噴水對風扇壓氣機性能的影響

薛文鵬， 望 佳， 孫 科

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

現代飛機要求在惡劣氣候條件下能安全飛行，在所有較為惡劣的氣候中，雨霧天氣最為常見，并且吸入對航空發動機的影響也最為明顯。飛機在起飛和降落時，航空發動機來流空氣流量較小，若此時雨水進入航空發動機，勢必會對航空發動機造成極大的影響。民用飛機在航線飛行中難免會遇到降雨、冰雹等復雜惡劣的天氣，飛機如果遭遇這類惡劣環境，其配裝的發動機將很有可能吸入外物，進而影響其進氣道流場、發動機的強度和性能。在航空飛行史上曾多次發生由于飛機吸雨導致的嚴重空難。因此各國的航空發動機適航審定標準都對發動機的抗吸雨工作能力做了明確規定，美國聯邦航空局(FAA)和歐洲航空安全局(EASA)均頒布了關于吸雨的適航規定[1-3]，對極端雨量環境下發動機的性能和結構強度完整性提出了安全要求。任何一款新研民用航空發動機裝機前必須取證，以表明滿足相關條款的要求。

航空發動機吸入水汽或水滴后，會對航空發動機產生較大影響，嚴重時甚至有可能導致壓氣機喘振、燃燒室熄火等安全問題[4]。所以，研究噴水對于風扇性能的影響是很有必要的。

美國和歐洲的航空工業協會、各發動機制造廠商以及各大高校均開展了許多關于極端雨量環境條件下發動機功率損失和不穩定現象的研究。其中，美國普渡大學Murthy教授等[5]對于發動機來流含水時的性能做了詳細的研究，并對ALLSON T63六級壓氣機的吸水性能做了全面的試驗研究，并利用程序結果對試驗的準確性進行了驗證。此后，美國空軍基地、NASA和美國航空工業相關的科研院所[6-12]都對發動機吸雨性能展開了研究，并取得了一定的成果。國內對于壓氣機噴水的研究較少。近年來，國內也加強了對噴水的研究。曠桂蘭[13]和邢洋[14]等也對此進行了研究，陸續開展航空發動機的吸雨試驗考核驗證，以確定發動機抵抗吸雨的能力，確保發動機在降雨條件下的可靠運行。

針對某四級風扇壓氣機，首先分析了其在非設計工況下的特性，其次研究了在來流含小水滴、大水滴或是混合水滴時，風扇壓氣機的性能變化，獲取不同工況下風扇的特性，分析不同雨滴吸入條件對風扇壓比和效率的影響，為分析風扇在吸雨條件下的工作性能分析提供支撐。

1 程序算法分析

本文在一維級疊加法的基礎之上，采用平均流管的方法，計算壓氣機的性能參數。當壓氣機來流不含水時，假定來流氣體是一維定常的，并且其滿足理想氣體狀態方程的條件下，計算風扇壓氣機的壓比、效率、損失系數等。當來流含水時，將損失模型加入到來流不含水的算法中，便可以計算出來流含水時壓氣機的性能。

1.1 來流不含水的算法分析

當來流不含水時，假設來流無粘、絕熱、一維定常流動，并且滿足理想氣體狀態方程。運用基本理論導出風扇壓氣機的壓比、效率。

由于已知壓氣機進口總溫和總壓，利用速度三角形的幾何關系，可以循環迭代得到壓氣機的進口馬赫數Ma，利用進口馬赫數和速度三角形關系，循環迭代得到氣流在轉子出口的軸向速度Vz2。最后計算轉子出口氣流總壓P02。

(1)

式中，P2為靜壓；M2為出口氣流馬赫數；γ為氣體比熱比。

靜子進出口總壓P03與轉子出口氣流總壓之間的關系可以表述為

(2)

則各級的增壓比π可以表示為

(3)

各級的效率η可以表示為

(4)

通過以上過程的迭代計算，便可以得到給定的風扇壓氣機某一級的性能參數，通過逐級計算便可以得到整臺壓氣機的性能參數。

1.2 來流含水的算法分析

對于航空發動機軸流壓氣機來說，當來流為兩相流時，由于壓氣機的工質發生了變化，壓氣機的特性也較來流為單一氣相流體時會有較大的不同。

1.2.1 質量和熱量傳遞

在吸雨情況下，蒸發量由液滴表面和氣流之間的濃度表示為

(5)

式中，ml為液體的質量；d為液滴的直徑；D為擴散系數；vd，v∞分別為液體的濃度和自由流的濃度。

(6)

(7)

努塞爾數(Nu)可以表示為

Nu=2+0.6×Re0.33×Pr0.33

(8)

式中，Re為雷諾數；Pr為普朗特數；可表示為

(9)

式中，μ為動力黏度。

1.2.2 液滴軌跡模型

氣體中液滴運動可以用拖曳力FD表示，忽略重力、浮力影響：

(10)

式中，d為液滴的直徑；ρ為液滴的密度；cd，cg分別為液滴和氣流的速度。考慮液滴變形的影響，阻力系數CD可表示為

(11)

式中，a1，a2，a3，a4為液滴形狀和雷諾數Re的函數[15]。

1.2.3 液滴破裂

水滴在氣流中運動，液滴破裂取決于韋伯數We和奧內佐格數Oh。這兩個參數都可以用來表征水滴受到的氣動載荷。

(12)

(13)

韋伯數表示氣動力與液滴表面張力之間的關系，而奧內佐格數考慮黏度的影響。液滴不同的破碎機制取決于韋伯數和奧尼索格數[16]。

1.3 水滴直徑分布分析

對于航空發動機軸流壓氣機，當來流含水時，水滴直徑的大小對于其在壓氣機內部的運動形式有著一定的影響。所以本文研究中，將水滴分為兩類：小水滴和大水滴。小水滴在進入發動機后，隨著氣體一起流動，并且兩者之間沒有相對運動，其直徑的數量級大約在10 μm左右。對于大水滴來說，可以在壓氣機內部獨自運動，其數量級大約在1000 μm左右。

2 程序輸入參數的整理

2.1 幾何參數的整理

對于某四級風扇壓氣機，首先建立其三維模型，如轉子入口處根部半徑、轉子入口處葉尖半徑、靜子入口處根部半徑、靜子入口葉尖半徑、轉子級之間的間隙、靜子級之間的間隙等。利用中徑處葉片的前后緣坐標參數，通過計算得到轉子安裝角、靜子安裝角、轉子弦長、靜子弦長等幾何參數。利用參數化擬合得到風扇轉子進口幾何角、轉子出口幾何角、靜子進口幾何角、靜子出口幾何角等參數。由于此四級風扇壓氣機后兩排葉片為串列靜子，為了簡化計算過程，串列靜子在不改變其進口幾何角、出口幾何角、安裝角等幾何參數的前提下，將其參數化為一排葉片。該四級風扇壓氣機的幾何模型如圖1所示。

2.2 設計點狀態參數的整理

根據該四級風扇壓氣機的進口條件(進口總壓為101325 Pa，進口總溫為288.15 K)和設計狀態下的參數，設計點壓比πdes，設計點流量Wa,des。根據建立的仿真模型計算該風扇從第一級到第四級的轉子壓比分別為πdes，1，πdes，2，πdes，3，πdes，4，級效率分別為ηdes，1，ηdes，2，ηdes，3，ηdes，4。靜子出口絕對氣流角(度)分別為αdes，1，αdes，2，αdes，3，αdes，4。由此可知該風扇壓氣機的總壓比為πdes,sim，來流空氣質量流量為Wa,des,sim。

經與設計點參數對比，設計點壓比的仿真精度為1.2%，流量仿真精度為1.8%，可以認為該誤差符合工程應用的場景，因此采用上述模型進行雨滴吸入對風扇性能的影響。

3 來流不同時壓氣機性能分析

3.1 來流不含水時壓氣機性能分析

為了獲取該風扇在來流為干空氣時的特性，采用上述模型對來流不含水的工況進行仿真，該四級風扇壓氣機在給定設計轉速的100%，95%，90%，85%，80%，75%的工況下的部件特性如圖2所示。

圖2 風扇壓氣機的總特性圖

由圖2可知，隨著轉速的降低，風扇等換算轉速向坐標系的左下方移動。對某一等轉速線，壓比、效率變化梯度均較大，微小流量變化就會引起特性的劇烈變化。當流量減小時，壓比會迅速增大，當壓比增大到某一值時，流量的減小對壓比的影響較小，若流量持續減小，壓氣機就會進入不穩定工況，甚至引起喘振和失速。而對于某個轉速下的流量效率曲線，隨著流量的減小，風扇壓氣機的效率先增大后減小，若流量繼續減小，則風扇壓氣機會進入不穩定工況。

3.2 來流含小水滴時壓氣機性能分析

采用數值計算方法對來流含有小水滴的工況進行計算，當來流含1%的20 μm、2%的20 μm的小水滴時的風扇特性與來流僅為空氣時的特性對比圖如圖3所示，圖中對應的換算轉速分別為100%，95%，90%，85%，80%，75%。

圖3 來流含1%20μm小水滴與來流為空氣的特性對比

由圖3可知，不同來流工況對于風扇的壓比、效率、流量等都有一定的影響。當來流含有2% 20 μm的小水滴時，在各恒定風扇轉速下，風扇壓氣機的壓比下降最大約1.4%，效率降低最大約3.9%，而風扇壓氣機的進口流量卻略有增加。

此外，隨著風扇來流含水量的增加，壓比和效率略有降低，同時風扇壓氣機的可工作范圍會變窄。當來流含水量增加至2%時，壓氣機在100%，95%設計轉速下可工作范圍顯著減小。

3.3 來流含大水滴時壓氣機性能分析

采用數值計算方法對來流含有大水滴的工況進行計算，來流含有1%和2%的600 μm的大水滴的風扇特性與來流僅為空氣時的特性對比如圖4所示。由圖可知，當來流含大水滴時，壓氣機的壓比和效率顯著降低，壓力降低約6.1%，效率降低約10.7%。同時，隨著來流大水滴的含水量增加時，壓氣機在高轉速下的可工作范圍顯著變小，當來流含水量繼續增加，壓氣機有可能在高轉速下出現工作失穩。

圖4 來流含1%和2%大水滴對于壓氣機性能的影響對比

3.4 來流含混合水滴時壓氣機性能分析

在實際的飛行中，風扇壓氣機吸入的水滴不可能僅僅是小水滴或者大水滴，而必然是兩者的混合物，因此研究混合水滴對于風扇壓氣機性能的影響至關重要。采用數值計算方法對來流為混合水滴的工況進行計算，來流含有0.5% 20 μm的小水滴和0.5% 600 μm的大水滴、1% 20 μm的小水滴和1% 600 μm大水滴與來流為空氣工況下對風扇的性能影響如圖5所示。由圖5可知，來流含混合水滴對于壓氣機的影響與來流含大水滴的影響類似，壓力下降約5.5%，效率降低約8.6%，在高轉速下，壓比和效率降低更加顯著。當含混合水滴的量增加時，壓氣機壓比和效率顯著降低，并且在100%轉速下出現工作異常。

3.5 來流水滴直徑對于壓氣機的性能影響

壓氣機的性能可能受到水滴直徑的影響，來流含有2% 20 μm的小水滴、2% 600 μm的小水滴對風扇特性的影響如圖6所示。由圖6可知，水滴直徑對風扇的特性影響比較顯著，當水滴直徑從20 μm增加值600 μm時，風扇壓比降低約4.8%，效率降低約8.2%，來流小水滴的直徑變化時，隨著來流水滴直徑的增大，風扇的壓比和效率顯著降低。

圖5 混合水滴時壓氣機性能對比圖

圖6 小水滴直徑變化對風扇的性能影響對比

3.6 來流空氣相對濕度對壓氣機的性能影響

為了明確來流空氣相對濕度對于風扇特性的影響，在來流含有1% 20 μm小水滴的前提下，對來流空氣相對濕度分別為50%和100%工況下，計算風扇特性變化，如圖7所示。由圖可知，當空氣的相對濕度變化時，風扇特性基本不變。在來流含有大水滴或者混合水滴時，來流空氣相對濕度對于風扇壓氣機的性能幾乎沒有影響。

圖7 相對濕度時壓氣機性能對比

4 結論

筆者對來流含有不同含水量的小水滴、大水滴、混合水滴和相對濕度的工況下風扇特性仿真計算，獲取不同工況下風扇的特性。通過上述研究，可以得到如下結論。

① 對于小液滴、大液滴和混合液滴，當壓氣機入口來流含水時，風扇的壓比和效率均明顯降低，且隨著含水量的增加，風扇壓比和效率降低的水平更為顯著。

② 對于相同含水量的不同水滴直徑，隨著來流水滴直徑的增大，風扇的壓比和效率顯著降低。空氣相對濕度的變化對風扇特性影響并不顯著。

③ 通過研究分析在吸雨條件下，研究不同雨滴吸入條件對風扇壓比和效率的影響，為分析風扇在吸雨條件下的工作性能分析提供支撐，為發動機吸雨試驗開展提供安全指導。

④ 僅在吸雨條件下對風扇的特性進行了計算，并未對發動機整機的性能進行評估，后續可繼續開展吸雨后對發動機壓氣機、燃燒室以及渦輪等部件性能的計算，完成吸雨對發動機整機性能的影響計算和評估。