片高度處所有軸流壓氣機葉片通道內相對馬赫數分布云圖

98%葉片高度處軸流壓氣機第一級至第三級轉子葉頂通道內相對馬赫數分布云圖如圖5所示。從圖5中可以看到,隨著轉子葉尖間隙的增大,第一級轉子、第三級轉子葉頂通道內低相對馬赫數分布區域逐漸擴大,第一級轉子葉頂通道內低能氣流區域面積明顯比第三級轉子大。

▲圖5 98%葉片高度處軸流壓氣機第一級至第三級轉子葉頂通道內相對馬赫數分布云圖

6 結論

筆者采用數值模擬方法對八級軸流壓氣機進行研究,對比分析了不同轉子葉尖間隙下軸流壓氣機性能及流場變化,主要結論如下:

(1) 相比于原型軸流壓氣機,當軸流壓氣機轉子葉尖間隙增大后,軸流壓氣機的性能及喘振裕度明顯降低;

(2) 轉子葉尖間隙減小,可以提高軸流壓氣機的性能及喘振裕度;

(3) 轉子葉尖間隙變化在臨界轉速時對軸流壓氣機性能和穩定性的影響更為明顯。