大級間引氣對軸流壓氣機級間性能的影響

張 軍，周成華，田小紅，黃 磊，蔣志軍，桂幸民

(1.中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 610500；2.北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 100191；3.西北工業大學 動力與能源學院，西安 710072)

1 引言

在航空發動機設計中，空氣系統需從壓氣機級間引氣，用于發動機進口防冰和發動機熱端部件冷卻等[1]。對于變循環、TBCC[2-3]等發動機，為了實現更寬的工作范圍，需要壓氣機提供更大的流量，為此對壓氣機級間引氣量的需求也越來越大。然而過大的級間引氣量，必然會增加壓氣機的級間匹配設計難度，帶來流場氣動不穩定、葉片振動風險大和引氣損失大等問題。

國內外在壓氣機引氣方式、引氣模型、引氣位置和引氣量等方面開展了大量的研究工作。如Yuhas 等[4]通過地面試驗，研究了F404-GE-400發動機壓氣機內部引氣對發動機性能的影響。Leishman 等[5-7]對壓氣機引氣進行了一系列機理研究，認為引氣與主流干擾的本質是無黏的壓力驅動現象，并較強地依賴于引氣位置、引氣結構形式和引氣量大小。趙斌等[8-10]采用數值模擬的方法，研究了引氣位置、引氣結構形式等不同引氣方案對壓氣機級間性能及壓氣機總壓升、穩定裕度的影響。姚丁夫等[11]采用CFD 方法對Stage35 和一臺9 級壓氣機開展了引氣機理和級間匹配特性研究，結果表明轉子端壁引氣能夠提高級效率和級壓比。沙心國等[12]采用數值模型方法，研究了級間引氣對一臺高負荷8 級壓氣機總體性能、內部流場和級間匹配特性的影響。顧楊等[13]針對一臺7 級高壓壓氣機，開展了不同引氣量對其性能影響的試驗研究，結果表明級間引氣增加了壓氣機的穩定裕度，引氣量增加時效率降低。陳業輝等[14]以一臺4 級壓氣機為研究對象，通過試驗測量的方法研究了級間引氣量3.2%和5.4%工況下的壓氣機級間性能變化。強艷等[15]研究了級間放氣對壓氣機中低轉速性能和核心機起動性能的影響。但這些研究工作大多是針對級間引氣量較小的狀態(一般不超過進口流量的10%)，且所用方法多為數值模擬方法。

本文通過對一臺最大級間引氣量達24%的大級間引氣壓氣機開展詳細的級間測量試驗，采用基于流線曲率法改進的通流計算方法對級間測量試驗數據進行處理，計算、分析了大級間引氣試驗狀態下的壓氣機流場，研究了大級間引氣對壓氣機級間性能(包括級間性能匹配和流場特征)的影響。

2 研究方法

研究對象為一臺大級間引氣9 級軸流壓氣機，其子午投影示意圖如圖1 所示。根據發動機總體設計要求，該壓氣機需在部分工況下進行大級間引氣以提高進氣流量、增加發動機推力。引氣位置設置在第3 級靜子后，最大級間引氣量可達進口流量的20%以上。

圖1 9 級軸流壓氣機子午流路示意圖Fig.1 The meridional flow sketch of a 9-stage axial compressor

2.1 大級間引氣結構設計

在大級間引氣結構設計方面，為了實現較大的引氣流量，增加了第3 級靜子和第4 級轉子的軸向間隙(圖1)。為了盡可能以較低的損失將大量的氣體順利引出，開展了多輪引氣結構設計和流場仿真分析，從而得到了流路損失較小的大級間引氣結構。大級間引氣結構三維仿真網格如圖2 所示，最終的引氣結構方案見圖3。在第3 級靜子(S3)和第4 級轉子(R4)2 排葉片間的機匣處，沿周向開24 個引氣孔，將氣流均勻地引到集氣腔內；待氣流在集氣腔內穩定后，通過沿軸向均布的6 根引氣管引出并與試驗臺架引氣管連接；通過調節引氣管閥門開度控制級間引氣量，并在臺架引氣管中布置流量管測量引氣量。

圖2 大級間引氣結構三維仿真網格Fig.2 The 3D simulation grid of high bleeding flow structure

圖3 大級間引氣結構方案Fig.3 The structure of high bleeding flow

2.2 試驗測試方案

試驗在中國航發四川燃氣渦輪研究院全臺壓氣機試驗器(圖4)上進行。試驗器主體由進氣系統、排氣系統、齒輪增速器、動力裝置、測試系統、電氣及試驗監控系統、潤滑及應急油路系統、引(放)氣系統、輔助系統等組成。試驗過程中，通過動力電機帶動齒輪增速器進而帶動試驗件運轉；利用進氣和排氣節流裝置調節進出口壓力，實現試驗件狀態調節。

圖4 試驗器簡圖Fig.4 The sketch of tester

在測試布局方面，壓氣機進口物理流量通過試驗器進口流量管測取。流量管進口沿周向均布了外壁靜壓孔采集靜壓，測量當地的大氣壓力作為流量管進口總壓，計算出進口空氣物理流量。在壓氣機進出口布置總溫、總壓復合探針，測取進出口總溫、總壓。

在級間參數測量方面，通過在第1 級～第9 級靜葉前緣安裝的葉型受感部測取每級轉子后的總溫、總壓。每排靜葉選取2 個葉片安裝總壓葉型受感部，徑向共測量5 點，其中1 個葉片徑向測2 點，另1 個葉片徑向測3 點，測點高度沿整個葉高等環面積分布；總溫葉型受感部的安裝方式與總壓的保持一致。測點位置沿徑向分布如圖5 所示。

圖5 級間測點沿徑向分布示意圖Fig.5 The positions along blade of inter-stage test point

試驗時，利用前期試驗確定的1 個使壓氣機性能較好的可調導葉調節角度，然后保持該可調導葉調節角度不變，調整壓氣機出口節氣閥門開度調節壓氣機出口背壓，并錄取壓氣機特性。在此過程中，通過調節引氣管閥門開度，保持特性線上每個點的級間引氣率(引氣流量/進口流量)一致。

2.3 試驗數據處理及分析方法

在級間試驗數據處理上，為了充分研究大級間引氣工況下壓氣機級間流場細節，采用基于級間測量數據求解S2 子午流面徑向平衡方程[16]，進而獲得S2 子午流面參數的方法。利用該方法可以得到級間試驗無法直接測量的氣流速度、角度、馬赫數分布等關鍵參數，由于關鍵參數直接采用試驗測量數據，使其具有足夠的高仿真精度。

獲取S2 子午流面參數的核心算法在于求解的子午流面徑向平衡方程：

圖6 S2 流面變量定義Fig.6 Variable definitions of S2 meridional surface

求解公式(1)的關鍵在于求解焓、熵的分布，通過關聯級間測試的總溫、總壓，可得到每級的焓增量和熵增量：

式中：Δi為2 個計算站之間的總焓增，T*為前1 計算站的總溫，ΔT*為2 個計算站之間的總溫升，cp為等壓比熱容；Δs為2 個計算站之間的熵增，T為前1 計算站的靜溫，ΔT為2 個計算站之間的靜溫升，v為比體積。

帶入公式(1)進行迭代求解，從而反演得到基于級間測試結果的子午流場。

3 結果與分析

選取壓氣機相對換算轉速0.8，分別開展了3級后引氣率13%、17%、24%條件下的級間性能錄取試驗，研究級間引氣量變化對壓氣機性能的影響。

3.1 級間引氣對總性能的影響

壓氣機在引氣率13%、17%、24%下的總性能如圖7 所示。可見，隨著3 級后引氣率增加，壓氣機最高效率逐漸降低，壓氣機堵點流量基本不變；喘點流量增加，壓氣機喘振邊界向右移動，喘振裕度減小。

圖7 不同引氣率下的壓氣機總特性對比Fig.7 Comparison of the total performance of the compressor with different bleeding rate

3.2 工作點流場變化分析

發動機共同工作線與壓氣機特性線的交點(圖7(b)粉紅色方框內)為工作點，屬于壓氣機需要經常工作的工況，因此對大級間引氣工況下壓氣機工作點流場變化的分析有著重要意義。

在大級間引氣工況下，引氣位置前后級轉子速度三角形理論變化趨勢如圖8 所示。其中，圖8(a)為引氣位置后面級軸向速度減小后的速度三角形變化趨勢，在假設轉子出口氣流角不變(β2=)的情況下，軸向速度由v1a減小為，扭速增加，轉子加功量增加；圖8(b)為引氣位置前面級軸向速度增加后的速度三角形變化趨勢，軸向速度由v1a增大為，扭速減小，轉子加功減小。

圖8 引氣位置前后速度三角型[11]Fig.8 Diagram of velocity triangle near the bleeding position

基于上述基本理論，選取各引氣率下近工作點的級壓比和級效率開展級間參數沿軸向分布匹配分析。不同引氣率下的級壓比分布如圖9 所示。可見，由于S3 后大級間引氣，第3 級轉子壓比降低最明顯，整個級壓比沿各級分布規律在第3 級處有較大的凹坑。隨著級間引氣量增大，引氣位置前面級(前3 級)匹配壓比降低，后面級匹配壓比總體上提高；但在引氣量24%條件下，第4 級壓比反而降低。這說明該引氣率過大，導致第4 級出現了局部失速區，這一引氣率已經超過了第4 級能夠穩定工作的最大引氣率。引氣量增加后，特別是增加到24%后，引氣位置前面級匹配壓比降低，但是后6 級匹配壓比并沒有提高以彌補前3 級降低的壓比，因此在整臺壓氣機總特性圖中(圖7)呈現出引氣量越大、喘點壓比越低、喘振裕度越小的趨勢。

圖9 不同引氣率下級壓比沿各級的分布Fig.9 Total pressure ratio distribution at stages with different bleeding rate

圖10 為不同引氣率下近工作點級效率沿各級的分布。可見，大級間引量工況下，引氣位置后的第1 級(圖中第4 級)匹配的級效率最低。這是因為第4 級距離引氣下游位置最近，大量氣體從S3后的機匣位置引出后，導致R4 進口流量劇烈變化、流場變化大、氣流容易發生分離，進而導致該級效率低，且引氣量越大效率越低。

圖10 不同引氣率下級效率沿各級的分布Fig.10 Efficiency distribution at stages with different bleeding rate

圖11～圖13 示出了不同引氣率下引氣位置前1 級轉子(第3 級轉子，R3)和后1 級轉子(R4)的進口軸向速度、攻角、無量綱壓比徑向分布。

圖11 不同引氣率下的轉子進口軸向速度徑向分布Fig.11 Rotor inlet axial velocity along spanwise with different bleeding rate

從圖11(a)、圖12(a)、圖13(a)可以看出，隨著引氣率從13%增加到24%，R3 的軸向速度、攻角變化不大，壓比降低。其原因是由于該壓氣機在此工況下前3 級已經進入堵塞狀態，3 級后的引氣率變化對進口流量影響不明顯，轉子壓比降低是由于引氣導致轉子出口壓力降低引起的。從圖11(b)中可以看出，在大級間引氣量下，引氣位置后的1 級轉子(R4)進口軸向速度呈現出從葉根到葉尖逐步減小的狀態。這是由于引氣孔設置在S3 后的機匣處(圖3)，大量氣流從機匣處被引出會大大降低引氣孔下游氣流的軸向速度，且這種影響在離引氣孔越近的位置越顯著。從圖8 中的速度三角形可知，進口軸向速度降低后，轉子進口氣流角增大、攻角增大、轉子加功量增大，所以圖12(b)中R4 的攻角分布呈現出從葉根到葉尖逐步增大的趨勢。圖13(b)中，當引氣率從13%增加到17%時，R4 尖部壓比提高；當引氣率從17%增加到24%時，R4壓比反而出現了明顯的降低。這是因為壓比是由轉子加功量和效率共同決定的，當引氣率達到24%時，攻角過大導致葉片損失增加、效率降低，雖然加功量增加，但效率大幅降低仍然會導致壓比降低。

圖12 不同引氣率下的轉子進口軸向速度徑向分布Fig.12 Rotor inlet axial velocity along spanwise with different bleeding rate

圖13 不同引氣率下的轉子無量綱壓比徑向分布Fig.13 Non-dimensional total pressure ratio of rotor along spanwise with different bleeding rate

從級間參數的徑向分布可知，葉尖處的參數隨引氣率變化更明顯，從葉尖到葉根引氣率變化的影響逐步減弱，這與本文所采用的機匣引氣的結構形式是相適應的，大量氣流從機匣引氣孔引出，離引氣孔越近流場變化越大。

經過試驗數據處理，不同引氣率下近工作點子午流面馬赫數分布如圖14 所示。可見，隨著引氣量從13%增加到24%，S3 后引氣口位置的馬赫數首先降低，低速區范圍由機匣向輪轂區域逐漸發展并逐步增大；R4、S4 低速區范圍從葉尖開始逐步增大，局部失速區范圍擴大；與此同時，5 級以后低速區范圍主要從靜子葉中開始增大，且級間引氣量越大，后面級靜子葉片的局部失速區越大，越容易使壓氣機進入喘振，造成喘振裕度降低。

圖14 不同引氣率下的子午流面馬赫數分布Fig.14 The meridional Mach number distribution under different bleeding rate

3.3 大級間引氣對級特性匹配的影響

級流量系數是衡量級流通能力的重要參數，定義為級進口軸向速度與轉子葉中切線速度之比。壓氣機級負荷系數[17]是衡量級負荷的一個重要特征系數，通常定義為級加功量與轉子葉中切線速度平方之比。圖15 為不同引氣率下引氣位置前1 級(R3)和后1 級(R4)的級負荷系數隨流量系數變化的級特性。從圖中可以看出，隨著引氣率逐步增加，第3 級匹配的級特性呈現出向右下方收縮的趨勢。最右下方粉紅色虛線框內的點是整臺壓氣機處于堵塞工況時的第3 級特性匹配點，在不同引氣率下，該區域的流量系數變化不大，說明第3 級工作在級特性的堵塞區，因此在總特性圖中(圖7)體現出壓氣機堵塞流量基本不變的特征。第4 級由于引氣量增加，流量系數明顯減小，該級工作的最大負荷系數變化不大。

圖15 不同引氣率下的負荷系數-流量系數級特性Fig.15 Loading coefficient -flow coefficient stage characteristics under different bleeding rate

圖16 為不同引氣率下的無量綱級效率隨流量系數變化的級特性。隨著引氣率增加，第3 級效率隨流量系數變化不大，第4 級效率降低。

圖16 不同引氣率下的無量綱效率-流量系數級特性Fig.16 Non-dimensional efficiency-flow coefficient stage characteristics under different bleeding rate

4 結論

通過對一臺9 級壓氣機開展大級間引氣結構設計、大級間引氣試驗和試驗數據分析，研究了大級間引氣對軸流壓氣機級間性能的影響，主要得出如下結論：

(1) 該壓氣機由于引氣位置前面的第3 級工作在級特性堵塞區，限制了整臺壓氣機的流量，增大級間引氣量無法提高壓氣機流量。

(2) 大級間引氣量下，級間引氣率從13% 增加到24%，由于引氣位置后面級出現局部失速區，后面級提升的增壓比不足以彌補引氣位置前面級降低的壓比，級間性能匹配惡化，導致壓氣機喘振裕度降低。

(3) 采用機匣引氣，對引氣位置后的第1 級(該壓氣機的第4 級)葉尖區域的流場匹配影響更明顯，從葉尖到葉根影響逐步減弱。