進氣道與壓氣機進口級一體化仿真研究

摘 要：本文針對某渦槳發動機開展進氣道與壓氣機一體化數值仿真研究。為了研究大S彎進氣道復雜進氣條件對軸流壓氣機進口級性能、穩定性的影響，采用了包含S彎進氣道及低壓壓氣機進口級的全通道定常計算方法。通過研究，揭示壓氣機在非均勻進出口條件下的流動機制，探索該環境下內部流場與葉片載荷的分布規律，指導進氣道、壓氣機的改進優化設計，進而提高壓氣機穩定性和可靠性.

關鍵詞：渦槳發動機;S彎進氣道;軸流壓氣機;畸變

提對飛機進氣道/發動機（進/發）相容性匹配問題的研究主要包括兩個方面：一是對發動機氣動性能方面的影響，即發動機對進氣畸變的氣動響應問題;二是對發動機結構完整性方面的影響，即發動機對進氣畸變的結構響應問題。進氣畸變會影響發動機的性能、可操縱性和耐久性，造成推力損失、穩定裕度損失并伴隨著潛在的喘振、旋轉失速甚至熄火，還會因高循環疲勞（HCF）而導致風扇和壓氣機壽命減少，進氣道與發動機的相容性匹配問題是影響飛機研制周期的關鍵因素，而進氣道與發動機相容性評定中最核心的工作內容是發動機氣動穩定性的評定。本文開展渦槳發動機進氣道對壓氣機氣影響的研究，通過該研究，揭示進氣畸變條件下壓氣機的性能變化規律。

1研究對象

如下圖1所示為本文研究對象，由S彎進氣道及某多級軸流壓氣機的進口級組成。本文研究的工況為進氣道后方的出口處于封閉狀態。

1.1 計算網格

該進氣道為環繞型S彎進氣道，出口帶有導流板，后接某低壓壓氣機進口級，由于該S彎進氣道結構復雜，尤其是出口處的導流板不是周向均布的，且各導流板的安裝角度也不一樣，若采用結構化網格劃分方法非常困難，因此決定采用非結構化網格生成方法，后面的壓氣機采用結構化網格。為盡可能模擬流場的細節特征，網格劃分時保證y+<2，整個進氣道的總網格量約為1840萬。

雖然目前的計算條件有了很大改善，但是仍受計算資源和硬件條件的限制，目前可用的計算資源僅能承受進氣道+單級壓氣機全環仿真，該單級壓氣機帶有前導葉，保證y+<2，第一層網格厚度為0.001mm，單通道網格量約為100萬，全環網格量為2150萬。

1.2主要仿真設置

進氣道/壓氣機一體化仿真的目的是模擬真實工作環境下的壓氣機工作狀態，而進氣道往往會產生強烈的旋流和總壓畸變，雖然該S彎進氣道帶有導流板，但是仍不能完全消除旋流和畸變的影響，而通常我們的數值計算時只在壓氣機進口給定均勻的進氣條件，這與實際是不符的，而進氣道/壓氣機一體化仿真正是體現了這一模擬真實工作環境的優勢。進口邊界條件按照標準大氣設置，考慮到流場中會出現一定的分離流，故而采用對逆壓梯度流場分離有較高準確度的低雷諾數SST湍流模型。進氣道出口與壓氣機進口交界面采用凍結轉子連接。壓氣機轉靜子交界面采用混合平面連接。

2 仿真結果分析

本文章對進氣道/壓氣機一體化定常仿真并進行了分析。模擬了設計轉速下從堵點到喘點過程中進氣道與第一級壓氣機流場的變化情況，并與不帶進氣道的單級壓氣機模擬結果進行對比。

圖2所示為設計點不同截面位置處的總壓分布云圖，由圖可以發現進氣道進口處的流場很均勻，到壓氣機進口處就有很強的總壓畸變。由圖3所示速度流線圖也可以發現總壓畸變明顯的地方出現了明顯的渦。

圖4為計算結果與不帶進氣道單通道計算結果特性圖對比。由特性圖可以發現S彎進氣道對壓氣機的效率及裕度都有一定負面影響。下面對帶/不帶進氣道壓氣機部分流場進行對比分析。

帶進氣道壓氣機的進氣道出口截面即為導葉的進口截面，在經S型進氣道后氣流發生畸變，進氣道出口截面（導葉進口）總壓、速度矢量分布和65%和95%截面周向氣流角分布分別如圖5、6所示。可以看到經過S型進氣道后氣流發生了畸變，導葉進口總壓分布變得不均勻，進氣道出口截面出現8個由支板尾跡導致的低壓區，產生較強的總壓畸變;進氣道出口截面速度矢量分布也有明顯旋流畸變，尤其是頂部區域的畸變強度最大;如圖6所示（對應圖5中九點鐘方向定義為0°，十二點鐘定義為90°，沿順時針方向依次類推）從進氣道出口65%和95%截面周向氣流角分布也可以明顯看出，周向角度為90度左右時氣流角波動最明顯。由以上分析可以發現與進氣道結構相對應，在90°位置處由于左右兩邊流道在此匯合，引起強烈的氣流非定常性，故而造成此處氣流角波動最為強烈。而已知不帶進氣道壓氣機的進口條件是均勻分布的，顯然兩者的進口條件出現很大差異，因而導致其計算結果存在顯著差異。

前三個圖從壓氣機進口條件的差異角度進行對比，下面進一步對比帶/不帶進氣道時壓氣機不同葉高處相對馬赫數分布對比，如下面7所示，其中左圖為帶進氣道，右圖為不帶進氣道計算結果。可以發現兩者差異明顯，不帶進氣道時壓氣機導葉均勻進氣，無分離現象;而帶進氣道時壓氣機根部5%截面的部分周向位置出現了嚴重分離，50%和95%截面也類似，帶進氣道的工況下，導葉出現了一定程度分離，而均勻進氣工況的導葉則無分離。此外50%截面因為輪轂與機匣面，較少受到邊界層干擾，故而導葉分離情況較5%及95%葉高輕微。

由上述分析可知，可以看到帶/不帶進氣道的壓氣機特性差異非常明顯，說明氣流經進氣道后產生旋流畸變，對壓氣機性能造成負面影響。

3結論

本文以某渦槳發動機的進氣道與壓氣機進口級作為研究對象，對比研究了S彎進氣道對壓氣機的性能影響，得出了以下結論：

（1）S彎進氣道在來流均勻的情況下仍會造成壓氣機進口的流場總壓畸變;

（2）S彎進氣道在來流均勻的情況下仍會造成壓氣機進口的氣流角畸變;

（3）S彎進氣道會對壓氣機的效率以及裕度造成負面影響;

（4）在壓氣機設計的初始階段就應該考慮進氣道的影響，以避免后期性能退化及裕度不足。

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作者簡介：

吳俊峰（1988—），男，漢族，湖北黃岡人，碩士，工程師，研究方向：壓氣機氣動設計及穩定性。