進氣條件對壓氣機中介機匣流場影響的試驗研究

向宏輝，張 良，陸慶飛，葉 巍，趙 桓，任 飛

(1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

1 引言

中介機匣是渦扇發動機中連接高、低壓壓縮部件的重要過渡通道和主要承力件。為適應上游風扇與下游高壓壓氣機之間的流道高度落差，中介機匣通常采用“S”造型。中介機匣內部具有大流線曲率與強壓力梯度的典型特征，其流場品質對高壓壓氣機部件及發動機整機的工作性能均會產生影響，是軍/民用渦扇發動機中關鍵部件之一[1，2]。

國外對中介機匣進行過大量研究。Britchford、Bailey等[3～5]采用LDV系統對中介機匣在理想與實際進氣條件下的流場進行了詳細測量，為最終利用CFD方法開展中介機匣優化設計提供了試驗支持。Sonoda等[6，7]采用試驗與數值模擬相結合的方法研究了下游流道形狀和進口附面層厚度對中介機匣流場的影響，結果表明，與中介機匣下游轉接平直流道相比，轉接彎曲流道后的輪轂區總壓損失更大；當進口附面層厚度變化時，中介機匣凈總壓損失沒有明顯變化，但中介機匣出口對進口附面層厚度變化的氣動敏感性較高。Wallin等[8]針對大涵道比渦扇發動機中高落差中介機匣的設計，采用響應面法分別對二維渦輪中介機匣與三維壓氣機中介機匣進行了優化設計與驗證，表明端壁形狀優化對降低中介機匣損失有很大潛力。Duenas等[9]研究了不同軸向長度對中介機匣性能的影響，試驗結果表明，當中介機匣長度減小時，附面層出現分離，總壓損失隨之增大，但分離尺度主要取決于進口雷諾數；為準確評估中介機匣的氣動性能，應在發動機真實雷諾數范圍內進行研究。Naylor等[10]采用非軸對稱端壁造型對高負荷中介機匣支板與輪轂角區分離進行了控制，表明中介機匣壓力損失對上壁面幾何造型優化不敏感，但對下壁面輪轂造型非常敏感，輪轂型面優化可使中介機匣總損失減少16%。Karakasis等[11]進一步研究了上游壓氣機級出口尾跡對中介機匣氣動性能的影響，表明來流靜葉尾跡導致軸對稱中介機匣總壓損失增大54%，而相同進口條件下非軸對稱中介機匣的總壓損失僅增加28%，體現了非軸對稱造型在綜合改善中介機匣性能方面的巨大潛力。

目前，國內在中介機匣氣動設計方面缺乏完整設計準則和成熟工程經驗，現有三維數值模擬方法還無法準確模擬中介機匣流道曲率變化對湍流附面層發展的影響程度。因此，深入開展中介機匣氣動性能試驗，研究不同進口約束條件下中介機匣流場的變化規律，掌握中介機匣特殊彎曲流道內部流動發展演化機制，對改進中介機匣氣動設計、提高中介機匣與壓縮部件的流動匹配特性具有重要意義。

2 試驗裝置與試驗方法

2.1 試驗設備

中介機匣氣動性能試驗在中國燃氣渦輪研究院敞開吸氣式綜合試驗設備上進行。該設備主要由防塵網、流量管、吸氣試驗段、過渡段、穩壓箱、主/旁路抽氣管道(含閥門)及補氣閥等組成，如圖1所示。試驗時，采用進口直接供大氣、氣源壓縮機組在出口連續抽負壓的工作方式，通過控制主/旁路閥門開度以調節試驗段內流動狀態。

2.2 中介機匣試驗件

為真實模擬中介機匣在發動機壓縮系統內的工作環境，設計了沿周向均布4個承力支板的雙涵道結構試驗件(見圖2)，通過在雙涵道出口并聯抽氣以實現進口氣流經分流環進入內涵中介機匣彎曲通道的流動模式。通過在進口加裝畸變網來改變中介機匣進氣方式，以模擬上游風扇出口實際流場分布。采用文獻[10]中的幾何定義方式，中介機匣無量綱設計特征參數描述為：ΔR/L=0.29，hin/L=0.37，Aout/Ain=0.87，rin/hin=2.64，cmax/b=0.20。其中ΔR為中介機匣內壁進、出口半徑落差，L為彎曲流道基準長度，hin為進口流道高度，rin為內壁進口半徑，Ain和Aout分別為進、出口流道面積，cmax和b分別為中介機匣支板最大厚度、弦長。以上5個無量綱設計參數綜合決定了中介機匣的氣動負荷。

2.3 流場測試方案

中介機匣軸向流路上共安排5個測量站(見圖2)，其中0截面作為中介機匣進口參考截面，安裝2支徑向11點總靜壓復合梳狀探針測量來流馬赫數；1截面位于畸變網下游約1.0hin位置，定義為中介機匣進口截面，安裝2支徑向6點總壓梳狀探針測量進口壓力分布；2截面位于中介機匣彎曲流道中部，安裝1支徑向11點總壓探針測量支板槽道間壓力分布；3截面位于中介機匣彎曲流道出口，在距出口約0.15L位置安裝2支徑向14點總壓探針測量彎曲流道轉接平直流道后的壓力分布。同時，在距支板尾緣約0.2b軸向位置安裝1支周向均布11測點總壓耙測量支板尾跡，利用二維位移機構進行徑向控制；4截面位于中介機匣彎曲流道出口約1.6L軸向位置，定義為中介機匣出口截面，安裝2支徑向14點總壓梳狀探針測量下游平直流道壓力分布。探針在使用前均進行校準，保證試驗馬赫數范圍內壓力測量不敏感角達±10°。數采系統壓力掃描閥通道標定結果滿足壓力測量精度±0.25%要求。

2.4 數據處理

為量化分析中介機匣氣動性能，引入兩個表征中介機匣流場特征的無量綱參數，即總壓損失系數λ和總壓畸變強度ε。分別定義為：

3 試驗結果與分析

3.1 通道流場分布

圖3給出了不同進氣方式下中介機匣進口壓力徑向分布(來流馬赫數為0.48，下同)，圖中為相對流道高度。可見，相比均勻進氣條件，畸變網誘導下游流場在整個流道高度均產生了壓力擾動，氣流徑向不均勻度明顯增大，壓力損失約7%。從流體力學響應機制角度看，相當于對中介機匣進口施加了兩種不同的約束條件，對比分析不同進氣條件下流場徑向摻混及其損失特性，將有助于從物理本質上認識中介機匣彎曲流道內部流動發展演化規律。

圖4(a)給出了中介機匣彎曲流道中部總壓損失系數的徑向分布。從圖中可以看出，均勻進氣條件下中心主流區流動損失很小，不過由于存在較強徑向壓力梯度，導致壓力徑向不均勻度增大，上、下端壁低壓高損失區呈現出不同的發展趨勢，上壁面附面層厚度要比下壁面的小，這與流向壓力梯度的變化有關。對于中介機匣彎曲流道中部，下壁面處于流向逆壓梯度環境，氣流減速擴壓，促進了附面層發展；而上壁面情況剛好相反，抑制了附面層發展。從圖中還可以看出，畸變進氣條件下流場整體結構沒有大的變化，只是整個流道高度的流動損失程度明顯增大。可見，中介機匣彎曲流道前段對進口氣流壓力波動的抑制作用很強，導致氣流迅速徑向摻混。因此，氣流強烈摻混是導致畸變進氣條件下中介機匣流道前段總壓損失增大的主要原因。

圖4(b)給出了中介機匣彎曲流道出口總壓損失系數徑向分布。如圖所示，均勻進氣條件下主流區徑向分布均勻度顯著改善，表明流道徑向壓力梯度減小，而上、下壁附面層厚度均有不同程度的增長，尤其是下壁面更為明顯，附面層發展與彎曲流道后-為平均總壓，n為徑向測段曲率及流向壓力梯度的不同變化相關聯。彎曲流道后段，上壁面處于流向逆壓梯度環境，氣流開始減速，促進了上游附面層發展，但由于流道上壁面凸曲率造型又在一定程度上抑制了附面層的發展；下壁面的情況與之相反?？梢?，中介機匣流道曲率變化對于附面層的發展起到了重要作用。畸變進氣條件下，近壁面低壓區影響范圍擴大，流場徑向不均勻度加劇，上壁面凸曲率對附面層發展的控制有所減弱。

圖4(c)給出了中介機匣下游平直流道出口總壓損失系數徑向分布?？梢姡鶆蜻M氣時60%流道高度以上區域流動損失明顯增大，60%流道高度以下區域流場變化較小?；冞M氣時，流場徑向分布趨勢大致接近，總壓損失隨流道高度的增加而增大，壓力徑向分布不均勻度隨之增大。可見，平直流道上部流場惡化是影響中介機匣氣動性能的重要因素。

3.2 支板尾跡分布

通常，支板的存在會引起額外壓力梯度，導致支板型面與彎曲流道所圍成的端壁角區流動更為復雜，成為局部高損失區。中介機匣下游平直流道上部區域流場惡化與中介機匣支板的堵塞有關，有必要針對支板尾跡測量結果進行詳細分析。圖5給出了不同徑向高度支板尾跡總壓損失系數的周向分布，圖中橫坐標-t為相對測量寬度。可見，不同徑向高度的尾跡分布存在差異，表明支板表面存在較為明顯的徑向壓力梯度。均勻進氣時，隨著流道高度的增加，尾跡總壓損失逐漸增大，尾跡低壓區影響范圍隨之增大，支板低動量尾流與通道主流間摻混作用增強，從而導致下游平直流道上部區域總壓損失增大。畸變進氣時，支板尾跡強度進一步增大，其中尾跡寬度約增大1倍，總壓損失約增大50%，此時下游流場受到嚴重影響。因此，中介機匣支板尾跡干擾是導致平直流道上部流場徑向不均勻度與損失增大的直接原因。由此可知，有效控制支板與流道上壁面的角區流動可改善該型中介機匣的氣動性能。

3.3 總體性能變化

來流馬赫數是影響中介機匣氣動性能的另一個重要約束條件，這與發動機環境下風扇工作狀態的變化相對應。圖6顯示，中介機匣出口平均總壓損失系數隨進口馬赫數的變化近似呈線性關系增長，畸變進氣條件下的總壓損失系數明顯比均勻進氣條件下的大，同時氣流徑向不均勻度也會加劇總壓損失系數的增長幅度。圖7顯示，中介機匣出口總壓畸變強度隨進口馬赫數的增大呈線性增長趨勢，均勻進氣條件下中介機匣出口仍然存在一定強度的壓力徑向畸變，表明中介機匣出口流場徑向分布對于馬赫數的變化較為敏感。隨著進口馬赫數的增大，中介機匣總壓恢復能力降低，出口流場品質惡化，對下游高壓壓氣機氣動性能的影響程度隨之增大。

4 結論

(1)進氣方式對中介機匣流動損失影響較大，氣流強烈徑向摻混是畸變進氣條件下中介機匣彎曲流道前段總壓損失增大的主要原因。

(2)中介機匣流道曲率變化對環壁附面層的發展起重要作用，與均勻進氣條件相比，進氣畸變會增大彎曲流道內部的徑向壓力梯度，影響流道曲率與流向壓力梯度對附面層的控制效果。

(3)中介機匣支板表面存在徑向壓力梯度，支板尾流與通道主流之間的劇烈摻混是下游平直流道上部流場惡化及損失增大的直接原因，而進氣畸變會進一步加劇支板尾跡的影響。

(4)隨著進口馬赫數的增大，中介機匣總壓損失系數近似呈線性關系增長，而總壓畸變強度呈非線性關系增長，表明中介機匣出口流場徑向分布對馬赫數變化的氣動敏感性較高。

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