張華軍，李曉軍，吳學(xué)崗，李 兵

(1.空裝成都局某軍事代表室，成都 610500；2.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

隨著飛機向多用途、高機動性方向發(fā)展，其發(fā)動機應(yīng)具備寬任務(wù)包線、高推重比和低油耗的工作能力。為此，壓縮部件必須實現(xiàn)高負荷、高效率和高穩(wěn)定性的設(shè)計指標[1-4]。而設(shè)計指標的大幅提升，不僅對壓縮部件級間參數(shù)的設(shè)計匹配帶來一定挑戰(zhàn)，同時也使得轉(zhuǎn)子和靜子葉片承受更大的氣動力，增加了靜子周向限位失效所誘發(fā)的級間匹配失諧風(fēng)險。

在多級軸流壓氣機設(shè)計中，各級間匹配的好壞直接決定了壓縮部件性能的優(yōu)劣，級間匹配是設(shè)計工作的重中之中，也是嚴重困擾發(fā)動機研制的一大難題[5-11]?；诜抡婧驮囼灥氖侄危姸鄬W(xué)者開展了大量的壓縮部件級間參數(shù)匹配研究工作，獲得了眾多具有普適性和重要意義的研究結(jié)論，為壓縮部件的設(shè)計及改進指明了方向。章石波[12]、劉昭威[13]、陳江[14]等認為，任意級的級間參數(shù)選擇不合適將導(dǎo)致該級的性能降低，甚至影響其他多排葉片的工作狀態(tài)，使之偏離設(shè)計狀態(tài)，進而導(dǎo)致壓氣機整機性能無法達到設(shè)計目標。還有學(xué)者[15-17]通過對軸流壓氣機多級匹配特性的詳細研究，認為壓氣機的壓比、效率隨流量的變化關(guān)系及喘振邊界主要受下游部件的影響。但現(xiàn)階段，級間參數(shù)匹配分析的重點仍主要聚焦在多級間的匹配。

壓縮部件的匹配設(shè)計不僅要關(guān)注級與級間的匹配，同時也要關(guān)注轉(zhuǎn)子與靜子間的匹配。當靜子的周向限位措施不當或強度儲備不足，而靜子葉片承受較大的氣動負荷時，將導(dǎo)致靜子周向限位失效，進而誘發(fā)壓縮部件轉(zhuǎn)靜子間和級間的匹配失諧——輕者導(dǎo)致壓縮部件甚至發(fā)動機性能下降，重者將誘發(fā)發(fā)動機喘振停車。因此，認清靜子周向限位失效對壓縮部件氣動性能的影響機理，掌握其影響程度，對壓縮部件和發(fā)動機的研制具有重要的意義。目前，國內(nèi)外關(guān)于靜子周向限位失效(簡稱靜子限位失效)所誘發(fā)的轉(zhuǎn)子、靜子間的匹配失諧的研究較少，無法對現(xiàn)有壓縮部件和發(fā)動機的研制提供高效幫助。

本文以NASA-120859高負荷兩級風(fēng)扇為對象，采用數(shù)值模擬方法研究了靜子限位失效導(dǎo)致級間匹配失諧、壓縮部件性能變化的機理。分析了不同失效轉(zhuǎn)速和不同失效級對壓縮部件性能的影響，總結(jié)了靜子限位失效對氣動性能的影響規(guī)律，可為壓縮部件和發(fā)動機的研制提供重要的技術(shù)支持。

2 研究對象及數(shù)值模擬方法

2.1 研究對象

NASA-120859 高負荷兩級風(fēng)扇采用了跨聲速風(fēng)扇/壓氣機典型的設(shè)計技術(shù)，如高葉尖切線速度、高氣動負荷和多圓弧葉型，其具體設(shè)計參數(shù)如圖1和表1所示[7]。

表1 NASA-120859兩級風(fēng)扇設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameter of two-stage fan(NASA-120859)

圖1 NASA-120859兩級風(fēng)扇Fig.1 Two stage fan of NASA-120859

2.2 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬中，網(wǎng)格的生成和計算均采用CFD商業(yè)軟件NUMECA進行，網(wǎng)格由AUTOGRID模塊自動生成。為獲得較高質(zhì)量的計算網(wǎng)格，葉片通道采用4H-O 型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉頂間隙區(qū)采用蝶形網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)(O 型網(wǎng)格內(nèi)嵌有H 型網(wǎng)格)。通過網(wǎng)格相關(guān)性研究，并兼顧計算效率和求解精度，最終確定計算網(wǎng)格總數(shù)為158 萬，其中近壁面網(wǎng)格高度為10-6m，網(wǎng)格最小正交性為14.3°。

數(shù)值計算通過FINE/Turbo 模塊、用有限體積法求解圓柱坐標系下的三維定常Navier-Stokes 方程組。時間項、空間項分別采用4階Runge-Kutta方法和中心差分格式進行離散，計算過程中CFL 數(shù)取3.0。紊流模型選擇Spalart-Allmaras模型，級間參數(shù)傳遞選用守恒型交界面，同時采用隱式殘差光順及多重網(wǎng)格技術(shù)以加速收斂過程。

2.3 計算模型驗證

為檢驗數(shù)值計算模型和計算方法的可信度，模擬計算了設(shè)計轉(zhuǎn)速下兩級風(fēng)扇的氣動性能，并與試驗測量結(jié)果進行了對比，見圖2、圖3 所示。由于計算模型對部分結(jié)構(gòu)細節(jié)進行了簡化處理，使得計算流量較試驗流量略偏大，計算效率較試驗效率略偏低。但兩者整體上具有較好的吻合性，可認為計算模型和計算方法具有良好的可信度。

圖2 壓比-流量特性Fig.2 Pressure ratio vs mass flow characteristics

圖3 壓比-效率特性Fig.3 Pressure ratio vs efficiency characteristics

3 計算結(jié)果分析

3.1 速度三角形分析

為更好地認識靜子限位失效所誘發(fā)的轉(zhuǎn)子、靜子間及級間匹配失諧的影響機理，從典型速度三角形出發(fā)進行了相應(yīng)的分析。圖4給出了典型速度三角形分布(黑色實線為正常工況，紅色虛線為靜子限位失效工況)。當靜子限位失效時，靜子在氣動力的作用下開始旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了一定的輪緣速度(us)，速度方向與其受力方向相同，即同轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)方向保持一致。靜子葉片輪緣速度的存在一方面使得其自身的進口氣流角向負攻角方向偏轉(zhuǎn)，另一方面使得下游轉(zhuǎn)子葉排的進口氣流角同樣向負攻角方向偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致葉排的氣流扭轉(zhuǎn)角減小，加功量降低?？傊o子限位失效改變了上下游葉片排間的進口、出口氣流角和加功能力的匹配，進而影響風(fēng)扇/壓氣機部件的級間匹配參數(shù)及總性能。

圖4 速度三角形Fig.4 Velocity triangle

3.2 三維計算結(jié)果分析

3.2.1 周向限位失效對氣動性能的影響

圖5、圖6 分別給出了第一級靜子(S1)不同失效轉(zhuǎn)速對應(yīng)的風(fēng)扇壓比-流量和壓比-效率特性分布。隨著S1限位失效轉(zhuǎn)速的逐漸提高，風(fēng)扇部件的流量逐漸減小，溫升效率逐漸提高。同時，最高狀態(tài)點的壓比逐漸降低，流量逐漸減小，即風(fēng)扇的壓比裕度降低，流量裕度增加。

圖5 第一級靜子限位失效時的壓比-流量特性Fig.5 Pressure ratio-mass flow character with S1 displacement restrictor failure

圖6 第一級靜子限位失效時的壓比-效率特性Fig.6 Pressure ratio-efficiency character with S1 displacement restrictor failure

圖7～圖9給出了S1限位失效時對應(yīng)的級參數(shù)(轉(zhuǎn)子總壓比、轉(zhuǎn)子效率、靜子總壓恢復(fù)系數(shù))、90%葉高流場和90%葉高葉片表面靜壓分布。靜子限位失效使得S1自身工作狀態(tài)向大負攻角方向偏移(圖9)，氣動損失增加，靜子的總壓恢復(fù)系數(shù)降低(圖7(c))。同時，前排靜子的限位失效導(dǎo)致下游第二級轉(zhuǎn)子(R2)的攻角偏負，氣流轉(zhuǎn)折角減小，加功量下降，總壓比降低，進而加劇了下游通道的堵塞程度。受S1限位失效所引起的自身通道堵塞和R2 加功量下降所帶來的下游通道堵塞兩個因素的影響，上游第一級轉(zhuǎn)子(R1)的出口背壓提高，葉片通道內(nèi)的槽道激波位置前移(圖8 和圖9)、激波損失降低，R1 轉(zhuǎn)子效率提高。另一方面，R2進口攻角和馬赫數(shù)的改變使得轉(zhuǎn)子通道內(nèi)激波結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變化，由初始的單波系結(jié)構(gòu)逐漸變化為雙波系結(jié)構(gòu)，激波強度也隨進口速度和馬赫數(shù)的降低而逐漸降低，進而使得R2轉(zhuǎn)子的效率也逐漸提高。

圖7 第一級靜子限位失效時對應(yīng)的級參數(shù)分布Fig.7 The stage parameters with S1 displacement restrictor failure

圖8 第一級靜子限位失效時90%葉高的相對馬赫數(shù)分布Fig.8 Relative Mach number at 90%span with S1 displacement restrictor failure

圖9 第一級靜子限位失效時90%葉高的葉片表面靜壓分布Fig.9 Static pressure distribution of blade surface at 90%span with S1 displacement restrictor failure

3.2.2 不同級限位失效影響特征分析

在多級壓縮部件中，由于氣動負荷和進出口邊界條件的差異，不同級靜子限位失效對自身工作狀態(tài)及壓縮部件整機氣動性能的影響程度存在明顯的差異。圖10、圖11分別給出了不同級限位失效對應(yīng)的壓比-流量和壓比-效率特性分布。第二級靜子(S2)限位失效較S1限位失效對風(fēng)扇部件氣動總性能的影響程度明顯偏小，其對應(yīng)的特性線與原始特性線近似重合，且隨著靜子限位失效轉(zhuǎn)速的提高，其特性的變化趨勢較小。但S2限位失效同S1限位失效表現(xiàn)出了相似的影響規(guī)律，即隨著失效轉(zhuǎn)速的提高，風(fēng)扇部件的溫升效率提高，壓比裕度逐漸降低。

圖10 不同級限位失效時的壓比-流量特性Fig.10 Pressure ratio-mass flow character with displacement restrictor failure of different stages

圖11 不同級限位失效時的壓比-效率特性Fig.11 Pressure ratio-efficiency character with displacement restrictor failure of different stages

圖12 給出了不同級限位失效時對應(yīng)的級參數(shù)(轉(zhuǎn)子總壓比、轉(zhuǎn)子效率、靜子總壓恢復(fù)系數(shù))分布。受流場特征和上下游參數(shù)傳遞特性的限制，S2限位失效的影響僅局限于上游相鄰的R2和自身，對上游不相鄰的R1 和S1 的影響微乎其微，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)子總壓比、轉(zhuǎn)子效率和靜子總壓恢復(fù)系數(shù)基本不變。S1 限位失效將影響上游相鄰的R1 及下游的R2 和S2，且影響范圍較S2 限位失效更為寬廣。因此，S1限位失效對壓縮部件氣動性能的影響更明顯。R2葉片通道內(nèi)的槽道波明顯削弱，無法有效影響上游的R1 和S1。因此，R1 葉排的激波結(jié)構(gòu)和激波強度均未出現(xiàn)明顯變化，總壓比、效率等性能參數(shù)也保持不變。而S2限位失效，使得其自身的工作狀態(tài)向負攻角狀態(tài)偏移，對R2 產(chǎn)生一定的節(jié)流作用，導(dǎo)致R2 出口背壓略微提高，激波位置前移，激波損失降低，效率提高。值得注意的是，無論是S1 限位失效還是S2限位失效，失效靜子將面臨較大的負攻角來流條件，使得靜子的氣動損失隨著失效轉(zhuǎn)速的提高而明顯增大。

圖12 不同級限位失效時對應(yīng)的級參數(shù)分布Fig.12 The stage parameters with displacement restrictor failure of different stages

圖13 不同級限位失效時90%葉高的相對馬赫數(shù)分布Fig.13 Relative Mach number distribution at 90%span with displacement restrictor failure of different stages

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法研究了靜子周向限位失效對壓縮部件氣動性能的影響機理，比較分析了不同級限位失效的影響程度，總結(jié)了相應(yīng)的影響規(guī)律。主要研究結(jié)論如下：

(1)靜子限位失效將導(dǎo)致靜子產(chǎn)生一定的輪緣速度，對自身的進出口氣流角、流通能力和損失特性帶來影響，進而通過速度場和壓力勢的傳播影響級內(nèi)和級間的匹配狀態(tài)，最終導(dǎo)致壓縮部件整機的流量減小，壓比裕度降低，溫升效率提高。

(2)靜子限位失效將改變壓縮部件各級加功量的分配和流場特征的分布，導(dǎo)致級間原有的匹配失諧。其對上游轉(zhuǎn)子存在一定的節(jié)流作用，使轉(zhuǎn)子背壓提高，激波位置前移，轉(zhuǎn)子葉排的效率提高。同時，靜子限位失效將導(dǎo)致下游轉(zhuǎn)子葉排的攻角偏負，加功能力下降，進口馬赫數(shù)降低，激波強度降低，效率提高。

(3)受上下游參數(shù)傳遞特征的限制，靜子限位失效的影響僅局限于上游相鄰的轉(zhuǎn)子葉排和下游的轉(zhuǎn)靜子，無法對上游不相鄰的葉排產(chǎn)生有效的影響，前排靜子限位失效的影響程度較后排靜子表現(xiàn)得更為明顯。