兩種不同靜子結構對某組合壓氣機氣動性能影響分析

趙振國 韋威 楊華斌

摘 要：本文以某組合壓氣機為研究對象，從軸流末級靜子懸臂和帶內環兩種結構形式入手，數值研究了兩種結構形式對組合壓氣機氣動性能的影響。結果表明：懸臂和帶內環兩種結構形式對軸流末級靜子性能的影響主要是葉尖間隙泄漏流。懸臂結構可使組合壓氣機穩定工作范圍得到較大的擴展，對組合壓氣機總體性能的影響幅度不大。輪轂旋轉對組合壓氣機的穩定工作范圍的影響很小。

關鍵詞：靜子結構;組合壓氣機;氣動性能;影響;分析

自上世紀五十年代成功地用于驅動直升機飛行以來，渦軸發動機因其獨特的優點逐漸成為了現代軍用和民用直升機的主要動力裝置。經過了大半個世紀的發展，渦軸發動機的性能獲得了巨大的改善[1，2]。作為渦軸發動機的核心部件之一，壓氣機性能的好壞直接影響了整臺發動機的性能指標。目前中大功率和高壓比渦軸發動機壓氣機的典型結構形式是軸流-離心組合壓氣機，這種結構形式結合了軸流級大流量、流道平緩、高效率的特點和離心級寬穩定工作范圍、單級壓比高、零件數少的特點[3-5]。為了保證軸流-離心組合壓氣機達到足夠的增壓比，離心級需要有較強的做功能力，這就要求軸流級末級流道下壓，以降低離心葉輪進口輪轂半徑。由于軸流級末級靜子的附面層較厚，流道下壓會進一步增大末級靜子的擴壓度，容易加劇末級靜子的流動分離，導致壓氣機失穩。因此對于軸流-離心組合壓氣機，如何有效控制軸流末級靜子內的流動和延緩端區流動分離，具有一定的研究意義。

軸流-離心組合壓氣機軸流末級靜子的結構形式一般有懸臂和帶內環兩種結構形式。本文以某組合壓氣機為研究對象，從軸流末級靜子結構形式入手，數值研究了兩種不同的靜子結構形式對組合壓氣機氣動性能的影響，為今后類似組合壓氣機的設計提供一定的參考依據。

1研究對象與研究方法

本文研究對象為某三級軸流加一級離心（3A1C）組合壓氣機，末級靜子分別采用懸臂結構和帶內環結構，其示意圖如圖1所示。除了圖示結構形式的不同外，末級靜子的葉型和流道保持一致，組合壓氣機其余部分的葉型和流道也保持一致。

末級靜子采用懸臂結構和帶內環結構，盡管葉型和流道相同，但由于懸臂結構靜子葉尖存在間隙，且輪轂面隨著轉子一起旋轉，二者在端區流動上會存在較大的差異[6-8]。因此本文分別從葉尖間隙和輪轂旋轉兩個方面數值研究了兩種結構形式對組合壓氣機流場和性能的影響。

本文數值模擬研究采用CFX13.0軟件，計算域包括軸流級和離心級共十排葉片，采用TurboGrid13.0生成六面體結構化網格，定常計算求解三維Navier-Stokes方程組，差分格式采用高精度格式，湍流模型采用K-epsilon模型。為了使計算分析更具有可比性，本文各算例計算網格均采用相同的網格模板生成，網格拓撲結構和網格密度均保持一致，計算邊界條件亦保持一致。

2數值計算結果與分析

2.1葉尖間隙對組合壓氣機氣動性能的影響

本文首先數值模擬了末級靜子葉尖無間隙和有間隙兩種情況下組合壓氣機設計轉速下多個工況的流場。圖2為兩種情況下末級靜子總壓恢復系數曲線，圖3為組合壓氣機流量-壓比特性，圖中曲線右側第一個點對應的工況為設計工況。為便于比較，本文均各性能參數均采用相對值表示，即計算值與設計指標的比值。

從圖3可以看出，對于該3A1C組合壓氣機，葉尖有無間隙對末級靜子總壓恢復系數存在較大的影響，在設計點附近，葉尖有間隙以后末級靜子總壓恢復系數下降了0.22%。從圖4可以看出，兩種情況下組合壓氣機流量堵點流量基本重合，設計點流量和壓比相差均在0.1%以內，因此可以認為組合壓氣機設計點性能基本相同。這是由于末級軸流壓氣機所承擔的負荷在組合壓氣機總負荷中占比較小，末級靜子總壓恢復系數的改變對組合壓氣機的影響不大。但是葉尖有間隙以后，組合壓氣機喘振裕度提高了8.8個百分點，因此可以認為，末級靜子對裕度的貢獻比對性能更顯著，采用懸臂結構的末級靜子由于葉尖間隙的存在，使組合壓氣機穩定工作范圍得到了擴展。

圖4-圖5為兩種情況下組合壓氣機末級靜子葉尖無間隙的近喘點、末級靜子葉尖有間隙在相同壓比下的葉片尖部流場和葉片吸力面極限流線圖。圖中可以看出，葉尖有間隙時，在間隙區形成了由葉片壓力面流向葉片吸力面的間隙泄漏流，這股氣流吹散了靜子角區堆積的低能流體團，緩解了靜子尖部的角區分離，從而延緩了壓氣機的旋轉失速，擴大了穩定工作范圍。

2.2輪轂旋轉對組合壓氣機氣動性能的影響

當末級靜子采用懸臂結構時，由于其輪轂一般采用間隔環的連接形式，通過過盈配合固定在末級轉子盤和離心葉輪盤之間，此時末級靜子的輪轂流道會隨著轉子同轉速同方向的旋轉。因此本文數值模擬和分析了末級靜子輪轂旋轉對組合壓氣機氣動性能和靜子角區流場的影響。

圖6為末級靜子采用懸臂結構時輪轂旋轉和靜止兩種情況下末級靜子總壓恢復系數曲線，圖7為組合壓氣機流量-壓比特性。從圖6可以看出，輪轂旋轉時末級靜子總壓恢復系數比輪轂靜止時增大了0.16%。從圖7可以看出，末級靜子輪轂旋轉可以使組合壓氣機效率有一定的提升，對組合壓氣機喘振裕度影響幅度很小，二者基本持平。

圖8、圖9為末級靜子輪轂旋轉和輪轂靜止時近喘點尖部流場和吸力面極限流線。圖中可以看出，輪轂旋轉對給了靜子輪轂面上氣流一個速度，與葉尖間隙泄漏流的速度方向相反，一定程度上抑制了葉尖間隙泄漏流，減小了近設計點處末級靜子葉尖的二次流損失。由于輪轂旋轉，組合壓氣機效率有所提升，但是靜子角區低能流體的堆積有所加重。綜合來看，輪轂旋轉對組合壓氣機氣動性能的影響較為微弱，占次要地位，懸臂靜子產生的影響還是以葉尖間隙泄漏流為主。

3結束語

本文以某3A1C組合壓氣機為研究對象，從軸流末級靜子懸臂和帶內環兩種結構形式入手，數值研究了兩種結構形式對組合壓氣機氣動性能的影響，得出的結論如下：

（1）懸臂和帶內環兩種結構形式對軸流末級靜子性能的影響主要是靜子葉尖間隙泄漏流和輪轂旋轉所產生的影響，以葉尖間隙泄漏流的影響為主;

（2）末級靜子對裕度的貢獻比對性能更為顯著，采用懸臂結構的末級靜子由于葉尖間隙的存在，使組合壓氣機穩定工作范圍得到了顯著的擴展;

（3）輪轂旋轉對組合壓氣機穩定工作范圍的影響很小。

參考文獻：

[1] 胡駿，吳鐵鷹，曹人靖. 航空葉片機原理[M].北京：國防工業出版社，2006，1-5.

[2] 雷新國，周輝華，張媛.我國民用渦軸發動機的發展研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2016，29（4）：57-62.

[3] 銀越千，金海良，陳璇.渦軸/渦槳發動機壓氣機流動特點與發展趨勢[J].航空學報，2017，38（9）：1-16.

[4] 高麗敏，高磊，祝啟鵬.軸流/離心組合壓氣機一體化設計及數值模擬[J].風機技術，2016，（4）：41-49.

[5] 陳云永，劉波，曹志鵬，馬聰慧.軸流離心組合壓氣機性能及流場分析[J].推進技術，2007，28（4）：356-361.

[6] 田江濤，吳艷輝，李清鵬，楚武利，張皓光.靜子輪轂角區失速與間隙流動相互作用機理分析[J].工程熱物理學報，2011，32（12）：2034-2039.

[7] 張晨凱，胡駿，王志強，高翔.軸流壓氣機轉子葉尖間隙流動結構的數值研究[J].航空學報，2014，35（5）：1236-1245.

[8] 余春華，蔣洪德，袁巍，李紹斌.輪轂旋轉對環形葉柵角區流場的影響[J].航空動力學報，2012，27（12）：2792-2798.

作者簡介：

趙振國（1989—），男，漢族，江蘇徐州人，碩士研究生，工程師，現就職于中國航發湖南動力機械研究所，研究方向：壓氣機氣動熱力學。