渦扇發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙影響的研究

孫澤良 李 斌

中國航發(fā)動力股份有限公司 西安 710021

1 研究背景

風扇是渦扇發(fā)動機的重要組成部分,是發(fā)動機對氣流做功的最前端,它的性能是影響整機性能的關(guān)鍵因素之一。目前的風扇設(shè)計要求為高壓比、高流通能力、高穩(wěn)定工作范圍[1]。風扇內(nèi)部氣流流動非常復雜,具有大逆壓梯度、非定長、跨聲速,以及存在強烈的三元效應(yīng)等特點。風扇內(nèi)部實際流動存在一定損失,轉(zhuǎn)子葉尖間隙引起的倒流和潛流等損失是其中的重要組成部分,占比接近流動總損失的一半[2-3]。在風扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙設(shè)計中,既要考慮到間隙過大會帶來較大的氣流損失,又要考慮間隙過小易導致風扇實際運轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子與靜子發(fā)生碰撞的危險,因此風扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙的確定極其重要。國內(nèi)外針對風扇與壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖間隙流動開展了大量研究,研究成果表明,風扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙增大,風扇壓比、效率均會降低,穩(wěn)定工作裕度減小[4-9]。根據(jù)軸流壓氣機原理,葉尖間隙容易產(chǎn)生二次流,對軸流壓氣機的穩(wěn)定性有較大影響[10]。充分認識葉尖間隙實際流動過程,對提高風扇性能和穩(wěn)定工作范圍具有重要意義。

某渦扇發(fā)動機隨工作時間的增加性能下降明顯,大修分解檢查發(fā)現(xiàn),風扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙變化比較明顯。為確定發(fā)動機性能下降的原因,提高發(fā)動機外場使用性能,筆者以該發(fā)動機風扇部件為研究對象,開展風扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙影響研究,確定發(fā)動機修理控制措施。

2 研究對象

研究對象為某發(fā)動機五級風扇,由一級進口導流葉片、五級轉(zhuǎn)子葉片和五級靜子葉片組成,其中,第1級、第5級轉(zhuǎn)子葉片帶阻尼臺。筆者的計算在最大轉(zhuǎn)速為8 458 r/min時開展。風扇流道如圖1所示。

▲圖1 風扇流道

風扇各級轉(zhuǎn)子葉尖間隙圖紙設(shè)計值為冷態(tài)值,實際工作過程中,受溫度及轉(zhuǎn)速影響,葉尖間隙會發(fā)生變化。筆者計算的葉尖間隙是在圖紙設(shè)計值為冷態(tài)間隙基礎(chǔ)上,通過計算變形后得到的。各級轉(zhuǎn)子葉尖間隙計算值見表1。

表1 各級轉(zhuǎn)子葉尖計算間隙 mm

3 數(shù)值模擬方法

筆者采用NUMECA軟件,應(yīng)用Autogrid5.0生成網(wǎng)格,各葉片排風通道內(nèi)均使用C型貼體網(wǎng)格,葉片前后緣處對網(wǎng)格加密。帶阻尼臺的第1級、第5級轉(zhuǎn)子葉片沿徑向分為三塊,并且在阻尼臺區(qū)域進行網(wǎng)格加密。采用Fine-Turbo模塊進行數(shù)值計算,發(fā)動機給定軸向進氣,絕對氣流角為0°,進口邊界處的總溫度認為是均勻的,進口總壓設(shè)置為101 325 Pa,進口總溫度設(shè)置為288.6 K,出口邊界以平均靜壓來計算。

4 計算分析

4.1 總體性能分析

最大轉(zhuǎn)速下不同葉尖間隙風扇特性如圖2、圖3所示,可以看出隨著葉尖間隙的增大,五級風扇的效率、壓比、流量都呈現(xiàn)降低趨勢。當五級風扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙由最小間隙退化為最大間隙時,風扇最高效率降低0.69個百分點,最大壓比降低1.11%,流量降低0.22%。

▲圖2 最大轉(zhuǎn)速下不同葉尖間隙風扇流量效率特性▲圖3 最大轉(zhuǎn)速下不同葉尖間隙風扇流量總壓比特性

4.2 流場分析

葉尖間隙的變化在葉尖區(qū)域的影響最為明顯。葉尖間隙最小和最大時99%葉高處馬赫數(shù)云圖分別如圖4、圖5所示,可以看出在轉(zhuǎn)子葉尖處,葉尖間隙最大時較最小時低馬赫數(shù)區(qū)面積明顯增大。可以初步得到結(jié)論,葉尖間隙增大會導致轉(zhuǎn)子葉尖通道處產(chǎn)生低速區(qū),這很可能是五級風扇性能下降的原因。

▲圖4 葉尖間隙最小時99%葉高處馬赫數(shù)云圖▲圖5 葉尖間隙最大時99%葉高處馬赫數(shù)云圖

葉尖間隙最小和最大時第1級至第5級轉(zhuǎn)子葉尖處的泄漏流線圖分別如圖6、圖7所示。圖7較圖6縱向泄漏流線明顯增多,即在葉尖間隙變大時,葉尖處的泄漏會增大,較明顯的變化發(fā)生在轉(zhuǎn)子第3級和轉(zhuǎn)子第5級葉尖處。在小葉尖間隙時,葉尖處的泄漏流從一個通道進入另一個通道,并順沿該通道流到下一級。當葉尖間隙增大時,轉(zhuǎn)子第3級和轉(zhuǎn)子第5級葉尖處的泄漏流從一個通道進入下一個通道,會有部分泄漏流繼續(xù)進入再下一個通道,為二次泄漏流,這些泄漏流與主流摻混在葉尖通道處,形成低速區(qū),導致流場損失增加。由此可見,葉尖間隙增大會導致葉尖處的泄漏流增多,產(chǎn)生二次泄漏流,并在葉尖通道處形成低速區(qū),進而導致五級風扇性能衰退。

▲圖6 葉尖間隙最小時轉(zhuǎn)子葉尖處泄漏流線圖

▲圖7 葉尖間隙最大時轉(zhuǎn)子葉尖處泄漏流線圖

4.3 主要影響級分析

葉尖間隙最小和最大時五級風扇各級的效率如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn),當葉尖間隙增大時,前三級的效率下降很小,分別下降0.12、0.14、0.26個百分點,第4級效率下降0.57個百分點,第5級效率下降最大,達到1.72個百分點。由以上分析結(jié)果可以推斷,第5級效率下降最大。

▲圖8 葉尖間隙最小和最大時風扇各級效率

5 結(jié)論

筆者采用數(shù)值仿真對五級風扇進行計算分析,對比不同葉尖間隙時的風扇性能及流場,主要研究結(jié)論如下:

(1) 葉尖間隙增大時,風扇的效率、壓比、流量都呈現(xiàn)下降趨勢;

(2) 葉尖間隙增大導致轉(zhuǎn)子葉尖處的泄漏流增多,同時產(chǎn)生二次泄漏流,導致在葉尖通道處產(chǎn)生低速區(qū),這是導致風扇性能效率降低的主要原因；

(3) 轉(zhuǎn)子第5級葉尖間隙變化是影響風扇性能變化的主要級。