防冰引氣對組合壓氣機性能影響的數值模擬研究

賀　丹，李　杜，張錦綸，鄒學奇

（中國航空動力機械研究所，湖南株洲412002）

防冰引氣對組合壓氣機性能影響的數值模擬研究

賀丹，李杜，張錦綸，鄒學奇

（中國航空動力機械研究所，湖南株洲412002）

為了研究防冰引氣系統對軸流-離心組合壓氣機性能、內部流場和級間匹配關系的變化的影響，以帶有防冰引氣系統的組合壓氣機為研究對象，在離心壓氣機離心葉輪約3/4相對弦長位置輪緣處開槽引氣，在軸流進口導葉葉片表面開孔噴氣，進行3維數值模擬計算，并與不帶引氣和噴氣系統的原始壓氣機進行對比分析。結果表明：防冰引氣會引起組合壓氣機的性能降低，喘振裕度減??；軸流前2級由于折合轉速下降，近工作點效率略有提高，但喘振裕度減小；離心級特性線向小流量方向移動，效率降低，穩定工作范圍減小。

組合壓氣機；防冰引氣；噴氣；數值模擬；航空發動機

0　引言

目前，隨著科技水平發展，不論是軍用還是民用領域，對直升機的飛行要求也日益提高。由于直升機的飛行狀態變化大、環境惡劣的特點，容易發生旋翼或發動機進氣道結冰的現象［1］。發動機進氣道結冰會改變流道形狀，不僅影響其性能，還有可能引起冰塊打壞葉片，造成生命財產的重大事故。渦軸發動機作為直升機的主要動力裝置，必須通過空氣系統保證發動機具有防冰能力。

采用壓氣機引氣，并傳輸到進口導葉內腔進行加熱的方法，可以較為簡單的實現防冰氣流的自動或手動控制，是較常用的防冰方式。防冰引氣作為航空發動機空氣系統的一部分，是航空發動機研制的關鍵技術之一，其對壓氣機性能影響的研究文獻很少，而相關研究主要集中在空氣系統對發動機熱力循環性能的影響［2］，以及換熱結構和空氣系統本身的分析等方面［3-4］。

對于壓氣機而言，可以通過引氣和噴氣對壓氣機內部流動進行控制，無論是在軸流壓氣機［5-9］還是離心壓氣機領域［10-13］都是研究熱點，包括流場結構、引氣位置和流量、噴氣位置和流量等。壓氣機中引氣對壓氣機流場的影響較為復雜，根據引氣位置、流量等關鍵參數的選取不同而對性能的影響有利有弊，而對于軸流-離心組合壓氣機的研究很少。在組合壓氣機中，由于引氣和噴氣會改變壓氣機級間參數，導致軸流各級和離心級工作在非設計折合轉速范圍，同時影響壓氣機各級進口流場，必然會引起壓氣機性能的變化。

本文以組合壓氣機為研究對象，在離心壓氣機輪緣某位置開槽引氣，在軸流進口導葉葉片表面開孔噴氣，研究此復雜的引氣、進氣環境對組合壓氣機性能和級間匹配的影響。

1　數值計算

1.1研究對象

本文的研究對象為某軸流-離心組合壓氣機，引氣位置為離心葉輪約3/4相對弦長位置輪緣處，形狀為環形槽。一部分防冰熱氣從進口導葉軸頸進入導葉內部，通過導葉吸力面近尾緣處沿葉高方向分布的3個矩形孔進入壓氣機主流道。組合壓氣機防冰引氣如圖1所示。

圖1　組合壓氣機防冰引氣

1.2網格模型

原始模型為某軸流-離心的組合壓氣機，為了驗證防冰引氣對組合壓氣機的影響，對其性能進行了全3維計算，采用NUMECA軟件的Autogrid模塊生成網格，每排葉片平均網格數在40萬以上（離心葉輪網格在100萬以上），并保證y+值小于10。

利用FINE/Turbo軟件對采用氣膜冷卻及抽吸氣技術的旋轉機械進行數值模擬，一般采用2種方法求解。1種是劃分氣膜孔或抽吸孔的網格后直接求解；另1種是源項法，即采用假設的方法，在葉片表面氣膜冷卻或抽吸位置相對應的網格點上添加質量源項、動量源項、能量源項，針對導葉表面噴氣，若建立氣孔、氣腔真實網格求解，網格劃分時間、網格規模、計算難度和求解時間將大大提高。為了節省時間和資源，在進氣導葉處采用源項法，即導葉吸力面近尾緣處分別在15%、50%及85%葉高位置添加源項來模擬防冰氣體的噴入，如圖2（a）所示。對于離心葉輪輪緣處放氣槽，將環形槽與離心葉輪輪緣面之間的滑移片拆分做轉靜交界面，環形槽的網格如圖2（b）所示。離心葉輪處的引氣，用來對進氣道支板和壓氣機進口導葉葉片內腔進行加熱（而進氣道支板不在本文研究的計算域內），即對進口導葉進行防冰的氣流流量僅為離心輪緣引氣流量的一部分，且進口導葉的氣流溫度低于引氣點引氣溫度。因此，引氣及噴氣部分不能組成1個完整的自循環模式，其對壓氣機性能的影響是獨立的。

圖2　防冰引氣處理方法

1.3計算方法

3維數值計算采用時間平均法求解控制方程組加湍流模型的數值模擬方法，選用Spalart-Allmaras一方程湍流模型來封閉上述方程組。采用守恒形式的有限體積法、中心差分格式進行空間離散，時間推進采用4步Runge-Kutta法，利用多重網格和隱式殘差均化對流動實施加速收斂，同時也節約了時間。

計算包括2個模型，即不帶防冰引氣系統的原始狀態組合壓氣機（以下簡稱“原始狀態”），以及帶離心引氣和進口導葉尾緣噴氣的防冰引氣狀態組合壓氣機（以下簡稱“防冰引氣”）。計算工質采用理想氣體，邊界條件設置為：進口給定總壓、總溫和進氣角，出口給定靜壓。每個葉片排計算單個通道，給定周期性的邊界，流固結合面給定固壁絕熱邊界。

計算通過逐漸加大組合壓氣機出口截面的靜壓獲得不同狀態點工況。計算得到原始狀態的性能曲線和流場結果。在防冰引氣的計算中，在相同背壓原始狀態計算結果中對應的離心葉輪近輪緣引氣位置獲取引氣溫度，從而設定相應的引氣量及導葉處的進氣量進行計算。隨壓氣機壓比的增大，防冰引氣的引氣量和進口導葉的噴氣量隨著離心外罩引氣位置的溫度升高而減少。

2　防冰引氣的影響分析

2.1性能計算公式

總壓比、效率和穩定裕度是衡量壓氣機性能的關鍵指標，因此，從這3方面對組合壓氣機的性能進行對比分析。

總壓比可表示為

文獻［14-15］分別對引氣及噴氣條件下的壓氣機效率進行了探究，并給出了相應的效率修正公式，但均不適用于本文防冰引氣的情況。為準確評估壓氣機在防冰引氣條件下的效率，需同時考慮引氣及噴氣共同工作的作用。將氣流分為主氣流、噴氣氣流及引氣氣流3部分來對式（2）進行修正。

壓氣機所需等熵壓縮功僅考慮主氣流，可表示為

壓氣機所需實際消耗功則需考慮主氣流、噴氣氣流及引氣氣流3部分，分別表示為

因此，帶防冰引氣的組合壓氣機的效率為

某折合轉速下壓氣機工作的穩定工作裕度SM為

為合理比較2種狀態下組合壓氣機性能的變化，定義第1級轉子進口截面為組合壓氣機進口截面，即不包括進口導葉部分。進口導葉處噴氣僅改變壓氣機的進口條件，故需對式（7）進行相應修正，修正公式為

圖3　流量-壓比特性

帶防冰引氣前、后壓氣機的性能特性對比如圖3～5所示（效率、壓比及流量均進行無量綱化處理）。從圖3、4中可見，采用防冰引氣后，壓氣機的堵點折合流量減少了約0.56%，這是由于部分引氣流量被用于進氣道的加熱而導致的；在整個流量范圍內，壓比及效率均有所降低；就近設計點而言，帶防冰引氣的壓氣機折合流量約減少0.5%，效率約降低0.78%，壓比約降低0.68%。從圖5中可見，防冰引氣使得組合壓氣機的性能整體略有降低。采用防冰引氣前、后壓氣機的穩定裕度降低了2.44%，說明防冰引氣使得組合壓氣機的穩定工作范圍明顯減小。

圖4　流量-效率特性

圖5　效率-壓比特性

2.2狀態比較

在防冰引氣狀態下，防冰熱氣從進口導葉吸力面近尾緣位置進入主流道，因此對第1級轉子的進口條件必然產生影響。由于進口導葉尾緣向主流道內噴氣而形成的出口流場如圖6所示。在2種狀態下的導葉出口總溫分布如圖6（a）所示，可見在導葉尾緣下游形成了高溫區。導葉出口的總壓分布如圖6（b）所示，可見在原始狀態下，由于葉片尾跡而產生了低壓區；在防冰引氣狀態下，由于近尾緣處噴入較高能量氣體，在葉片下游的對應位置形成了高壓區。

圖6　組合壓氣機進口導葉出口流場

根據計算結果得到的在防冰引氣狀態下參數的變化見表1，表中包括了軸流第1級轉子進口、離心壓氣機進口和組合壓氣機出口3個位置，其中近堵點、近工作點和近喘點均分別在相同背壓下進行比較。從圖6中可見，在進行防冰引氣之后，由于進口導葉噴入了高溫氣體，在各狀態下軸流第1級轉子進口總溫和總壓有所升高，折合轉速下降。

表1　防冰引氣造成的狀態變化

離心壓氣機進口總溫相對于原始狀態的均有不同程度的升高，從近堵點到近喘點溫度的增幅變大，近喘點溫度上升幅度最大，折合轉速降低的幅度也隨之變大。組合壓氣機出口的變化趨勢與離心進口的類似，總壓的變化相對較小。

3　壓氣機級間匹配特性分析

壓氣機進口導葉噴入高溫高壓氣體，導致第1級轉子前進口條件變化，軸流第1級（不包括進口導葉）的特性線變化情況如圖7所示。從圖中可見，由于原始狀態下堵點到喘點進口條件不變，因此折合轉速不變；在防冰引氣狀態下進口總溫升高，折合轉速減小，并且由于從堵點到喘點的過程中進口導葉防冰的噴氣熱量不斷減少，導致第1級轉子進口折合轉速持續變化。因此，在防冰引氣的影響下，第1級轉子由于進口總溫升高，折合轉速減小，壓氣機工作點向左移動，同時進口條件變化，穩定工作范圍明顯減小。防冰引氣狀態近喘點與原始狀態相同背壓點的折合流量有較大幅度減小，將導致第1級較原始狀態更早失速，減小了壓氣機的喘振裕度。值得注意的，由于折合轉速下降，防冰引氣狀態下近工作點的級效率有所提高。

軸流第2級的特性曲線如圖8所示。與第1級相同的是，堵點折合流量減少，近喘點壓比減小，喘振裕度減小。但是由于特性線左移，最高效率點左移，導致在近設計壓比點效率有所提高，如圖8（c）所示。

圖7　軸流第1級特性曲線（不包括進口導葉）

圖8　軸流第2級特性曲線

軸流第3級的特性曲線如圖9所示。與前2級不相同的是，在原始狀態和防冰引氣狀態下的軸流第3級進口折合流量幾乎一致，喘振裕度降低幅度較小。在防冰引氣狀態下的近設計壓比點效率略有減小，如圖9（c）所示。

圖9　軸流第3級特性曲線

整個軸流級（不包括進口導葉）的特性曲線如圖10所示。與前文所述的軸流前2級的特性趨勢基本一致，即堵點流量減小，喘振裕度減小，而近工作點壓比下的效率有所提高。

圖10　軸流級特性曲線（不包括進口導葉）

離心壓氣機的特性曲線如圖11所示。從圖中可見，由于軸流出口總溫的升高，離心壓氣機工作的折合轉速有所下降；在防冰引氣狀態下的堵點流量略有增加，壓比喘振裕度略有不足；由于離心葉輪輪緣位置存在放氣，因此離心級的效率為

圖11　離心壓氣機特性曲線

式中：Pr為離心壓氣機壓比；Tin、Tb、Tout分別為離心壓氣機進口截面、離心葉輪外罩引氣處及離心壓氣機出口截面的總溫，K；Gb、Gout分別離心葉輪外罩引氣處及離心壓氣機出口截面的物理流量，kg/s。由此可見，防冰引氣的離心壓氣機隨著流量的減少，效率相對與于原始狀態降低得更加明顯。

5　結論

通過3維數值模擬計算，對防冰引氣條件下的組合壓氣機各級特性與原始狀態進行了比較，分析了軸流各級和離心級的性能和匹配關系變化，得到如下結論：

（1）在整個流量范圍內，防冰引氣使得壓比及效率均有所降低，并且組合壓氣機的穩定裕度減小了2.44%。

（2）在防冰引氣狀態下，進口折合流量有所減少，軸流轉子前折合轉速略有下降，軸流壓氣機作功能力減弱，但從近堵點到近工作點效率有所提高。

（3）不包括進口導葉的軸流第1級特性變化較為明顯，流量范圍明顯減小，可能是造成整個組合壓氣機在防冰引氣狀態下喘振裕度減小的主要原因。軸流第3級特性變化較小。

（4）離心壓氣機受防冰引氣的影響，折合轉速降低，但堵點流量有所增加，喘振裕度略有減小，近工作點到近喘點的效率明顯降低。

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（編輯：張寶玲）

Numerical Simulation Investigation on Influence of Anti-icing Bleed on Performance of Combined Compressor

HE Dan，LI Du，ZHANG Jin-lun，ZOU Xue-qi
（Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou China 412002）

In order to research the influence of the anti-icing system on the performance of axial-centrifugal combined compressor，the internal flow field and the variation of inter-stage matching relation，taking the combined compressor with anti-icing system as research object，bleeding by opening slot at about 3/4 relative chord position flange of centrifugal impeller for a centrifugal compressor，injecting air by making holes on vane blade surface of axial flow inlet，the three-dimensional numerical simulation of the combined compressor was carried out and the comparison between the combined compressor with and without the anti-icing system was performed.The results show that the anti-icing system causes the degeneration of compressor performance and stall margin.Due to the decline of corrected rotation speed，the efficiency of the first and second axial stage is increased but the stall margin is decreased.The performance curve of the centrifugal compressor is moved towards low mass flow，the efficiency and the steady operation range are reduced.

combined compressor；anti-icing bleed；air injection；numerical simulation；aeroengine

V 211.6

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.011

2016-03-08

賀丹（1988），女，從事壓氣機氣動設計工作：E-mail：676439801@qq.com。

引用格式：賀丹，李杜，張錦綸，等.防冰引氣對組合壓氣機性能影響的數值模擬研究［J］.航空發動機，2016，42（4）：63-68.HEDan，LIDu，ZHANGJinlun，et al.Numericalsimulationinvestigationoninfluenceofanti-icingbleedonperformanceofcombinedcompressor［J］.Aeroengine，2016，42（4）：63-68.