壓氣機(jī)葉頂間隙變化規(guī)律及對(duì)氣動(dòng)性能的影響

高國榮, 曾瑞慧, 陳美寧

(1.中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司, 上海 201108; 2.上海市航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201108)

隨著壓氣機(jī)不斷向高負(fù)荷和低展弦比的方向發(fā)展[1],且核心機(jī)尺寸越來越小,葉頂間隙造成的損失占總損失的比例越來越高;同時(shí)間隙會(huì)影響端壁區(qū)域的流動(dòng),進(jìn)而影響到壓氣機(jī)的整體性能,因此研究間隙損失對(duì)研制大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)至關(guān)重要。目前一般在靜子機(jī)匣內(nèi)壁上噴涂易磨涂層[2-3],但涂層表面粗糙度大,會(huì)進(jìn)一步帶來損失。而且在實(shí)際服役過程中,由于高壓壓氣機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣,高溫、葉片刮削、外部顆粒及氣體沖蝕都會(huì)使機(jī)匣涂層失效[4],導(dǎo)致葉尖間隙發(fā)生改變,壓氣機(jī)的喘振裕度降低,這對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的工作穩(wěn)定性十分不利。以CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)為例,試驗(yàn)表明,高壓壓氣機(jī)葉片尖部間隙增加0.25 mm,排氣溫度裕度降低5 ℃[5]。

中外學(xué)者針對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖端區(qū)復(fù)雜二次流動(dòng)、流動(dòng)失穩(wěn)、間隙尺寸效應(yīng)、泄漏渦系結(jié)構(gòu)等開展了大量的仿真計(jì)算及試驗(yàn)研究。Boristav等[6]和Kang等[7]分別研究了前排導(dǎo)葉尾跡和主流區(qū)對(duì)葉頂間隙泄漏流動(dòng)的影響。Kazutoyo等[8]和Sakulkaew等[9]分別用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法闡述了葉頂間隙對(duì)軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子失速裕度以及壓氣機(jī)效率隨轉(zhuǎn)子間隙的變化規(guī)律,分析了壓氣機(jī)效率對(duì)不同間隙的性能敏感度及其產(chǎn)生原因。

壓氣機(jī)葉頂間隙分析分為軸對(duì)稱和非軸對(duì)稱兩類,其中非軸對(duì)稱葉頂間隙分析還要考慮隨著飛行里程的變化,目前非軸對(duì)稱葉頂間隙對(duì)性能的影響通常采用簡化的分析模型評(píng)估[10-14]。軸對(duì)稱葉頂間隙分析主要考慮離心力和溫度場(chǎng)的綜合影響,通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)葉頂間隙對(duì)跨聲速動(dòng)葉的影響更大[15-16],間隙增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉尖處激波向上游移動(dòng)[17]。

當(dāng)前的研究大多采用數(shù)值模擬或少數(shù)級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)的手段進(jìn)行分析,而10級(jí)以上壓氣機(jī)因其前后級(jí)葉片展高不同,葉頂間隙相對(duì)葉片展高比值不同,對(duì)壓氣機(jī)整體性能的影響程度需要綜合評(píng)估,因此有必要針對(duì)間隙在多級(jí)環(huán)境中的影響進(jìn)行試驗(yàn)探索。本文研究在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)部件性能試驗(yàn)、核心機(jī)及整機(jī)性能試驗(yàn)研究中,以轉(zhuǎn)子葉頂間隙對(duì)壓氣機(jī)整體性能的影響為關(guān)注點(diǎn),深入探索不同尺寸壓氣機(jī)葉頂間隙的變化規(guī)律及其對(duì)高負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響模型,獲取有工程實(shí)用價(jià)值的完整試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 葉頂間隙的變化規(guī)律

1.1 葉頂間隙影響因素

壓氣機(jī)葉頂間隙軸對(duì)稱變化與壓氣機(jī)所處工況強(qiáng)關(guān)聯(lián),具有普遍的規(guī)律性。如圖1所示而非軸對(duì)稱間隙分析影響因素有轉(zhuǎn)子彎曲、轉(zhuǎn)子偏心、機(jī)匣橢圓度、機(jī)匣偏心等,這些由隨機(jī)的制造類或飛行機(jī)動(dòng)類變化導(dǎo)致的間隙變化需要大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析。

本文研究對(duì)象為10級(jí)壓氣機(jī)葉頂間隙軸對(duì)稱變化規(guī)律,如圖2所示,10級(jí)動(dòng)葉(R1～R10)葉頂間隙影響因素中轉(zhuǎn)靜子徑向變形差權(quán)重占90%以上,而轉(zhuǎn)靜子徑向變形差主要由離心力和溫度場(chǎng)變化產(chǎn)生。因此,本文著重研究由離心力和溫度場(chǎng)引起的轉(zhuǎn)靜子徑向變形差對(duì)壓氣機(jī)葉頂間隙的影響規(guī)律。

圖2 壓氣機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂間隙變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of compressor tip clearance variation

1.2 離心力對(duì)葉頂間隙的影響

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在不同轉(zhuǎn)速下,受到離心力的作用,葉片的伸長也不同,離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比,可得各轉(zhuǎn)速下因離心力引起的葉尖變形量為

ΔR′CF=CbN2

(1)

式(1)中:N為轉(zhuǎn)速;Cb為離心力下的線變形系數(shù);CbN2為不同轉(zhuǎn)速下的葉尖變形量。

1.3 溫度場(chǎng)對(duì)葉頂間隙的影響

隨著壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,葉片和機(jī)匣受到溫度載荷的作用,各級(jí)轉(zhuǎn)子和對(duì)應(yīng)外機(jī)匣的變形量不同,可得各轉(zhuǎn)速下因溫度引起的葉尖變形量為

ΔR′T=ΔR′TS+ΔR′TR

(2)

ΔR′TS=CTSΔTS

(3)

ΔR′TR=CTRΔTR

(4)

式中:ΔR′T為溫度載荷;ΔR′TS、ΔR′TR分別為外機(jī)匣、轉(zhuǎn)子溫度載荷;CTS為溫度引起的外機(jī)匣半徑變形系數(shù);ΔTS為外機(jī)匣溫度變化率;CTR為溫度引起的轉(zhuǎn)子半徑變形系數(shù);ΔTR為轉(zhuǎn)子溫度變化率。

若進(jìn)口溫度不變,則ΔTS和ΔTR均為轉(zhuǎn)速N的函數(shù)。若是加溫加壓工況,則ΔTS和ΔTR應(yīng)考慮進(jìn)口溫度和轉(zhuǎn)速兩者的變化。

1.4 葉頂間隙的經(jīng)驗(yàn)擬合規(guī)律

壓氣機(jī)各級(jí)動(dòng)葉的葉頂間隙基準(zhǔn)為冷態(tài)間隙即轉(zhuǎn)速為0時(shí)測(cè)得的葉頂間隙R0,各級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉溫升與葉片做功即輪緣功線性相關(guān),而輪緣功與轉(zhuǎn)速N2相關(guān),各級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉的徑向變形量與其線性膨脹相關(guān),而線性膨脹量隨轉(zhuǎn)速接近線性變化,因此,因溫度載荷導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子動(dòng)葉徑向變形量為轉(zhuǎn)速N3的函數(shù)。因離心力載荷導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子動(dòng)葉徑向變形量為轉(zhuǎn)速N2的函數(shù)。因機(jī)匣溫度載荷導(dǎo)致的機(jī)匣徑向變形量為轉(zhuǎn)速Nx的函數(shù),轉(zhuǎn)速指數(shù)x根據(jù)實(shí)際情況可設(shè)置為1～2。綜上,壓氣機(jī)葉頂間隙的經(jīng)驗(yàn)擬合規(guī)律為

Rn=R0+AN3+BN2+CNx

(5)

式(5)中:Rn為指各級(jí)的葉頂間隙;A、B、C為指葉頂間隙擬合規(guī)律的系數(shù)。

多臺(tái)份壓氣機(jī)部件和核心機(jī)試驗(yàn)證明,三次多項(xiàng)式擬合精度較高,尤其對(duì)后面級(jí)回歸系數(shù)接近1,圖3為第2級(jí)和第7級(jí)動(dòng)葉的葉頂間隙擬合多項(xiàng)式(軸向坐標(biāo)相對(duì)換算轉(zhuǎn)速N/D對(duì)應(yīng)自變量x,縱坐標(biāo)葉頂間隙對(duì)應(yīng)因變量y,擬合回歸系數(shù)R2),假定機(jī)匣線性膨脹隨轉(zhuǎn)速接近線性變化。

紅色方框點(diǎn)代表不同轉(zhuǎn)速試驗(yàn)實(shí)測(cè)葉頂間隙;綠色三角點(diǎn)代表不同轉(zhuǎn)速多項(xiàng)式插值得到的葉頂間隙值

2 葉頂間隙對(duì)性能的影響

2.1 間隙對(duì)單級(jí)性能的影響

通過繪制E310級(jí)壓氣機(jī)各級(jí)進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)的曲線可將壓氣機(jī)分為跨音級(jí)(0.9 MA以上)、高亞音級(jí)(0.75～0.9 MA)和低亞音級(jí)(0.75 MA以下)。如圖4所示,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下前4級(jí)為跨音級(jí),中間3級(jí)為高亞音級(jí),后面3級(jí)為低亞音級(jí)。分別針對(duì)第1級(jí)轉(zhuǎn)子R1、第6級(jí)轉(zhuǎn)子R6和第9級(jí)轉(zhuǎn)子R9進(jìn)行葉頂間隙對(duì)單級(jí)性能影響的仿真和試驗(yàn)研究,得到各級(jí)等熵效率η隨著葉頂間隙的變化規(guī)律,其中葉頂間隙Clearance采用其與葉片展高Span的比值無量綱化為相對(duì)葉頂間隙(C/S)。

圖4 典型壓氣機(jī)各級(jí)進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)Fig.4 Typical inlet relative mach number of each stage

圖5～圖7分別給出了跨音級(jí)R1、高亞音級(jí)R6和低亞音級(jí)R9不同葉頂間隙的壓氣機(jī)單級(jí)性能仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,圖5～圖7中效率和葉頂間隙數(shù)值均進(jìn)行無量綱化處理,各條曲線線中三角紅心點(diǎn)為不同間隙仿真計(jì)算的效率變化值,序號(hào)1和2的黑圈代表兩次試驗(yàn)相比零間隙的效率變化值。由圖5和圖6可知,葉頂間隙增大超過紅虛線后壓氣機(jī)的效率隨間隙增大開始突降,且降低越來越顯著,間隙水平進(jìn)入性能敏感區(qū),兩次試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果。因此,針對(duì)跨音級(jí),建議相對(duì)葉頂間隙控制在0.3%以下;針對(duì)高亞音級(jí),建議相對(duì)葉頂間隙控制在0.75%以下;針對(duì)低亞音級(jí),建議相對(duì)葉頂間隙控制在1.0%以下。由表1可知,第一級(jí)跨音級(jí)間隙超過限制值0.3%,隨著間隙的增大,效率下降3倍以上,而第6級(jí)和第9級(jí)未進(jìn)入間隙的性能敏感區(qū),葉頂間隙對(duì)性能的影響可接受。

表1 兩次試驗(yàn)典型級(jí)間隙變化對(duì)性能影響對(duì)比Table 1 Performance comparison of typical stage tip clearance in two tests

圖5 葉頂間隙對(duì)跨音級(jí)單級(jí)性能的影響Fig.5 Influence of transonic stage performance by increased tip clearance

圖6 葉頂間隙對(duì)高亞音級(jí)單級(jí)性能的影響Fig.6 Influence of high-subsonic stage performance by increased tip clearance

2.2 間隙對(duì)總性能的影響

從上面的分析可知,葉頂間隙增大進(jìn)入性能敏感區(qū)對(duì)壓氣機(jī)的單級(jí)性能產(chǎn)生了較大影響,從而導(dǎo)致壓氣機(jī)內(nèi)部的級(jí)間匹配發(fā)生變化,不同轉(zhuǎn)速下的各級(jí)性能變化也不完全一致。表2給出了某大尺寸十級(jí)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)間隙,后兩級(jí)試驗(yàn)間隙是設(shè)計(jì)間隙的兩倍以上。利用各級(jí)靜子前緣總溫和總壓葉型探針的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),處理獲得壓氣機(jī)每一級(jí)和總的壓比特性線與效率特性線。圖8和圖9給出了設(shè)計(jì)仿真和試驗(yàn)的所有單級(jí)和壓氣機(jī)總的特性線[圖9(a)中數(shù)字1代表第1級(jí)特性,以此類推,數(shù)字10代表第10級(jí)特性],流量、壓比和效率數(shù)值均進(jìn)行無量綱化處理。由圖8可知,間隙增大后總特性曲線向左下方平移,流量整體減小0.86%,流量的變化范圍增大,穩(wěn)定裕度明顯降低,最高壓比降低5%以上,效率整體降低0.3%以上;由圖9單級(jí)特性可知,前兩級(jí)間隙增大主要導(dǎo)致壓氣機(jī)總流量整體減小,做功能力有所下降,效率整體基本不變,針對(duì)進(jìn)口跨音多級(jí)壓氣機(jī),前面級(jí)的間隙主要影響流量和裕度;第9、10級(jí)因?yàn)殚g隙翻倍增大,流量的變化范圍也減小,且做功能力明顯下降,流量壓比特性很快出現(xiàn)拐頭,效率也下降超過0.5%。綜上,間隙增大后壓氣機(jī)各級(jí)的負(fù)荷均發(fā)生了變化,后面級(jí)做功能力明顯降低,雖然前面級(jí)的間隙變化絕對(duì)值更高,但間隙與葉高之比小,因此前面級(jí)未出現(xiàn)壓比和效率降低的現(xiàn)象,主要影響壓氣機(jī)流量,后面級(jí)不僅影響壓氣機(jī)效率,更影響穩(wěn)定裕度。

表2 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)間隙對(duì)比Table 2 Comparison of each stage tip clearance in both design and test cases

圖8 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)間隙下壓氣機(jī)總性能對(duì)比Fig.8 Performance comparison of different tip clearance in both design and test cases

圖9 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)間隙下各級(jí)性能對(duì)比Fig.9 Single stage performance comparison of different tip clearance in both design and test cases

2.3 部件試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證間隙對(duì)壓氣機(jī)部件性能的影響,在圖10中給出了某10級(jí)壓氣機(jī)所有級(jí)轉(zhuǎn)子的冷態(tài)葉頂間隙,前7級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂?shù)睦鋺B(tài)間隙略有增大,后3級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂?shù)睦鋺B(tài)間隙明顯增大,由表3可知平均增大1.5%。10級(jí)壓氣機(jī)部件性能試驗(yàn)結(jié)果顯示,壓氣機(jī)總流量變化較小,等熵效率降低1.2%。小尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了后面級(jí)葉頂間隙平均每增加1%,壓氣機(jī)總等熵效率降低1%。為了驗(yàn)證此結(jié)論同樣適用于大尺寸壓氣機(jī),表4選取了近2倍尺寸的壓氣機(jī)開展后面級(jí)葉頂間隙對(duì)大尺寸壓氣機(jī)部件總性能影響的試驗(yàn)研究。由表4可知,相對(duì)大尺寸壓氣機(jī),前面級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉葉頂間隙相對(duì)展高更高的葉片,絕對(duì)間隙增大0.2 mm,相對(duì)間隙增大不超過0.1%。對(duì)比兩次試驗(yàn)熱態(tài)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)葉頂間隙數(shù)據(jù),第6級(jí)、第7級(jí)和第9級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉葉頂間隙平均增大0.46%,壓氣機(jī)總等熵效率降低0.46%,負(fù)荷后面葉頂間隙的相對(duì)變化率和壓氣機(jī)總等熵效率的線性隨變關(guān)系。該結(jié)果從側(cè)面驗(yàn)證了葉頂間隙變化在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速對(duì)壓氣機(jī)前面級(jí)的影響不大,對(duì)后面級(jí)的性能影響較大,間隙增大后壓氣機(jī)后面級(jí)增壓能力嚴(yán)重下降,流量壓比特性中很快出現(xiàn)“拐頭”,效率明顯降低,因此后面級(jí)間隙后壓氣機(jī)更容易進(jìn)入喘振狀態(tài)。

表3 兩次部件試驗(yàn)各級(jí)間隙變化Table 3 Variation of each stage tip clearance in two component experiments

表4 兩次大尺寸部件試驗(yàn)間隙變化Table 4 Variation of each stage tip clearance in two large scale component tests

圖10 兩次部件試驗(yàn)各級(jí)間隙對(duì)比Fig.10 Comparison of each stage tip clearance in two component tests

2.4 核心機(jī)及整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為深入揭示轉(zhuǎn)子葉尖間隙對(duì)壓氣機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)及整機(jī)試驗(yàn)中氣動(dòng)性能的影響規(guī)律,對(duì)核心機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)的壓氣機(jī)葉頂間隙測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,表5和圖11中給出了核心機(jī)和整機(jī)試驗(yàn)中壓氣機(jī)葉頂間隙數(shù)據(jù)的無量綱化處理結(jié)果。由整機(jī)試驗(yàn)中開啟了核心機(jī)艙冷卻,所有級(jí)的葉頂間隙都變小,進(jìn)入非性能影響敏感區(qū),達(dá)到理想間隙水平。試驗(yàn)結(jié)果顯示,壓氣機(jī)相對(duì)葉頂間隙平均減小0.84%,總流量增大1.06%,總等熵效率增加0.97%,接近線性隨變關(guān)系。

表5 核心機(jī)與整機(jī)試驗(yàn)壓氣機(jī)的葉頂間隙變化Table 5 Variation of each stage tip clearance in core engine test and engine test

圖11 核心機(jī)與整機(jī)試驗(yàn)壓氣機(jī)的葉頂間隙對(duì)比Fig.11 Comparison of each stage tip clearance in core engine test and engine test

為了在核心機(jī)中驗(yàn)證壓氣機(jī)總效率與后面級(jí)間隙水平線性相關(guān)的結(jié)論,表6和圖12中給出核心機(jī)在進(jìn)口壓力相當(dāng)情況下常溫和加溫試驗(yàn)的間隙測(cè)量值。核心機(jī)加溫試驗(yàn)時(shí)的進(jìn)口溫度相比常溫試驗(yàn)增加42 K,各級(jí)負(fù)荷因?yàn)闇囟容d荷不同而有所不同,但相差不大,這里忽略進(jìn)口加溫導(dǎo)致各級(jí)負(fù)荷的變化,前面級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉因溫度較低,其徑向伸長主要受離心力影響,而機(jī)匣隨著進(jìn)口加溫膨脹量增加,因此前面級(jí)葉頂間隙均增大;后面級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉和對(duì)應(yīng)機(jī)匣均受溫度場(chǎng)的影響更大,而且高轉(zhuǎn)速工況的長時(shí)間穩(wěn)定,轉(zhuǎn)子的徑向伸長量大于機(jī)匣的膨脹量,使得后面4級(jí)的間隙平均減小0.23%。核心機(jī)加溫試驗(yàn)結(jié)果顯示,實(shí)測(cè)壓氣機(jī)總等熵效率同樣比常溫試驗(yàn)效率高0.23%,表明壓氣機(jī)后4級(jí)葉頂間隙“線性”影響總效率的規(guī)律仍然適用于核心機(jī)加溫試驗(yàn),后4級(jí)相對(duì)葉頂間隙每減小0.23%,總效率增加0.23%。

表6 核心機(jī)常溫與加溫試驗(yàn)壓氣機(jī)的葉頂間隙變化Table 6 Variation of each stage tip clearance in core engine ambient test and heating test

圖12 核心機(jī)常溫與加溫試驗(yàn)壓氣機(jī)的葉頂間隙對(duì)比Fig.12 Comparison of each stage tip clearance in core engine ambient test and heating test

3 結(jié)論

基于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系列的十級(jí)高壓壓氣機(jī)單級(jí)、部件級(jí)、核心機(jī)及整機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果分析,初步掌握了壓氣機(jī)葉頂間隙變化規(guī)律及對(duì)不同尺寸進(jìn)口跨音多級(jí)軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速氣動(dòng)性能的影響,得出如下結(jié)論。

(1)考慮離心力和溫度場(chǎng)的綜合影響,多級(jí)壓氣機(jī)軸對(duì)稱葉頂間隙變化規(guī)律采用三次多項(xiàng)式擬合精度較高,適用于長江系列大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的葉頂間隙分析。

(2)壓氣機(jī)前面級(jí)葉頂間隙變化主要影響總流量,后面級(jí)葉頂間隙進(jìn)入性能影響更敏感的范圍時(shí),后面級(jí)做功能力明顯降低,壓氣機(jī)更容易進(jìn)入喘振狀態(tài),而總效率降低速率達(dá)到間隙增大速率的一倍以上。

(3)經(jīng)過不同尺寸壓氣機(jī)部件試驗(yàn)驗(yàn)證,核心機(jī)加溫與常溫試驗(yàn)對(duì)比,以及核心機(jī)和整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證,壓氣機(jī)后4級(jí)葉頂間隙“線性”影響總效率。