靜子葉根篦齒泄漏流對某組合壓氣機性能的影響

邱道彬 劉西武 曹四

（1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

0.引言

隨著壓氣機壓比及其平均級負荷的不斷提高，采用篦齒封嚴結(jié)構(gòu)的靜子根部容腔泄漏流對高壓壓氣機的性能影響不容忽視。通過文獻調(diào)研可知，篦齒間隙占葉片展高的比例每增加1%，可導(dǎo)致壓比下降3%，效率下降1%～1.5%[1]。Shabbir等人[2]的研究表明，壓升的降低是由于根部堵塞發(fā)生變化而非攻角的變化。Demargne等人[3]通過壓氣機平面葉柵研究了靜子間隙流對主流的影響，其試驗結(jié)果表明泄漏流量越大，越容易導(dǎo)致葉柵流動惡化，同時隨著間隙流切向速度的增加，葉片排的流動會變好，由文獻調(diào)研可知靜子間隙泄漏流的影響不可忽視。本文以某軸流離心組合壓氣機的軸流靜子根部容腔為研究對象，研究靜子根部間隙泄漏流對此壓氣機性能的影響。

1.研究對象和方法

本文對某帶靜子根部篦齒封嚴容腔結(jié)構(gòu)高壓壓氣機進行三維氣動仿真，其高壓壓氣機及靜子根部容腔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖1所示。根部容腔結(jié)構(gòu)采用ICEM進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，見圖2，總網(wǎng)格單元約為75.4萬。高壓壓氣機采用AutoGrid進行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格量約為56.8萬。此外，本文計算所采用的篦齒間隙為0.3mm，約占軸流靜子葉高的0.76%。

圖1 高壓壓氣機+根部容腔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

進行數(shù)值模擬所用的軟件為CFX 17.2，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)K-epsilon模型，Modified Linear Profile二階精度的離散格式。進口邊界設(shè)置在過渡段支板的進口，此處的氣流條件按照標(biāo)準(zhǔn)大氣設(shè)置，給定總溫、總壓和氣流方向。其中容腔結(jié)構(gòu)與軸流靜子的交界面定義為Frozen Rotor，如圖2所示。高壓壓氣機轉(zhuǎn)靜子之間采用Stage(Mixing-Plane)設(shè)置；高壓壓氣機出口給定靜壓邊界條件。

圖2 根部容腔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

2.數(shù)值模擬結(jié)果與分析

在100%轉(zhuǎn)速條件下，對帶有靜子根部篦齒封嚴容腔結(jié)構(gòu)高壓壓氣機進行三維氣動仿真，并對仿真結(jié)果進行對比分析。圖3給出了該壓氣機在100%轉(zhuǎn)速條件下的流量-壓比特性，從圖中可以看出帶篦齒和不帶篦齒計算其對壓比的影響較小，僅在近喘點附近壓比有略微的下降，而喘點流量所受的影響更加明顯，計入篦齒泄漏的影響后，壓氣機的綜合裕度下降了1.5%。圖4給出了該壓氣機在100%轉(zhuǎn)速條件下的壓比-效率特性，從圖中可以看出帶靜子根部篦齒計算以后，近設(shè)計點的效率變化并不明顯，而近喘點的效率出現(xiàn)了明顯的下降，下降約0.46%，這與近喘點壓比高，篦齒泄漏損失大相關(guān)。總體而言，效率的降幅與壓比呈正相關(guān)的關(guān)系。

圖3 流量-壓比特性

圖4 壓比-效率特性

2.1 峰值效率點影響分析

為了進一步分析帶靜子根部篦齒容腔結(jié)構(gòu)對高壓壓氣機的影響，下面對峰值效率點的內(nèi)部流場進行分析。圖5給出了峰值效率點軸流靜子極限流線對比圖，從圖中可以明顯看出，考慮篦齒結(jié)構(gòu)后，靜子根部的二次流變化非常明顯，二次流所影響的區(qū)域明顯增大，因此壓力損失也將增大，從而影響壓氣機的效率和裕度。

圖5 峰值效率點軸流靜子吸力面和輪轂表面極限流線圖

圖6對比了峰值效率點的靜子進口氣流角，20%以內(nèi)展高的氣流角均受到了影響，氣流與軸向的夾角增大，即靜子的攻角增大，進而影響裕度。Aungier在文獻[4]中對靜子篦齒的泄漏影響進行了分析并給出了計算公式，氣流從篦齒腔泄漏到主流道時帶有一定的切向速度，且與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同。因此靜子根部附近的攻角都將有所增大，CFD結(jié)果顯示輪轂壁面的攻角增大了約3°。

圖6 靜子進口氣流角

圖7對比了峰值效率點靜子10%展高的表面靜壓分布，考慮篦齒結(jié)構(gòu)以后，吸力面的靜壓基本不受影響，而壓力面的靜壓則有略微下降，即葉片的負荷有輕微的下降。說明篦齒泄漏既影響靜子的攻角，同時還影響靜子的靜壓升能力，而這2個因素都將影響壓氣機的裕度。

圖7 靜子10%展高表面靜壓

圖8給出了峰值效率點靜子根部容腔極限流線和靜壓分布示意圖，從圖中可以看出此泄漏流主要由靜壓驅(qū)動，即靜子出口壓力較高，靜子進口壓力較低，使得靜子后容腔內(nèi)的流體沿篦齒間隙向前容腔泄漏，這種泄漏必然會帶來一定的泄漏損失。圖9給出了峰值效率點軸流靜子總壓恢復(fù)系數(shù)沿展向分布，從圖中可以看出帶靜子根部容腔的總壓恢復(fù)系數(shù)明顯比不帶靜子根部容腔的總壓恢復(fù)系數(shù)低，和圖4中其峰值效率點效率降低相一致。此外對于圖3中峰值效率點壓比變化較小的原因和篦齒泄漏流的流量較小相關(guān)，其泄漏流量只有0.012kg/s，約占喘點進口流量（約4.83kg/s）的0.25%，其所帶來的靜子根部總壓損失較小。

圖8 根部容腔泄流線圖

圖9 靜子總壓恢復(fù)系數(shù)沿展向分布

2.2 近失速點影響分析

從壓氣機總體特性可以看出，采用篦齒計算以后，特性差異最顯著的位置出現(xiàn)在近喘點，因此對近喘點的內(nèi)部流場進行分析。

圖10給出了近失速點S5吸力面和輪轂表面極限流線對比圖，與峰值效率點趨勢類似，篦齒泄漏使得軸流靜子根部的流動狀況惡化，受二次流影響的區(qū)域增大。從特性對比可知，篦齒結(jié)構(gòu)的影響在近失速點有所增大。因為此時壓比、流量和效率的變化都更加明顯。

圖10 近失速點S5吸力面和輪轂表面極限流線圖

圖11對比了近失速點靜子進口氣流角的展向分布，90%展高以下的區(qū)域都受到了影響：在10%展高以下的區(qū)域，靜子的攻角增大，而在10%展高以上的區(qū)域，靜子的攻角略微減小。說明此時篦齒的泄漏不僅影響軸流靜子的根部，同時還影響整個徑向的平衡。

圖11 靜子進口氣流角

圖12對比了近失速點軸流靜子10%展高的表面靜壓分布，與峰值效率點相比，壓力面的靜壓下降幅度更大，同時吸力面的靜壓也略微下降。此外，篦齒泄漏還導(dǎo)致出口靜壓的下降，靜壓升能力受到的影響更加明顯。

圖12 靜子10%展高表面靜壓

圖13給出了近失速點軸流靜子總壓恢復(fù)系數(shù)沿展向分布，從圖中可以看出20%展高以下帶靜子根部容腔的總壓恢復(fù)系數(shù)明顯比不帶靜子根部容腔的總壓恢復(fù)系數(shù)低，和圖4中其近失速點效率降低相一致。

圖13 靜子總壓恢復(fù)系數(shù)沿展向分布

3.結(jié)論

利用三維數(shù)值仿真的方法對某軸流離心組合壓氣機靜子葉根間隙流進行數(shù)值計算分析。得出如下結(jié)論：

靜子葉根間隙流導(dǎo)致壓氣機近喘點效率、壓比及喘振裕度均有所下降，設(shè)計點效率、壓比基本不變，在篦齒間隙一定的條件下，靜子葉根篦齒泄漏的影響隨著壓比的增大而增加。篦齒泄漏在導(dǎo)致靜子攻角增大的同時導(dǎo)致靜子的靜壓升能力減弱，根部附近的總壓恢復(fù)系數(shù)降低。