□ 孫澤良 □ 李 斌

中國航發(fā)動(dòng)力股份有限公司 西安 710021

1 研究背景

葉輪機(jī)械內(nèi)部的氣流流動(dòng)是非常復(fù)雜的現(xiàn)象,存在著流動(dòng)分離、旋轉(zhuǎn)失速、喘振及各種二次流等。軸流壓氣機(jī)性能及內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算已成為葉輪機(jī)械氣體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一。軸流壓氣機(jī)的工作狀況一般由進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度、轉(zhuǎn)速和流量決定,在進(jìn)氣條件和轉(zhuǎn)速不變的條件下,壓氣機(jī)的壓比和工作效率與流量的關(guān)系成為壓氣機(jī)特性。在固定轉(zhuǎn)速下,壓氣機(jī)隨流量減小,壓比增大,壓縮能力提高。當(dāng)達(dá)到某一臨界點(diǎn)后,壓比達(dá)到最大,若進(jìn)一步減小流量,壓氣機(jī)會(huì)失穩(wěn),進(jìn)入失速或喘振狀態(tài),各轉(zhuǎn)速臨界點(diǎn)的連線形成壓氣機(jī)喘振邊界。在臨界轉(zhuǎn)速下,發(fā)動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)速工作線與壓氣機(jī)喘振邊界較近,在此工況,壓氣機(jī)容易發(fā)生失速或喘振。某單轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)要求進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性檢查,不合格的發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行排故。該型發(fā)動(dòng)機(jī)由國外引進(jìn),從國內(nèi)生產(chǎn)定型以來多次發(fā)生新制造的發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度不足問題。為解決該型發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度不足問題,避免大規(guī)模的排故工作,減少試車次數(shù),提高合格率,筆者以該發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)為研究對(duì)象,開展臨界轉(zhuǎn)速率先失速級(jí)研究,為發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)裝配控制提供技術(shù)支持。

2 研究對(duì)象

筆者的研究對(duì)象為某單轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)八級(jí)軸流壓氣機(jī),該壓氣機(jī)由一級(jí)進(jìn)口導(dǎo)流葉片、八級(jí)轉(zhuǎn)子葉片和八級(jí)整流葉片組成。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為4 700 r/min,臨界轉(zhuǎn)速為3 500 r/min。該發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度不足問題是在臨界轉(zhuǎn)速下檢查發(fā)現(xiàn)的。筆者在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證,在臨界轉(zhuǎn)速下開展率先失速級(jí)研究。壓氣機(jī)氣流流道如圖1所示。

▲圖1 壓氣機(jī)氣流流道

3 數(shù)值模擬方法

筆者通過NUMECA軟件中的AUTOGRID5模塊對(duì)壓氣機(jī)氣流流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用O4H型網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),選用FINE-Turbo模塊進(jìn)行數(shù)值求解。

采用Spalart-Allmaras湍流模型,時(shí)間推進(jìn)采用四階龍格-庫塔法,采用多重網(wǎng)格技術(shù)、當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長和殘差光順技術(shù)加速收斂。

邊界條件給定進(jìn)口總溫、總壓和進(jìn)口氣流角,出口給定靜壓,通過調(diào)整靜壓,獲得壓氣機(jī)特性。

4 計(jì)算

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下八級(jí)軸流壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比,如圖2所示。由圖2對(duì)比可知,數(shù)值計(jì)算得到的最大和最小流量均比試驗(yàn)得到的流量小,接近1%。最大壓比和效率,數(shù)值計(jì)算結(jié)果均比試驗(yàn)結(jié)果偏小?？紤]到模型的復(fù)雜性及湍流模型的局限性,數(shù)值計(jì)算存在一定誤差。從壓比特性和效率特性的總體趨勢(shì)上看,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度較好?？傮w來看,數(shù)值模型很好地預(yù)測(cè)了壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能。

▲圖2 壓氣機(jī)氣動(dòng)性能對(duì)比

5 結(jié)果分析

臨界轉(zhuǎn)速3 500 r/min下近失速工況和近最高效率工況時(shí),壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)約99%葉高處的相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖如圖3所示。在該葉高處,第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片至第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片所處的截面在轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi),第四級(jí)轉(zhuǎn)子葉片至第八級(jí)轉(zhuǎn)子葉片所處的截面位于葉頂間隙中。由圖3可觀察到,隨著氣流流量的降低,壓氣機(jī)從近最高效率工況向近失速工況推進(jìn),壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)低相對(duì)馬赫數(shù)區(qū)域范圍增大,且越靠近進(jìn)口,變化越明顯。

▲圖3 臨界轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)99%葉高處相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖

第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)近失速工況和近最高效率工況時(shí),約99%葉高處的相對(duì)速度矢量分布圖如圖4所示。在近失速工況,第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片吸力面前緣約為25%葉頂弦長處發(fā)生氣流分離現(xiàn)象,氣流向偏離轉(zhuǎn)子葉片方向流動(dòng)。這是由于氣流流量的降低,氣流攻角增大,使氣流在近葉片吸力面處發(fā)生分離。盡管第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片吸力面存在氣流分離現(xiàn)象,但氣流分離現(xiàn)象造成的惡劣影響在通道內(nèi)不是很大,大部分氣流能順利從流道內(nèi)流出,特別是靠近第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片壓力面處,氣流在葉片壓力面型線的作用下,仍能順暢地流出通道。在近最高效率工況,第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片吸力面基本沒有出現(xiàn)氣流分離現(xiàn)象,氣流順著葉片方向流動(dòng),同時(shí)通道內(nèi)氣流的流動(dòng)狀況比近失速工況時(shí)好了很多。

▲圖4 第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)99%葉高處相對(duì)速度矢量分布圖

第二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)近失速工況和近最高效率工況時(shí),約99%葉高處的相對(duì)速度矢量分布圖如圖5所示。對(duì)比兩種工況的葉頂流場(chǎng)分布可以清楚看出,氣流均能順利流入及流出第二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片通道,無氣流分離現(xiàn)象,這說明第二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片通道不是觸發(fā)該八級(jí)壓氣機(jī)失速的最先轉(zhuǎn)子葉片。

第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)近失速工況和近最高效率工況時(shí),約99%葉高處的相對(duì)速度矢量分布圖如圖6所示。在近失速工況時(shí),氣流軸向分速為負(fù)值的氣流區(qū)域范圍較最高效率時(shí)大了很多,這種流動(dòng)形式不利于第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口氣流流入葉頂通道,并且也使第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)氣流不能順利地從通道下游流出,此時(shí)第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉頂通道氣流流動(dòng)狀況惡劣。

▲圖6 第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)99%葉高處相對(duì)速度矢量分布圖

近失速工況和近最高效率工況時(shí)第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片至第四級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉頂間隙的部分間隙泄漏流線如圖7所示,最左邊為第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片通道,最右邊為第四級(jí)轉(zhuǎn)子葉片通道。通過對(duì)比兩個(gè)工況可以看出,第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片前緣處的泄漏流線均能保持集中的形態(tài),并且能在遠(yuǎn)離葉片壓力面處順暢地流出通道。較為明顯的區(qū)別在葉片尾緣處,近失速工況該處泄漏流線比較發(fā)散,而在最高效率工況時(shí),該處的泄漏流線比較集中。對(duì)于第二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片前緣處的泄漏流線,在流向下游的過程中,泄漏流線逐漸發(fā)散但仍能從通道內(nèi)流出,兩種工況下的泄漏流線分布形式區(qū)別不大。對(duì)于第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片,在兩種工況下,轉(zhuǎn)子葉片前緣處的泄漏流線在流向下游的過程中分成兩個(gè)部分,一小部分橫越相鄰轉(zhuǎn)子葉片間隙進(jìn)入相鄰轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi),另外一大部分在靠近葉片壓力面處流出通道。對(duì)于第四級(jí)轉(zhuǎn)子葉片,在兩種工況下,轉(zhuǎn)子葉片葉頂?shù)男孤┝骶€分布形式與第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片類似,也出現(xiàn)了泄漏流線橫越相鄰轉(zhuǎn)子葉片間隙的現(xiàn)象。泄漏流線分析表明,第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片、第四級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉頂通道中泄漏流流動(dòng)狀況比第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片、第二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉頂通道狀況惡劣。

▲圖7 第一級(jí)至第四級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉頂間隙泄漏流線圖

結(jié)合第一、第二和第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉頂通道內(nèi)相對(duì)速度矢量分布的分析,可知誘發(fā)該八級(jí)壓氣機(jī)最先失速的轉(zhuǎn)子葉片為第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片。

6 結(jié)論

筆者采用數(shù)值模擬手段對(duì)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下八級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)行研究,在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下對(duì)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證,在臨界轉(zhuǎn)速下對(duì)壓氣機(jī)率先失速級(jí)進(jìn)行了分析,主要結(jié)論如下:

(1) 采用的數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確度較高,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度較好,可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能;

(2) 臨界轉(zhuǎn)速為3 500 r/min時(shí),壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉頂通道內(nèi)存在較大的低速區(qū),主要原因?yàn)闅饬髁髁拷档?氣流攻角增大,使氣流在近轉(zhuǎn)子葉片吸力面處發(fā)生分離;

(3) 該八級(jí)軸流壓氣機(jī)最先發(fā)生失速級(jí)為第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片。