向宏輝，張 良，陸慶飛，葉 巍，趙 桓，任 飛

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇南京210016；2.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

1 引言

中介機(jī)匣是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中連接高、低壓壓縮部件的重要過渡通道和主要承力件。為適應(yīng)上游風(fēng)扇與下游高壓壓氣機(jī)之間的流道高度落差，中介機(jī)匣通常采用“S”造型。中介機(jī)匣內(nèi)部具有大流線曲率與強(qiáng)壓力梯度的典型特征，其流場(chǎng)品質(zhì)對(duì)高壓壓氣機(jī)部件及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的工作性能均會(huì)產(chǎn)生影響，是軍/民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵部件之一[1，2]。

國(guó)外對(duì)中介機(jī)匣進(jìn)行過大量研究。Britchford、Bailey等[3～5]采用LDV系統(tǒng)對(duì)中介機(jī)匣在理想與實(shí)際進(jìn)氣條件下的流場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，為最終利用CFD方法開展中介機(jī)匣優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)支持。Sonoda等[6，7]采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了下游流道形狀和進(jìn)口附面層厚度對(duì)中介機(jī)匣流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，與中介機(jī)匣下游轉(zhuǎn)接平直流道相比，轉(zhuǎn)接彎曲流道后的輪轂區(qū)總壓損失更大；當(dāng)進(jìn)口附面層厚度變化時(shí)，中介機(jī)匣凈總壓損失沒有明顯變化，但中介機(jī)匣出口對(duì)進(jìn)口附面層厚度變化的氣動(dòng)敏感性較高。Wallin等[8]針對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中高落差中介機(jī)匣的設(shè)計(jì)，采用響應(yīng)面法分別對(duì)二維渦輪中介機(jī)匣與三維壓氣機(jī)中介機(jī)匣進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，表明端壁形狀優(yōu)化對(duì)降低中介機(jī)匣損失有很大潛力。Duenas等[9]研究了不同軸向長(zhǎng)度對(duì)中介機(jī)匣性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)中介機(jī)匣長(zhǎng)度減小時(shí)，附面層出現(xiàn)分離，總壓損失隨之增大，但分離尺度主要取決于進(jìn)口雷諾數(shù)；為準(zhǔn)確評(píng)估中介機(jī)匣的氣動(dòng)性能，應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)雷諾數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行研究。Naylor等[10]采用非軸對(duì)稱端壁造型對(duì)高負(fù)荷中介機(jī)匣支板與輪轂角區(qū)分離進(jìn)行了控制，表明中介機(jī)匣壓力損失對(duì)上壁面幾何造型優(yōu)化不敏感，但對(duì)下壁面輪轂造型非常敏感，輪轂型面優(yōu)化可使中介機(jī)匣總損失減少16%。Karakasis等[11]進(jìn)一步研究了上游壓氣機(jī)級(jí)出口尾跡對(duì)中介機(jī)匣氣動(dòng)性能的影響，表明來(lái)流靜葉尾跡導(dǎo)致軸對(duì)稱中介機(jī)匣總壓損失增大54%，而相同進(jìn)口條件下非軸對(duì)稱中介機(jī)匣的總壓損失僅增加28%，體現(xiàn)了非軸對(duì)稱造型在綜合改善中介機(jī)匣性能方面的巨大潛力。

目前，國(guó)內(nèi)在中介機(jī)匣氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面缺乏完整設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和成熟工程經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有三維數(shù)值模擬方法還無(wú)法準(zhǔn)確模擬中介機(jī)匣流道曲率變化對(duì)湍流附面層發(fā)展的影響程度。因此，深入開展中介機(jī)匣氣動(dòng)性能試驗(yàn)，研究不同進(jìn)口約束條件下中介機(jī)匣流場(chǎng)的變化規(guī)律，掌握中介機(jī)匣特殊彎曲流道內(nèi)部流動(dòng)發(fā)展演化機(jī)制，對(duì)改進(jìn)中介機(jī)匣氣動(dòng)設(shè)計(jì)、提高中介機(jī)匣與壓縮部件的流動(dòng)匹配特性具有重要意義。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

中介機(jī)匣氣動(dòng)性能試驗(yàn)在中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院敞開吸氣式綜合試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。該設(shè)備主要由防塵網(wǎng)、流量管、吸氣試驗(yàn)段、過渡段、穩(wěn)壓箱、主/旁路抽氣管道(含閥門)及補(bǔ)氣閥等組成，如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，采用進(jìn)口直接供大氣、氣源壓縮機(jī)組在出口連續(xù)抽負(fù)壓的工作方式，通過控制主/旁路閥門開度以調(diào)節(jié)試驗(yàn)段內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)。

2.2 中介機(jī)匣試驗(yàn)件

為真實(shí)模擬中介機(jī)匣在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)內(nèi)的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了沿周向均布4個(gè)承力支板的雙涵道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件(見圖2)，通過在雙涵道出口并聯(lián)抽氣以實(shí)現(xiàn)進(jìn)口氣流經(jīng)分流環(huán)進(jìn)入內(nèi)涵中介機(jī)匣彎曲通道的流動(dòng)模式。通過在進(jìn)口加裝畸變網(wǎng)來(lái)改變中介機(jī)匣進(jìn)氣方式，以模擬上游風(fēng)扇出口實(shí)際流場(chǎng)分布。采用文獻(xiàn)[10]中的幾何定義方式，中介機(jī)匣無(wú)量綱設(shè)計(jì)特征參數(shù)描述為：ΔR/L=0.29，hin/L=0.37，Aout/Ain=0.87，rin/hin=2.64，cmax/b=0.20。其中ΔR為中介機(jī)匣內(nèi)壁進(jìn)、出口半徑落差，L為彎曲流道基準(zhǔn)長(zhǎng)度，hin為進(jìn)口流道高度，rin為內(nèi)壁進(jìn)口半徑，Ain和Aout分別為進(jìn)、出口流道面積，cmax和b分別為中介機(jī)匣支板最大厚度、弦長(zhǎng)。以上5個(gè)無(wú)量綱設(shè)計(jì)參數(shù)綜合決定了中介機(jī)匣的氣動(dòng)負(fù)荷。

2.3 流場(chǎng)測(cè)試方案

中介機(jī)匣軸向流路上共安排5個(gè)測(cè)量站(見圖2)，其中0截面作為中介機(jī)匣進(jìn)口參考截面，安裝2支徑向11點(diǎn)總靜壓復(fù)合梳狀探針測(cè)量來(lái)流馬赫數(shù)；1截面位于畸變網(wǎng)下游約1.0hin位置，定義為中介機(jī)匣進(jìn)口截面，安裝2支徑向6點(diǎn)總壓梳狀探針測(cè)量進(jìn)口壓力分布；2截面位于中介機(jī)匣彎曲流道中部，安裝1支徑向11點(diǎn)總壓探針測(cè)量支板槽道間壓力分布；3截面位于中介機(jī)匣彎曲流道出口，在距出口約0.15L位置安裝2支徑向14點(diǎn)總壓探針測(cè)量彎曲流道轉(zhuǎn)接平直流道后的壓力分布。同時(shí)，在距支板尾緣約0.2b軸向位置安裝1支周向均布11測(cè)點(diǎn)總壓耙測(cè)量支板尾跡，利用二維位移機(jī)構(gòu)進(jìn)行徑向控制；4截面位于中介機(jī)匣彎曲流道出口約1.6L軸向位置，定義為中介機(jī)匣出口截面，安裝2支徑向14點(diǎn)總壓梳狀探針測(cè)量下游平直流道壓力分布。探針在使用前均進(jìn)行校準(zhǔn)，保證試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍內(nèi)壓力測(cè)量不敏感角達(dá)±10°。數(shù)采系統(tǒng)壓力掃描閥通道標(biāo)定結(jié)果滿足壓力測(cè)量精度±0.25%要求。

2.4 數(shù)據(jù)處理

為量化分析中介機(jī)匣氣動(dòng)性能，引入兩個(gè)表征中介機(jī)匣流場(chǎng)特征的無(wú)量綱參數(shù)，即總壓損失系數(shù)λ和總壓畸變強(qiáng)度ε。分別定義為：

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 通道流場(chǎng)分布

圖3給出了不同進(jìn)氣方式下中介機(jī)匣進(jìn)口壓力徑向分布(來(lái)流馬赫數(shù)為0.48，下同)，圖中為相對(duì)流道高度。可見，相比均勻進(jìn)氣條件，畸變網(wǎng)誘導(dǎo)下游流場(chǎng)在整個(gè)流道高度均產(chǎn)生了壓力擾動(dòng)，氣流徑向不均勻度明顯增大，壓力損失約7%。從流體力學(xué)響應(yīng)機(jī)制角度看，相當(dāng)于對(duì)中介機(jī)匣進(jìn)口施加了兩種不同的約束條件，對(duì)比分析不同進(jìn)氣條件下流場(chǎng)徑向摻混及其損失特性，將有助于從物理本質(zhì)上認(rèn)識(shí)中介機(jī)匣彎曲流道內(nèi)部流動(dòng)發(fā)展演化規(guī)律。

圖4(a)給出了中介機(jī)匣彎曲流道中部總壓損失系數(shù)的徑向分布。從圖中可以看出，均勻進(jìn)氣條件下中心主流區(qū)流動(dòng)損失很小，不過由于存在較強(qiáng)徑向壓力梯度，導(dǎo)致壓力徑向不均勻度增大，上、下端壁低壓高損失區(qū)呈現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢(shì)，上壁面附面層厚度要比下壁面的小，這與流向壓力梯度的變化有關(guān)。對(duì)于中介機(jī)匣彎曲流道中部，下壁面處于流向逆壓梯度環(huán)境，氣流減速擴(kuò)壓，促進(jìn)了附面層發(fā)展；而上壁面情況剛好相反，抑制了附面層發(fā)展。從圖中還可以看出，畸變進(jìn)氣條件下流場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)沒有大的變化，只是整個(gè)流道高度的流動(dòng)損失程度明顯增大?？梢?，中介機(jī)匣彎曲流道前段對(duì)進(jìn)口氣流壓力波動(dòng)的抑制作用很強(qiáng)，導(dǎo)致氣流迅速?gòu)较驌交?。因此，氣流?qiáng)烈摻混是導(dǎo)致畸變進(jìn)氣條件下中介機(jī)匣流道前段總壓損失增大的主要原因。

圖4(b)給出了中介機(jī)匣彎曲流道出口總壓損失系數(shù)徑向分布。如圖所示，均勻進(jìn)氣條件下主流區(qū)徑向分布均勻度顯著改善，表明流道徑向壓力梯度減小，而上、下壁附面層厚度均有不同程度的增長(zhǎng)，尤其是下壁面更為明顯，附面層發(fā)展與彎曲流道后-為平均總壓，n為徑向測(cè)段曲率及流向壓力梯度的不同變化相關(guān)聯(lián)。彎曲流道后段，上壁面處于流向逆壓梯度環(huán)境，氣流開始減速，促進(jìn)了上游附面層發(fā)展，但由于流道上壁面凸曲率造型又在一定程度上抑制了附面層的發(fā)展；下壁面的情況與之相反?？梢姡薪闄C(jī)匣流道曲率變化對(duì)于附面層的發(fā)展起到了重要作用。畸變進(jìn)氣條件下，近壁面低壓區(qū)影響范圍擴(kuò)大，流場(chǎng)徑向不均勻度加劇，上壁面凸曲率對(duì)附面層發(fā)展的控制有所減弱。

圖4(c)給出了中介機(jī)匣下游平直流道出口總壓損失系數(shù)徑向分布?？梢?，均勻進(jìn)氣時(shí)60%流道高度以上區(qū)域流動(dòng)損失明顯增大，60%流道高度以下區(qū)域流場(chǎng)變化較小?；冞M(jìn)氣時(shí)，流場(chǎng)徑向分布趨勢(shì)大致接近，總壓損失隨流道高度的增加而增大，壓力徑向分布不均勻度隨之增大?？梢?，平直流道上部流場(chǎng)惡化是影響中介機(jī)匣氣動(dòng)性能的重要因素。

3.2 支板尾跡分布

通常，支板的存在會(huì)引起額外壓力梯度，導(dǎo)致支板型面與彎曲流道所圍成的端壁角區(qū)流動(dòng)更為復(fù)雜，成為局部高損失區(qū)。中介機(jī)匣下游平直流道上部區(qū)域流場(chǎng)惡化與中介機(jī)匣支板的堵塞有關(guān)，有必要針對(duì)支板尾跡測(cè)量結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。圖5給出了不同徑向高度支板尾跡總壓損失系數(shù)的周向分布，圖中橫坐標(biāo)-t為相對(duì)測(cè)量寬度?？梢姡煌瑥较蚋叨鹊奈槽E分布存在差異，表明支板表面存在較為明顯的徑向壓力梯度。均勻進(jìn)氣時(shí)，隨著流道高度的增加，尾跡總壓損失逐漸增大，尾跡低壓區(qū)影響范圍隨之增大，支板低動(dòng)量尾流與通道主流間摻混作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致下游平直流道上部區(qū)域總壓損失增大?；冞M(jìn)氣時(shí)，支板尾跡強(qiáng)度進(jìn)一步增大，其中尾跡寬度約增大1倍，總壓損失約增大50%，此時(shí)下游流場(chǎng)受到嚴(yán)重影響。因此，中介機(jī)匣支板尾跡干擾是導(dǎo)致平直流道上部流場(chǎng)徑向不均勻度與損失增大的直接原因。由此可知，有效控制支板與流道上壁面的角區(qū)流動(dòng)可改善該型中介機(jī)匣的氣動(dòng)性能。

3.3 總體性能變化

來(lái)流馬赫數(shù)是影響中介機(jī)匣氣動(dòng)性能的另一個(gè)重要約束條件，這與發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下風(fēng)扇工作狀態(tài)的變化相對(duì)應(yīng)。圖6顯示，中介機(jī)匣出口平均總壓損失系數(shù)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化近似呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，畸變進(jìn)氣條件下的總壓損失系數(shù)明顯比均勻進(jìn)氣條件下的大，同時(shí)氣流徑向不均勻度也會(huì)加劇總壓損失系數(shù)的增長(zhǎng)幅度。圖7顯示，中介機(jī)匣出口總壓畸變強(qiáng)度隨進(jìn)口馬赫數(shù)的增大呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，均勻進(jìn)氣條件下中介機(jī)匣出口仍然存在一定強(qiáng)度的壓力徑向畸變，表明中介機(jī)匣出口流場(chǎng)徑向分布對(duì)于馬赫數(shù)的變化較為敏感。隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大，中介機(jī)匣總壓恢復(fù)能力降低，出口流場(chǎng)品質(zhì)惡化，對(duì)下游高壓壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響程度隨之增大。

4 結(jié)論

(1)進(jìn)氣方式對(duì)中介機(jī)匣流動(dòng)損失影響較大，氣流強(qiáng)烈徑向摻混是畸變進(jìn)氣條件下中介機(jī)匣彎曲流道前段總壓損失增大的主要原因。

(2)中介機(jī)匣流道曲率變化對(duì)環(huán)壁附面層的發(fā)展起重要作用，與均勻進(jìn)氣條件相比，進(jìn)氣畸變會(huì)增大彎曲流道內(nèi)部的徑向壓力梯度，影響流道曲率與流向壓力梯度對(duì)附面層的控制效果。

(3)中介機(jī)匣支板表面存在徑向壓力梯度，支板尾流與通道主流之間的劇烈摻混是下游平直流道上部流場(chǎng)惡化及損失增大的直接原因，而進(jìn)氣畸變會(huì)進(jìn)一步加劇支板尾跡的影響。

(4)隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大，中介機(jī)匣總壓損失系數(shù)近似呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，而總壓畸變強(qiáng)度呈非線性關(guān)系增長(zhǎng)，表明中介機(jī)匣出口流場(chǎng)徑向分布對(duì)馬赫數(shù)變化的氣動(dòng)敏感性較高。

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