葉尖間隙對壓氣機中低轉(zhuǎn)速氣動性能影響的數(shù)值研究

強 艷，李 游，高國榮，李旦望

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司研發(fā)中心，上海 200241）

0 引言

壓氣機作為航空發(fā)動機的主要部件，對總體性能有重要的影響，而葉尖間隙是造成壓氣機內(nèi)部流動損失的主要因素之一[1]。由加工及裝配精度、機匣的變形、軸承的活動量、彈性支撐的變形量、腐蝕和磨損等帶來的葉尖間隙變化，使軸流壓氣機產(chǎn)生了額外的工作問題[2]。此外，機動飛行中的負載對發(fā)動機間隙的瞬態(tài)變化的影響不可忽視，特別是在爬升、反推力、機動飛行狀態(tài)下，由于飛機機動造成轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)較快，經(jīng)常引起非對稱的間隙變化，容易造成碰摩、氣流激振等[3]。

從20世紀50年代起，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都先后在關(guān)于葉尖間隙的不同領(lǐng)域開展了大量的試驗和分析工作。WISLER等人[4]的研究認為葉頂間隙帶來的影響主要體現(xiàn)為產(chǎn)生泄漏損失和堵塞，前者會降低壓氣機效率，后者會降低壓氣機的壓升能力和穩(wěn)定工作范圍。高國榮等[5]在高轉(zhuǎn)速壓氣機試驗器上詳細開展了葉尖間隙對壓氣機非設(shè)計轉(zhuǎn)速性能特性與穩(wěn)定邊界影響的試驗研究，結(jié)果表明間隙對氣動穩(wěn)定性有顯著影響，間隙影響主要集中在葉高80%截面以上。

本文以某高負荷六級軸流高壓壓氣機作為研究對象，采用NUMECA軟件對轉(zhuǎn)子葉尖分別作三種不同大小的間隙布局，分別進行不同轉(zhuǎn)速下的全三維定常數(shù)值模擬，對比分析了各算例的性能和流場差異，初步預(yù)估間隙對不同轉(zhuǎn)速氣動性能的影響。

1 研究對象及數(shù)值方法

所研究的六級軸流高壓壓氣機三維模型如圖1所示，六級壓氣機連同進口導(dǎo)葉共13排葉片，靜葉7排（標(biāo)記為S0～S6），動葉6排（標(biāo)記為R1～R6）。為了研究間隙對非設(shè)計轉(zhuǎn)速壓氣機性能的影響，各轉(zhuǎn)子葉片設(shè)置了三種不同的葉尖間隙，具體數(shù)值見表1。其中A方案間隙最小，方案C間隙最大，方案A為基準(zhǔn)間隙，A和B的各轉(zhuǎn)子間隙之差分別等于B和C的各轉(zhuǎn)子間隙之差。針對三種間隙分別計算了相對換算轉(zhuǎn)速95%、90%和70%的壓氣機特性線，相同轉(zhuǎn)速的三個算例除間隙外其他設(shè)置均保持一致。

表1 三種方案的葉尖間隙設(shè)置

圖1 三維計算模型

1.1 計算網(wǎng)格

計算網(wǎng)格由NUMECA軟件的Auto-grid5模塊生成。在進、出口段是H型網(wǎng)格，圍繞葉片是O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，靠近壁面網(wǎng)格加密，第一層網(wǎng)格間距為0.001 mm，保證網(wǎng)格近壁間距滿足y+＜5。計算為單通道定常計算，全計算域網(wǎng)格數(shù)目為475萬，每一排的網(wǎng)格數(shù)見表2，其中動葉考慮葉頂間隙，網(wǎng)格數(shù)多于相應(yīng)靜葉。圖2中給出了第一級的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)。

表2 各排葉片網(wǎng)格數(shù)（單位：萬）

圖2 計算域網(wǎng)格示意圖

1.2 計算設(shè)置

采用NUMECA軟件的FINE/Turbo模塊對高壓壓氣機氣動性能進行三維定常數(shù)值模擬，控制方程采用雷諾平均Navier-Stokes方程組，湍流模型選擇一方程S-A模型，空間離散為中心差分格式。計算交界面采用Non Reflecting 1D method，時間離散采用四階Runge-Kutta方法，為了提高計算效率，采用多重網(wǎng)格法、局部時間步長和殘差光順等加速收斂措施。

進口軸向進氣，給定總溫為288.15 K，總壓為101325 Pa；固壁為絕熱、無滑移邊界條件。出口根據(jù)計算工況給定出口葉中半徑處靜壓，并通過調(diào)節(jié)數(shù)值模擬不同工況點及逼近數(shù)值邊界點。計算至收斂狀態(tài)時，考察流量、效率、壓比等性能參數(shù)波動規(guī)律不再變化為止，取數(shù)值發(fā)散前的最后收斂解作為邊界點，即為喘振邊界點。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 性能分析

2.1.1 總特性分析

圖3～圖5分別為三種間隙方案在換算轉(zhuǎn)速為95%、90%、70%時的氣動性能。由圖3、4、5可知，隨著轉(zhuǎn)子葉尖間隙的增大，壓氣機的進口流量、最高效率和喘振裕度均逐漸降低。分析圖3中95%ND的計算結(jié)果，間隙從A方案增大至B方案，堵點流量降低了2.5%，但從B方案增大至C方案，雖然間隙增大的數(shù)值是相同的，但堵點流量降低6.8%，遠大于前者，最高效率和喘振裕度亦是如此，表明壓氣機的性能與間隙的關(guān)系非線性，間隙越大，壓氣機的性能損失越劇烈。

圖3 95%ND氣動性能對比

圖5 70%ND氣動性能對比

圖4 90%ND氣動性能對比

分析各轉(zhuǎn)速最大間隙和最小間隙算例，在95%ND堵點流量之差為9.3%，最高效率差值為7.4%；在90%ND堵點流量差值為6.5%，最高效率差值為5.6%；在70%ND堵點流量差值僅為2.5%，最高效率差值僅為2.7%，由此可見間隙的大小在低轉(zhuǎn)速時對氣動性能影響較小，隨著轉(zhuǎn)速的提高，間隙值對氣動性能的影響越來越大。

2.1.2 單級特性分析

圖6和圖7分別為95%ND三種間隙方案第一級和第六級的單級氣動性能對比。由圖6可知，隨著間隙的增大，壓氣機的進口級特性變化較大，做功能力和效率明顯降低，由圖7可知，壓氣機的出口級特性變化較小，但大間隙使其工作在偏堵點的狀態(tài)下。

圖8和圖9分別為70%ND三種間隙方案第一級和第六級的單級氣動性能對比。分別對比圖6和圖8、圖7和圖9，可以看到70%ND壓氣機進口級和出口級特性隨間隙變化的趨勢與95%ND一致，但同樣量級的間隙變化，對低轉(zhuǎn)速的單級特性影響遠小于高轉(zhuǎn)速。

圖6 95%ND第一級性能對比

圖7 95%ND第六級性能對比

圖8 70%ND第一級性能對比

圖9 70%ND第六級性能對比

2.2 流場分析

2.2.1 近工作點流場分析

為了分析間隙大小對近工作點流場的影響，主要以最大間隙和最小間隙的算例結(jié)果進行對比。圖10為95%ND近工作點A方案和C方案前兩級在90%截面的馬赫數(shù)云圖對比，可以看到A方案的流場狀態(tài)良好，C方案在R1和R2的壓力面有較大范圍的低速區(qū)，主要是葉尖泄露流造成的，該區(qū)域沿弦向方向向主流擴散，是間隙泄漏流與葉片通道主流摻混的結(jié)果，傳遞至下游的靜子，導(dǎo)致靜子的葉尖截面進口攻角發(fā)生變化，從而引起靜子葉片S1和S2吸力面較大的分離區(qū)。圖11中給出了C方案在近工作點R1尾緣處截面熵圖，由于葉尖泄露流的存在，在葉尖流場內(nèi)存在熵增的區(qū)域，在周向方向上泄漏流在葉頂處由于壓力差從壓力面向吸力面泄漏，在通道內(nèi)由吸力面向壓力面擴散，并且在下一個葉片的壓力面形成明顯的熵增區(qū)。

圖10 95%ND近設(shè)計點前兩級葉尖截面馬赫數(shù)云圖

圖11 95%ND C方案近設(shè)計點R1尾緣處截面熵圖

圖12為70%ND近工作點A方案和C方案前兩級在90%截面馬赫數(shù)云圖對比，可以看到C方案的兩級靜子葉片分離區(qū)明顯減小了，A方案和C方案的流場差異明顯小于95%ND。

圖12 70%ND近設(shè)計點前兩級葉尖截面馬赫數(shù)云圖

2.2.2 近喘點流場分析

為了分析間隙大小對近喘點流場的影響，仍然以最大間隙和最小間隙的算例結(jié)果進行對比。圖13為95%ND近喘點A方案和C方案在90%截面前兩級的馬赫數(shù)云圖，二者的差異與近工作點類似，均是C方案的流場存在較大的分離區(qū)。圖14為95%ND近喘點A方案和C方案在10%截面末三級的馬赫數(shù)云圖，由圖可知，A方案在近喘點時出口級的葉根流場惡化，而C方案在近喘點時出口級仍工作在較好的狀態(tài)。綜上認為，隨著間隙的增大，六級高壓壓氣機近喘點的流場分離區(qū)由出口級根部轉(zhuǎn)為進口級的尖部。

圖13 95%ND近喘點葉尖截面前兩級馬赫數(shù)云圖

圖14 95%ND近喘點葉根截面出口級馬赫數(shù)云圖

3 結(jié)束語

通過對六級高負荷軸流高壓壓氣機分別設(shè)置三種轉(zhuǎn)子葉尖間隙值進行95%ND、90%ND和70%ND單通道定常數(shù)值計算，得到如下主要結(jié)論：

（1）隨著轉(zhuǎn)子葉尖間隙的增大，壓氣機的進口流量、最高效率和喘振裕度均逐漸降低。

（2）間隙的大小在低轉(zhuǎn)速時對氣動性能影響較小，隨著轉(zhuǎn)速的提高，間隙值對氣動性能的影響越來越大。

（3）間隙的變化會改變壓氣機的級間匹配，隨著間隙的增大，壓氣機的進口級特性變化較大，做功能力和效率明顯降低，壓氣機的出口級特性變化較小，但大間隙使其工作在偏堵點的狀態(tài)。

（4）高轉(zhuǎn)速時隨著間隙的增大，六級高壓壓氣機近喘點的流場分離區(qū)由出口級根部轉(zhuǎn)為進口級的尖部。