航空發動機風扇葉片表面粗糙度影響的研究

□ 李 斌 □ 張江偉 □ 馬清妍

中國航發西安航空發動機有限公司 西安 710021

1 分析背景

航空發動機及燃氣輪機性能的衰退主要受各種操作和環境因素的影響。航空發動機可能會吸入腐蝕性鹽霧、灰塵顆粒、風沙、燃燒產生物,甚至火山灰,航空發動機部件會被不斷侵蝕破壞。對于航空發動機自身而言,材料生銹或剝落,燃油泄漏,甚至不干凈的燃油,均會腐蝕流道表面,產生的積垢會堵塞系統。以上衰退源以不同的方式影響航空發動機的性能,風扇處于航空發動機的最前端,外界微粒容易在風扇葉片表面沉積,積垢和侵蝕會增大葉片表面粗糙度值,從而影響航空發動機的工作性能,風扇葉片表面質量對航空發動機性能影響的研究已經較為迫切[1-3]。

國內外針對風扇葉片表面粗糙度變化造成航空發動機性能下降開展了大量研究,研究結果均表明,葉片表面粗糙度變差會造成風扇性能衰退,從而降低航空發動機的使用性能[4-11]。某航空發動機三次修理后,主機性能偏低,推力和空氣流量偏小,在噴口放大的情況下,低壓工作線仍偏高,造成航空發動機性能不合格。分解發現,這臺航空發動機風扇葉片由于使用時間較長,葉片表面粗糙度差。筆者針對三次修理后由于葉片表面粗糙度差導致的航空發動機性能衰退問題展開研究,采用計算流體動力學數值仿真方法,計算分析不同風扇葉片表面粗糙度對航空發動機性能的影響,確定不同葉片狀態無極風扇性能曲線,并通過航空發動機試車予以驗證。

2 研究對象

筆者的研究對象為某航空發動機風扇葉片,由進口導流葉片、五級轉子葉片、五級靜子葉片組成,第一級、第五級轉子葉片帶阻尼臺。第一級、第五級轉子葉片材料為鈦合金,其余轉子、靜子葉片材料為鋁合金,鋁合金葉片表面覆蓋有防腐漆。低壓轉子最大連續轉速為7 952 r/min,慢車轉速為2 660 r/min。風扇結構如圖1所示。

根據修理航空發動機實際統計情況,風扇葉片表面粗糙度Ra粗糙表面為1.5 μm,光滑表面為0.6 μm。將表面粗糙度分為四種狀態進行分析。

(1)光滑。所有轉子葉片、靜子葉片均設置為光滑表面。

(2)一類粗糙。僅第一級、第五級轉子葉片設置為粗糙表面,其它葉片均為完全光滑表面。

(3)轉子粗糙。所有轉子葉片設置為粗糙表面,靜子葉片設置為光滑表面。

(4)粗糙。所有轉子葉片、靜子葉片均設置為粗糙表面。

▲圖1 風扇結構

3 數值模擬方法

筆者采用NUMECA軟件中的AUTOGRID5模塊進行網格劃分,采用C型網格拓撲結構,并采用Fine/Turbo模塊進行數值求解。采用Spalart-Allmaras湍流模型,時間推進采用四階龍格-庫塔方法,并采用多重網格技術、當地時間步長、殘差光順技術加速收斂。邊界條件中,進口總溫設定為288.6 K,總壓力設定為101 325 Pa,進口氣流設定為軸向進氣,出口設定為靜壓力,通過調整出口壓力獲得風扇特性。

在NUMECA軟件中,考慮氣流在粗糙壁面上流動時的影響,需要使用壁面函數法,通過調整當量表面粗糙度和卡門常數來調整表面粗糙度。

4 結果分析

最大連續轉速下風扇葉片不同表面粗糙度時風扇效率隨氣流流量變化曲線如圖2所示,風扇壓比隨氣流流量變化曲線如圖3所示。由圖2、圖3可以發現,葉片表面變粗糙,使特性曲線整體左移,氣流流量相同時,風扇壓比、效率均有下降趨勢。

▲圖2 最大連續轉速下風扇葉片不同表面粗糙度時風扇效率隨氣流流量變化曲線

▲圖3 最大連續轉速下風扇葉片不同表面粗糙度時風扇壓比隨氣流流量變化曲線

最大及最小氣流流量時風扇性能分別見表1、表2。最大氣流流量時,在相同計算條件下,一類粗糙狀態使最大氣流流量降低0.104 kg/s,所有轉子葉片、靜子葉片表面均變粗糙,最大氣流流量降低可達0.283 kg/s。最小氣流流量時,氣流流量降低情況變得更加明顯,一類粗糙狀態使最小氣流流量降低0.212 kg/s,所有轉子葉片、靜子葉片表面均變粗糙,最小氣流流量降低達0.8 kg/s。

表1 最大氣流流量時風扇性能

表2 最小氣流流量時風扇性能

當風扇計算條件相同時,葉片表面粗糙度變化所導致的風扇效率和壓比變化較小。最大氣流流量時,風扇效率和壓比變化幾乎可以忽略。最小氣流流量時,葉片表面粗糙度影響增大,一類粗糙狀態時風扇效率下降0.11個百分點,所有轉子葉片、靜子葉片表面均變粗糙,風扇效率下降0.5個百分點。

最大連續轉速下風扇葉片不同表面粗糙度時風扇各級效率變化如圖4所示。由圖4可以看出,隨著葉片表面變粗糙,風扇各級效率出現下降趨勢,粗糙狀態時風扇效率下降0.51個百分點。風扇中間三級效率隨葉片表面粗糙度變化相對較小,在粗糙狀態下,風扇中間三級效率下降在0.4個百分點以內。風扇第一級和第五級效率隨葉片表面粗糙度變化相對明顯,下降均大于0.6個百分點。由于阻尼臺的影響,第一級和第五級效率明顯低于中間三級效率。

▲圖4 最大連續轉速下風扇葉片不同表面粗糙度時風扇效率變化

最小氣流流量時風扇葉片表面粗糙度為光滑及粗糙狀態葉片表面氣流極限流線和熵分布云圖如圖5所示。由圖5可以看出,比較光滑和粗糙狀態風扇葉片表面氣流極限流線和熵分布,兩者并無過大區別,由此可以認為,即使為最小氣流流量,在所研究的葉片表面粗糙度范圍內,葉片表面變粗糙并未使氣流狀況發生較大變化。

▲圖5 最小氣流流量時風扇葉片表面氣流極限流線和熵分布云圖

慢車轉速下風扇葉片不同表面粗糙度時風扇效率與壓比隨氣流流量變化曲線分別如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可以發現,第一級、第五級轉子葉片頁片表面粗糙時,葉片表面粗糙度對風扇性能的影響極其微小,可以忽略。

5 試驗驗證

某臺航空發動機三次大修后性能偏低,為驗證上述仿真計算得到的風扇葉片表面粗糙度對風扇性能的影響,對這臺航空發動機風扇第一級、第五級轉子葉片精拋,進行對比試驗。

▲圖6 慢車轉速下風扇葉片不同表面粗糙度時風扇效率隨氣流流量變化曲線

▲圖7 慢車轉速下風扇葉片不同表面粗糙度時風扇壓比隨氣流流量變化曲線

對風扇第一級、第五級轉子葉片精拋前后進行試車,風扇壓比與航空發動機轉速關系如圖8所示,風扇效率與航空發動機轉速關系如圖9所示,航空發動機推力與航空發動機轉速關系如圖10所示。從試車結果可以看出,相同航空發動機轉速下,風扇壓比提高最大約1.5%,風扇效率提高最大約2個百分點,航空發動機推力增大最大約1 200 N。對于這臺航空發動機而言,精拋風扇第一級、第五級轉子葉片可以達到提高推力、改善航空發動機性能的目的。

▲圖8 風扇壓比與航空發動機轉速關系

實際試車時精拋風扇第一級、第五級轉子葉片效果相比數值模擬計算更為明顯。分析原因可能為航空發動機使用時間長,工況惡劣,數值模擬計算模型只改變葉片表面粗糙度,其余均為理想狀況,部件性能處于較優的狀態。

▲圖9 風扇效率與航空發動機轉速關系

▲圖10 航空發動機推力與航空發動機轉速關系

6 結束語

筆者采用數值模擬方法對航空發動機風扇進行研究,對比分析風扇葉片不同表面粗糙度時的風扇性能及流場。結合修理航空發動機試車驗證,表明葉片表面粗糙度值增大會導致風扇效率和壓比下降,最大氣流流量減小。

在最大連續轉速時,葉片表面粗糙的度影響相對較大。在慢車轉速時,葉片表面粗糙度的影響可以忽略。與風扇中間三級相比,風扇第一級和第五級轉子葉片表面粗糙度對風扇性能的影響更大。通過精拋風扇第一級、第五級轉子葉片,可以達到改善航空發動機性能的目的。