發(fā)動(dòng)機(jī)中軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙影響研究

□ 李 斌 □ 張江偉 □ 張 雨

中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 西安 710021

1 研究背景

發(fā)動(dòng)機(jī)中軸流壓氣機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)是非常復(fù)雜的三維周期性非定常流動(dòng),存在多種形式的流動(dòng)分離和二次流等,在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下,往往還存在失速和喘振等不穩(wěn)定工況[1]。軸流壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值仿真研究已成為葉輪機(jī)械氣體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的熱點(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、空氣流量、轉(zhuǎn)速?zèng)Q定,在進(jìn)氣和轉(zhuǎn)速不變的條件下,軸流壓氣機(jī)的特性就是壓比、工作效率與空氣流量的關(guān)系。轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著空氣流量的減小,壓比增大,在某一流量點(diǎn)達(dá)到最大值,隨后隨著流量減小而減小。如果進(jìn)一步減小流量,那么軸流壓氣機(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)連線形成軸流壓氣機(jī)的喘振邊界。在臨界轉(zhuǎn)速下,發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作線與軸流壓氣機(jī)喘振邊界較接近,在此工況下,軸流壓氣機(jī)容易發(fā)生失速或喘振[2-6]。

某單轉(zhuǎn)子渦流噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)廠內(nèi)試車時(shí),穩(wěn)定性余量檢查不合格。由經(jīng)驗(yàn)判斷,不合格主要原因?yàn)檩S流壓氣機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)第一代產(chǎn)品,加工公差大,轉(zhuǎn)子葉尖間隙范圍大。根據(jù)軸流壓氣機(jī)原理,葉尖間隙容易產(chǎn)生二次流,對(duì)軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定性有較大影響[7-10]。為解決該型發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性余量檢查不合格問題,避免大規(guī)模排查故障工作,筆者對(duì)軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙影響進(jìn)行研究,為發(fā)動(dòng)機(jī)排查故障及控制措施制訂提供依據(jù)。

2 研究對(duì)象

筆者研究的對(duì)象為八級(jí)軸流壓氣機(jī),由一級(jí)進(jìn)口導(dǎo)流葉片、八級(jí)轉(zhuǎn)子葉片、八級(jí)整流葉片組成。這一八級(jí)軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為4 700 r/min,穩(wěn)定性余量檢查轉(zhuǎn)速為3 500 r/min,如圖1所示。

▲圖1 八級(jí)軸流壓氣機(jī)

分別對(duì)八級(jí)軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的上公差值、中公差值、下公差值進(jìn)行計(jì)算,見表1。

表1 八級(jí)軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙 mm

3 模擬方法

筆者采用NUMECA軟件中的AUTOGRID5模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并且采用O4H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),基于FINE/TURBO模塊進(jìn)行數(shù)值求解。在研究中,湍流模型采用Spalart-Allmaras模型,時(shí)間推進(jìn)采用四階龍格-庫(kù)塔法,通過多重網(wǎng)格技術(shù)、當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)、殘差光順技術(shù)加速收斂。邊界條件中,進(jìn)口總溫為288.2 K,總壓為101 325 Pa。設(shè)置進(jìn)口氣流角,采用軸向進(jìn)氣。設(shè)置出口靜壓,通過調(diào)整出口壓力,獲得軸流壓氣機(jī)的特性。

4 總體性能分析

轉(zhuǎn)速為4 700 r/min時(shí)軸流壓氣機(jī)特性曲線如圖2所示。轉(zhuǎn)速為4 700 r/min時(shí),轉(zhuǎn)子葉尖間隙減小后,軸流壓氣機(jī)性能明顯提高。在整個(gè)流量范圍內(nèi),轉(zhuǎn)子葉尖小間隙軸流壓氣機(jī)的效率均高于原型。在部分大流量范圍內(nèi),轉(zhuǎn)子葉尖小間隙軸流壓氣機(jī)的壓比高于原型。轉(zhuǎn)子葉尖間隙減小后,軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定性得到一定程度提高,即轉(zhuǎn)子葉尖小間隙軸流壓氣機(jī)喘振邊界對(duì)應(yīng)的流量比原型低。

▲圖2 4 700 r/min時(shí)軸流壓氣機(jī)特性曲線

轉(zhuǎn)速為3 500 r/min時(shí)軸流壓氣機(jī)特性曲線如圖3所示。轉(zhuǎn)速為3 500 r/min時(shí),軸流壓氣機(jī)表現(xiàn)出與轉(zhuǎn)速為4 700 r/min時(shí)類似的特性規(guī)律。轉(zhuǎn)子葉尖間隙增大后,整個(gè)流量范圍內(nèi)軸流壓氣機(jī)性能明顯降低,同時(shí)軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定性降低。轉(zhuǎn)子葉尖間隙減小后,整個(gè)流量范圍內(nèi)軸流壓氣機(jī)性能明顯提高,同時(shí)軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定性提高。

▲圖3 3 500 r/min時(shí)軸流壓氣機(jī)特性曲線

為了更好地定量分析轉(zhuǎn)子葉尖間隙變化對(duì)軸流壓氣機(jī)性能的影響,對(duì)比不同轉(zhuǎn)子葉尖間隙時(shí)的綜合裕度改進(jìn)量SMI和流量裕度改進(jìn)量SMI1,見表2、表3。

(1)

SMI1=[(Mys/Mns)-1]×100%

(2)

表2 4 700 r/min時(shí)裕度改進(jìn)量對(duì)比

表3 3 500 r/min時(shí)裕度改進(jìn)量對(duì)比

對(duì)比表2、表3可發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子葉尖間隙變化在關(guān)鍵轉(zhuǎn)速3 500 r/min時(shí)對(duì)軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定性、峰值效率的影響程度都比在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速4 700 r/min時(shí)大很多,特別是對(duì)裕度改進(jìn)量的影響更大。

5 流場(chǎng)分析

結(jié)合總體性能分析結(jié)果,轉(zhuǎn)子葉尖間隙的影響在轉(zhuǎn)速為3 500 r/min時(shí)更為明顯,因此軸流壓氣機(jī)的流場(chǎng)分析在3 500 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。

98%葉片高度處所有軸流壓氣機(jī)葉片通道內(nèi)相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖如圖4所示。從圖4中可以看到,第一級(jí)轉(zhuǎn)子至第五級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂通道內(nèi)低能流體區(qū)流場(chǎng)的大小受轉(zhuǎn)子葉尖間隙的影響較大,最后三級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂通道內(nèi)流場(chǎng)受轉(zhuǎn)子葉尖間隙的影響較小。隨著轉(zhuǎn)子葉尖間隙的減小,前五級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂通道內(nèi)低能流體分布范圍逐漸減小。前期研究表明,前三級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂流場(chǎng)影響軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定性的程度比后五級(jí)大,所以著重分析前三級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂流場(chǎng)。

▲圖4 98%葉片高度處所有軸流壓氣機(jī)葉片通道內(nèi)相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖

98%葉片高度處軸流壓氣機(jī)第一級(jí)至第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂通道內(nèi)相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖如圖5所示。從圖5中可以看到,隨著轉(zhuǎn)子葉尖間隙的增大,第一級(jí)轉(zhuǎn)子、第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂通道內(nèi)低相對(duì)馬赫數(shù)分布區(qū)域逐漸擴(kuò)大,第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂通道內(nèi)低能氣流區(qū)域面積明顯比第三級(jí)轉(zhuǎn)子大。

▲圖5 98%葉片高度處軸流壓氣機(jī)第一級(jí)至第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂通道內(nèi)相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖

6 結(jié)論

筆者采用數(shù)值模擬方法對(duì)八級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)行研究,對(duì)比分析了不同轉(zhuǎn)子葉尖間隙下軸流壓氣機(jī)性能及流場(chǎng)變化,主要結(jié)論如下:

(1) 相比于原型軸流壓氣機(jī),當(dāng)軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙增大后,軸流壓氣機(jī)的性能及喘振裕度明顯降低;

(2) 轉(zhuǎn)子葉尖間隙減小,可以提高軸流壓氣機(jī)的性能及喘振裕度;

(3) 轉(zhuǎn)子葉尖間隙變化在臨界轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)軸流壓氣機(jī)性能和穩(wěn)定性的影響更為明顯。