翟志龍, 曹傳軍

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司, 上海 200241)

高壓壓氣機是航空發(fā)動機核心機三大部件之一,其性能對整個發(fā)動機至關重要。隨著現(xiàn)代民用航空發(fā)動機對耗油率、安全性等要求的不斷提高,高壓壓氣機設計指標亦隨之提高,高壓壓氣機設計面臨越來越大的挑戰(zhàn),所以要求高壓壓氣機不僅具有良好的設計點性能,而且還要有良好的非設計點性能[1]。為了實現(xiàn)壓氣機非設計工況的穩(wěn)定運行,可調靜葉作為一種常用的措施已經(jīng)得到廣泛的應用,通過改變靜葉的安裝角調整下游轉子葉片的進口攻角,改善壓氣機各排葉片之間的氣動匹配,從而避免壓氣機發(fā)生中低轉速失速和喘振,同時角度聯(lián)調也可以優(yōu)化工作點效率。

中外研究人員針對壓氣機導葉、靜葉安裝角可調的擴穩(wěn)方法開展了大量工作。吳虎[2]、宮偉等[3]、范非達[4]采用一維或者三維方法對多級軸流壓氣機靜葉調節(jié)規(guī)律開展相關研究,擴大了多級軸流壓氣機非設計轉速的穩(wěn)定工作范圍。楚武利等[5]通過試驗研究了帶導葉的單級軸流壓氣機在進口導葉無預旋、全葉高預旋2°和葉頂端部預旋2°時,壓氣機總性能、基元性能及失速邊界的變化情況。對比分析了3種導葉在不同轉速下的性能曲線,結果表明導葉預旋對壓氣機在非設計轉速下有很好的擴穩(wěn)效果。

宋文艷等[6]采用加權組合方法針對某三級風扇開展了轉角調節(jié)規(guī)律研究,張夏雯等[7]基于壓氣機一維平均流線模型與復合形法/模擬退火法的優(yōu)化算法,史磊等[8]、鐘勇健[9]、孫鵬等[10]引入多目標優(yōu)化算法,以設計轉速或部分轉速的峰值效率為優(yōu)化目標,對多級軸流壓氣機可轉靜葉的安裝角調節(jié)規(guī)律進行了優(yōu)化,壓氣機效率得到提高。張健等[11]應用試驗的方法,在設計轉速下,通過試驗調節(jié)一臺三級軸流壓氣機各級組合,找到了壓氣機的一組最佳角度匹配。試驗結果分析表明,靜葉角度的改變對壓氣機性能有著極為明顯的影響,采用最佳角度匹配,最高絕熱效率提高了7.4%,穩(wěn)定工作裕度也有顯著的增加。夏聯(lián)[12]等進行了一臺七級軸流高壓壓氣機的靜葉調節(jié)試驗研究,試驗結果表明:低轉速下,通過靜葉角度優(yōu)化調節(jié)能有效低改善壓氣機性能,拓寬穩(wěn)定工作范圍,并且,壓氣機低速性能受靜葉可調角度的配比影響很大。此外,李世林[13]從可調葉片系統(tǒng)對壓氣機喘振裕度的影響開展了分析研究,曹傳軍等[14-15]從葉片扭轉角度偏差、葉尖間隙對壓氣機氣動性能影響開展了分析研究,結果表明,角度偏差對流量壓比有一定影響,對峰值效率點的影響微弱。

從以上的分析來看,國內(nèi)外對壓氣機可調靜葉研究多集中于使用數(shù)值研究手段研究角度組合如何提升單級或者級數(shù)較少的多級壓氣機非設計轉速性能,針對級數(shù)超過十級的高負荷多級壓氣機,角度變化以后總性能如何發(fā)生變化,可調級與不可調級各自以及相互匹配關系如何發(fā)生變化,在數(shù)值和試驗研究方面報道較為少見。因此,現(xiàn)針對十級軸流壓氣機開展數(shù)值模擬和試驗研究,探究角度聯(lián)調對多級軸流壓氣機設計和非設計轉速下總性能以及級間特性的影響。

1 數(shù)值模擬分析

研究對象為十級軸流壓氣機,總壓比為20以上,包含進口導葉在內(nèi)共21排葉片,其中前五級葉片(S0,S1,S2,S3,S4)可調,計算模型如圖1所示。計算采用商用NUMECA軟件,該軟件在葉輪機械領域應用廣泛,計算結果與試驗結果吻合較好,如圖2所示,計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)計算結果與試驗結果流量吻合良好。計算網(wǎng)格采用Autogrid5劃分,網(wǎng)格拓撲采用H-O-H結構,保證最小網(wǎng)格正交性>15°,最大網(wǎng)格長寬比<5 000,最大網(wǎng)格延展比<5,計算時第一層網(wǎng)格高度取值10-5mm,網(wǎng)格壁面第一層網(wǎng)格質量y+< 5(圖1),十級壓氣機網(wǎng)格總量約900萬。

圖1 計算模型及網(wǎng)格y+值分布Fig.1 Diagram of calculation model and distribution of the grid’s y+

橫坐標代表無量綱壓氣機進口換算流量,縱坐標代表無量綱總壓比;換算流量采用計算結果堵點流量進行歸一化

流場模擬采用Fine/Turbo模塊,單通道定常計算,湍流模型采用Spalart-Allmaras(S-A)模型,進口取試驗條件下的進口總溫總壓,出口中徑處給定徑向平衡的靜壓,計算中通過改變出口靜壓獲得壓氣機的特性線。

圖2所示為基準角度計算結果與試驗結果的對比?？梢钥闯?流量壓比、流量效率特性曲線的趨勢基本一致,流量偏差小于0.5%,計算結果與試驗結果吻合良好。

1.1 靜葉角度聯(lián)調對總性能的影響

對研究方案做如下簡化:A代表設計轉速基準角度方案,聯(lián)調規(guī)律A+5、A+3分別代表以S1靜子葉片為基準,整體關閉5°和3°的方案,研究角度關閉對氣動性能的影響;A-5、A-3分別代表以S1靜子葉片為基準,整體打開5°和3°的方案,研究角度打開對氣動性能的影響,B代表90%轉速基準角度方案,角度打開或者關閉方案與A方案類似。

圖3所示為設計和90%轉速下,不同可調葉片(variable stator vane, VSV)調節(jié)角度對總性能的影響。其中換算流量采用方案A-5堵點流量進行歸一化,總壓比采用方案A-5的最高壓比進行歸一化,效率采用方案A的峰值效率進行歸一化。

圖3 可調靜葉調節(jié)角度對總特性影響Fig.3 Effect of different VSV angles on total performance

A數(shù)值模擬結果表明,設計轉速下,相較于基準角度,聯(lián)調打開3°和5°,堵塞點流量分別增加5.9%和9.4%,總壓比分別增加9.77%和12.26%(沿著工作線);關閉3°和5°,堵塞點流量分別減少5.3%和9.1%,總壓比分別減少6.79%和11.49%(沿著工作線);表明打開或者關閉相同的角度,對總流量和壓比的影響程度基本一致,打開角度可以增加流通能力,軸向速度增加,切線速度不變的情況下,氣流攻角偏向正攻角,做功能力增強。90%轉速下,角度聯(lián)調對流量和壓比的影響規(guī)律類似,但是影響量級更大。對于效率的影響方向并不相同,設計轉速下,打開3°和5°,峰值效率分別下降0.49%和0.94%,關閉3°和5°,峰值效率分別提高0.16%和降低0.04%,而對于非設計轉速下,打開3°和5°,峰值效率分別提高1.45%和2.31%,關閉3°和5°,峰值效率分別降低1.74%和2.86%。相對于目前的基準角度方案,設計轉速下,略關閉一定角度,效率略有提升,而在非設計轉速下,略打開一定角度,可以提高效率,表明在不同轉速下,前面級角度變化后,前后各級的匹配關系變化不同,進而整臺壓氣機效率發(fā)生變化。因此,需要進一步從級間匹配特性入手,深入研究角度變化對多級軸流壓氣機性能的影響。

表1給出了設計和非設計轉速各研究方案喘振裕度,相對于基準方案,設計轉速下,角度打開或者關閉,喘振裕度變化范圍在3.4%左右,非設計轉速下,喘振裕度變化范圍在4.28%左右,表明對于當前方案而言,角度變化對喘振裕度變化影響不大。

表1 角度對喘振裕度的影響

1.2 靜葉角度聯(lián)調對級間匹配特性的影響

圖4～圖7給出了設計和90%轉速下各角度聯(lián)調方案下第一級和第七級單級流量壓比特性。單級特性采用S-R為一級。由圖4和圖5可以看出,角度打開以后,整體流通能力增強,第一級特性整體向流量增大,壓比增加方向變化,角度關閉,流量和壓比向相反的方向變化;角度打開3°,第一級流量增加6%左右,第一級壓比增大7%左右,而第七級特性變化較小,表明整機的流量增加,壓比提高主要由前面級特性變化導致。對于90%轉速而言,規(guī)律類似。

圖5 設計轉速第七級流量壓比特性Fig.5 Mass flow and pressure ratio characteristic of stage 7 at design speed

圖6 90%轉速第一級流量壓比特性Fig.6 Mass flow and pressure ratio characteristic of stage 1 at 90% design speed

圖7 90%轉速第七級流量壓比特性Fig.7 Mass flow and pressure ratio characteristic of stage 7 at 90% design speed

1.3 靜葉角度聯(lián)調對流場細節(jié)的影響

由于1.2節(jié)中VSV角度變化對第一級特性影響顯著,因此圖8給出了設計轉速下各個方案第一級轉子95%葉高(近葉尖區(qū)域)相對馬赫數(shù)云圖,對比圖8(a)、圖8(b)和圖8(c)可以發(fā)現(xiàn),隨著角度打開(從關3°到開3°),激波位置基本不變,激波強度逐漸增強。圖9給出了設計轉速下各個方案第一級轉子50%葉高(葉中區(qū)域)相對馬赫數(shù)云圖。對比圖9(a)、圖9(b)和圖9(c),隨著角度逐漸打開(從關3°到開3°)可以發(fā)現(xiàn)與葉尖區(qū)域類似,激波逐漸增強,除此以外,激波位置也由葉片前緣推到上游位置,由正激波形成了脫體激波,做功能力進一步增強。

圖8 峰值效率點95%葉高相對馬赫數(shù)云圖Fig.8 Relative mach number contour map at 95% span of peak efficiency point

圖9 峰值效率點50%葉高相對馬赫數(shù)云圖Fig.9 Relative mach number contour map at 50% span of peak efficiency point

2 試驗結果分析

為進一步驗證數(shù)值模擬得到的角度影響規(guī)律,對該壓氣機開展了試驗研究。試驗研究在中國航發(fā)商發(fā)壓氣機試驗臺開展,該試驗臺驅動電機最大功率為25 MW,流量調節(jié)范圍為0～50 kg/s,最高轉速20 000 r/min。試驗裝置主要包括進口流量管、節(jié)流閥、穩(wěn)壓箱、試驗件本體、排氣系統(tǒng)等,圖10為壓氣機試驗臺簡圖。

1為進氣塔;2為進氣系統(tǒng);3為穩(wěn)壓箱;4為試驗件;5為引氣系統(tǒng);6為排氣系統(tǒng);7為齒輪箱;8為動力裝置

試驗中通過臺架進口流量管測量物理流量。壓氣機進口布置總溫和總壓梳狀探針,測量壓氣機進口截面溫度和壓力,沿程靜葉前緣布置葉型探針,測量級間總溫和總壓,壓氣機出口截面布置總溫總壓探針,測量出口截面溫度和壓力。試驗時通過作動機構調節(jié)壓氣機各級葉片角度,得到角度變化對壓氣機總特性和級間流場的影響?；诩夐g總溫總壓計算各級單級特性,基于進、出口測量值計算壓氣機總特性,其中效率根據(jù)試驗數(shù)據(jù)采用文獻[1]的變比熱公式計算。

2.1 角度聯(lián)調對總性能的影響

圖11給出了設計轉速和非設計轉速下角度調節(jié)方案對壓氣機總特性的影響,由于該試驗件負荷較高,喘振能量較大,出于安全考慮,各項角度調節(jié)試驗均未進喘,錄取到峰值效率點,研究角度對流量和峰值效率的影響。換算流量采用方案A-3堵點流量進行歸一化,總壓比采用方案A的最高壓比進行歸一化,效率采用方案A+3的峰值效率進行歸一化。

圖11 角度對總特性影響(設計轉速)Fig.11 Effect of VSV angles on total performance (at designed speed)

圖11(a)表明角度變化對總流量和工作點匹配位置的影響很大,結合圖11(b),角度打開3°,總流量增加5%,關閉3°,總流量減少4.6%左右,與1.1節(jié)數(shù)值計算結果角度變化對流量的影響程度基本相當,表明數(shù)值計算對于堵塞點流量的計算較為準確。角度打開3°和關閉3°,峰值效率分別降低0.73%和提高0.2%,與計算結果趨勢基本一致,具體量值略有差異,對于非設計轉速而言,堵塞點流量和峰值效率變化趨勢與計算結果一致。該試驗結果同樣表明,數(shù)值計算對于流量變化的預測較為準確,對于角度聯(lián)調變化導致效率的趨勢性變化同樣較為準確,但是對于效率變化的具體量值與試驗結果存在一定差異。結合前文數(shù)值計算結果可以看出,對于該方案多級壓氣機,設計轉速下,角度偏關可以提升一定效率,非設計轉速下角度打開可以提升效率。

2.2 角度聯(lián)調對級間匹配特性的影響

圖12、圖13分別給出了角度變化對設計轉速第一級、第七級單級特性的影響。由于試驗時級間總溫、總壓探針布置于各級靜子前緣,因此單級特性采用S-R作為一級。圖12表明,打開角度,導致第一級特性線向流量增加,負荷增加的方向變化,以工作點為例,打開3°,導致第一級壓比提高4%;關閉3°,導致第一級壓比降低3%左右,這與前文計算結果規(guī)律基本一致。而對于第七級而言,角度打開或者關閉,第七級特性基本不變,角度打開以后,會導致該級工作在堵點位置,角度關閉,會導致該級工作在偏喘點附近,角度聯(lián)調變化,會改變前面級單級特性,具體而言,打開角度,會導致流通能力增強,負荷提高,進而導致整臺壓氣機性能提高,而對于后面級而言,角度聯(lián)調,級特性不發(fā)生變化,匹配的工作點位置發(fā)生變化。圖14、圖15分別給出了角度變化對非設計轉速第一級、第七級單級特性的影響,規(guī)律與前文計算結果一致。

圖12 設計轉速第一級流量壓比特性Fig.12 Mass flow and pressure ratio characteristic of stage 1 at design speed

圖13 設計轉速第七級流量壓比特性Fig.13 Mass flow and pressure ratio characteristic of stage 7 at design speed

圖14 90%轉速第一級流量壓比特性Fig.14 Mass flow and pressure ratio characteristic of stage 1 at 90% design speed

圖15 90%轉速第七級流量壓比特性Fig.15 Mass flow and pressure ratio characteristic of stage 7 at 90% design speed

3 結論

(1)設計轉速下,前面級可調葉片角度打開可以使得整臺壓氣機流通能力增加,打開3°,流量增加約5%,效率降低約0.5%～0.7%;關閉3°,流量減少約6%,但是效率提升約0.2%。

(2)多級軸流壓氣機角度聯(lián)調主要改變了前面級的特性線,后面級特性線不發(fā)生變化,整機的流量增加,壓比提高主要由前面級特性變化導致。

(3)針對第一級特性,隨著角度逐漸打開,葉尖、葉中區(qū)域激波強度逐漸增強,葉中區(qū)域的激波位置由葉片前緣推到更上游位置。