楊天南，蔡 晉

（1.中國人民解放軍海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機專業(yè)軍事代表室，沈陽110043；2.沈陽航空航天大學航空航天工程學院，沈陽110136）

0 引言

在壓氣機工作過程中，積垢黏附在葉片表面改變了葉片的幾何形狀和氣流進入壓氣機的攻角，增加了葉片的表面粗糙度，降低了氣流通道的流通能力，使壓氣機的壓比、效率降低[1]。在壓氣機工作過程中70%～85%的性能衰退都是由積垢引起的[2]。在軸流壓氣機中氣流流經(jīng)擴壓葉柵實現(xiàn)作功和增壓，因此積垢對軸流壓氣機性能的影響尤為明顯[3-6]。為了減小積垢對壓氣機性能的影響，國際上通用的有效方法是對發(fā)動機實施視情和定期的在線和離線清洗[7-12]。為了確立合適的清洗時機，合理安排清洗次數(shù)，減少維護成本，研究積垢對壓氣機性能的影響是十分必要的。

本文通過建立壓氣機3維模型，根據(jù)觀測對積垢在葉片表面的實際分布進行了模擬，利用CFD軟件Numeca[13]對污染前、后壓氣機的性能進行計算，分析了積垢對壓氣機性能影響并選取了受積垢影響最大的壓氣機參數(shù)。

1 積垢對軸流壓氣機性能的影響

積垢將導致葉片前緣形狀和表面粗糙度發(fā)生變化，改變氣流的進氣角，使壓氣機偏離設計狀態(tài)，降低壓氣機的作功能力，從而改變壓氣機特性，嚴重時甚至使發(fā)動機喘振[14-16]。根據(jù)某發(fā)動機軸流壓氣機葉片和幾何結構的測繪數(shù)據(jù)建立壓氣機模型，在標準大氣條件下對其性能進行仿真計算，對比分析積垢對軸流壓氣機性能的影響。

1.1 壓氣機模型的建立和網(wǎng)格劃分

為了提高壓氣機的增壓比，在某型發(fā)動機單面離心式壓氣機的前面設置了1級軸流壓氣機。該軸流壓氣機的葉片較寬，具有小展弦比和小葉柵稠度的特點。通過測繪可以得到沿葉高7個截面葉型的吸力面與壓力面的坐標、各截面葉片前緣與后緣的邊緣切點坐標和半徑，如圖1、2所示。

將葉型的吸力面與壓力面坐標數(shù)據(jù)和葉高數(shù)據(jù)相結合可以得到葉型的3維坐標。在處理軟件中查看壓氣機的模型，如圖3所示。

1.2 對積垢的模擬

積垢在葉片表面分布的研究方法主要有試驗測量和數(shù)值模擬分析。試驗測量可得到積垢的分布特點及葉片表面粗糙度，且結果可靠，可信度高，但具有成本較高、工作量大等局限性。由于受條件限制，本文無法采用試驗測量葉片表面積垢的分布情況，而是采用數(shù)值模擬分析方法，通過增加葉片的厚度模擬積垢黏附在葉片表面后葉型的變化，然后在葉片表面增加較小的隨機尺寸高度模擬軸流葉片表面粗糙度的變化。

本文選取的軸流壓氣機靠近壓氣機入口，限于研制時技術水平，進氣道內(nèi)未設置空氣過濾系統(tǒng)，在發(fā)動機外場工作60 h后的壓氣機第1級轉子表面有大量積垢，如圖4所示。壓氣機葉片在中度污染情況下積垢的厚度數(shù)量級為10μm，重度污染時增加為100μm。

積垢在葉片表面主要分布在葉片的前緣部位或壓力面和吸力面,為降低研究的復雜性，假定葉片表面積垢是沿葉高均勻分布的。研究積垢主要分布在葉片前緣部位時，選取積垢厚度為100μm的葉片（前緣半徑的20%左右，模擬重度污染）與積垢厚度為50 μm的葉片（前緣半徑的10%左右，模擬中度污染）進行壓氣機特性仿真計算。由于葉型數(shù)據(jù)是沿氣流流動方向并且沿葉根到葉尖方向設置的，因此在仿真平臺中對徑向各截面葉片前緣區(qū)（弦長的5%）的葉型數(shù)據(jù)沿軸向和周向各做一定的增減，使葉型沿前緣圓心（坐標位置已知）方向延伸100μm以模擬葉片受到重度污染后的葉型，用同樣方法模擬葉片受中度污染后的葉型。受污染前、后葉片的前緣形狀如圖5所示；研究積垢主要分布在葉片壓力面和吸力面時，根據(jù)葉型數(shù)據(jù)的特點，假定葉型的徑向和軸向坐標不變，周向坐標分別加厚100μm和50μm。為了更真實地模擬積垢在葉片表面后葉型的變化，再增加1組0～10μm的隨機數(shù)來模擬葉片表面粗糙度的變化。

根據(jù)模擬積垢沉積在葉片表面而修改的葉型數(shù)據(jù)，建立Numeca/Autogrid專用的GeomTurbo幾何文件，進行網(wǎng)格劃分，最終建立帶積垢的壓氣機模型。

1.3 計算結果分析

1.3.1 同一轉速下積垢對壓氣機性能的影響

在最大轉速狀態(tài)下，從設計點開始，通過逐漸增加背壓向失速點推進，得到壓氣機的特性曲線。第一計算點的初場為給出入口處靜壓的估計值，其余計算點取前一工況的計算結果為初場，數(shù)值失速前的最后1個收斂解對應近失速工況。積垢分布在葉片前緣和吸力面與壓力面時壓氣機的特性曲線如圖6、7所示。

從圖6、7中可見，積垢使壓氣機特性曲線下移，減小了壓氣機的喘振裕度，當壓氣機受到污染后，流量和效率顯著下降，并且在效率最高點附近效率和流量下降幅度較小，而偏離效率最高點時效率和流量則急劇降低，增壓比則由于流量的改變而變化得不明顯。壓氣機在中度污染時，增壓比和效率顯著降低，當污染程度繼續(xù)增加時，增壓比和效率變化幅度減小，充分說明了及時清洗壓氣機的必要性。

1.3.2 不同轉速下積垢對壓氣機性能的影響

為研究不同轉速下積垢對發(fā)動機性能的影響，假定積垢分布在葉片的前緣。在相同進、出口條件下，改變發(fā)動機轉速，對壓氣機性能進行仿真計算，對比分析不同轉速下積垢對壓氣機空氣流量的影響，如圖8所示；保持入口條件和轉速不變，改變出口平均靜壓，得到污染前、后壓氣機的特性曲線。從圖中可見，空氣流量隨著壓氣機入口流量的增加而減小，而隨著轉速的提高而增大。

1.3.3 壓氣機性能參數(shù)對積垢的敏感性

傳統(tǒng)的發(fā)動機積垢清理方法是發(fā)動機停車后，通過目視、內(nèi)窺鏡等檢查葉片表面積垢情況，進而對其成分進行分析，選取適當?shù)那逑磩┮蕴岣咔逑葱Ч?。這種方法的缺點是需要等發(fā)動機停車冷卻且費時較長，通過觀察對積垢變化敏感的發(fā)動機參數(shù)，對葉片表面積垢情況做出估計，可達到視情維修的目的，節(jié)約大量維護時間和維修成本。

研究表明積垢對空氣流量影響很大，而入口壓差ΔP（即壓氣機進口總壓與壓氣機進口靜壓的差值）與空氣流量密切相關，該參數(shù)便于測量且不易受外界干擾。為了估計壓氣機的污染程度，選取反映壓氣機工作狀況的性能參數(shù)為：增壓比 πc、效率 ηc、增溫比 τc、空氣流量ma和入口壓差ΔP，對比分析找出對積垢變化最為敏感的參數(shù)，為確定壓氣機清洗時機提供參考。此外，本文對積垢在葉片表面的不同分布位置和壓氣機的不同轉速即不同工況下的性能參數(shù)進行了仿真計算，對比分析壓氣機各性能參數(shù)對積垢的敏感性。在計算過程中，入口條件保持不變，依次提高出口背壓，空氣流量逐漸減少，得到壓氣機工作的特性曲線。通過計算壓氣機葉片在潔凈狀態(tài)與不同污染程度狀態(tài)下各性能參數(shù)的相對變化量分析其對積垢的敏感性。

1.3.3.1 性能參數(shù)對不同分布位置積垢的敏感性

積垢主要分布在葉片的前緣和葉片的壓力面與吸力面，在壓氣機起飛狀態(tài)轉速下，入口條件為標準大氣，出口條件為給定半徑處(0.115 m)的靜壓值，分別對這2種情況進行了仿真計算。5個測量點出口的靜壓值分別 125、130、133、135 和 137 kPa，出口壓力依次提高，空氣流量逐漸減少，基本涵蓋了發(fā)動機在起飛狀態(tài)轉速下空氣流量的變化范圍。壓氣機受到中度污染和重度污染后，與潔凈狀態(tài)相比，各性能參數(shù)對積垢的敏感性如圖9、10所示。

從圖9、10中可見，隨著出口壓力的增加，壓氣機出口氣流總溫小幅度升高；隨著空氣流量的減少，增壓比πc增大，而葉片受污染后，空氣流量也隨之減少，二者綜合作用的結果使增壓比πc變化很不明顯；空氣流量ma是根據(jù)入口處總溫、總壓和靜壓計算出來的，假定入口處和不變，則空氣流量ma與靜壓Pin是一一對應的，在相同條件下，由空氣流量的計算公式可以推導出入口壓差ΔP的變化量大于空氣流量ma的變化量；入口壓差ΔP在不同的污染程度和積垢分布在不同位置下均有不同程度降低，在壓氣機的性能參數(shù)中變化最明顯，且隨著壓氣機污染程度的增加，入口壓差ΔP的變化量也逐漸增加。因此，入口壓差ΔP是所選參數(shù)中對積垢的變化最敏感的。

1.3.1.2 不同轉速下壓氣機性能參數(shù)對積垢的敏感性

為了分析不同轉速下壓氣機性能參數(shù)對積垢的敏感性，對發(fā)動機在起飛轉速和最大連續(xù)轉速下的性能參數(shù)進行計算。在最大連續(xù)轉速下各性能參數(shù)對積垢的敏感性如圖11、12所示。

從圖11、12中可見，壓氣機葉片被污染后，在最大連續(xù)狀態(tài)轉速下各性能參數(shù)的變化趨勢與在起飛狀態(tài)轉速下的趨勢基本一致。在最大連續(xù)工況下，入口壓差ΔP在壓氣機的性能參數(shù)中對積垢最敏感。因此，對軸流壓氣機而言，入口壓差ΔP在壓氣機不同轉速和不同污染情況下是評估積垢污染程度的參數(shù)中比較準確和敏感的，另外，該參數(shù)不但便于測量而且不易受外界因素干擾，可用于確定壓氣機的清洗時機。

2 結論

本文根據(jù)某型發(fā)動機第1級軸流壓氣機葉片和幾何結構數(shù)據(jù)，建立了壓氣機模型，模擬了積垢在葉片表面的分布情況，并對污染前、后壓氣機的性能進行計算，對比分析了積垢對軸流壓氣機性能的影響。可以看出，積垢黏附在葉片表面改變了葉片的幾何形狀和進入壓氣機氣流的攻角，增加了葉片的表面粗糙度，降低了氣流通道的流通能力，最終使壓氣機的壓比、效率下降。壓氣機在中度污染時，增壓比和效率顯著下降，當污染程度繼續(xù)增加時，增壓比和效率變化幅度減??；壓氣機在不同轉速和不同污染程度下，性能參數(shù)中入口壓差對積垢最敏感。研究結果可為確定壓氣機清洗周期和預防葉片積垢提供借鑒。

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