導葉角度異常偏開對下游轉子葉片氣流激勵的影響

汪松柏，張少平，李春松，王全奇

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

壓氣機導葉角度調節(jié)是針對航空發(fā)動機非設計工況性能優(yōu)化的一種主動控制技術。通過采用合適的控制系統(tǒng)旋轉導流葉片，控制其出口氣流角度，使下游轉子來流攻角處于或接近最佳攻角，從而提高壓氣機氣動性能和穩(wěn)定裕度，解決發(fā)動機中、低轉速的起動和加速問題，避免發(fā)動機發(fā)生喘振。

壓氣機導葉調節(jié)機構目前大多采用空間連桿機構，主要由聯(lián)動環(huán)、曲柄、搖臂、作動筒等組成。壓氣機可調導葉安裝角調節(jié)時，可能出現某個葉片安裝角調節(jié)機構卡死、不歸位故障或因零件變形等引起調節(jié)角度異常[1]。可調導葉在裝配過程中的誤操作或調節(jié)機構控制系統(tǒng)故障，也會引起某個或某些葉片安裝角出現異常偏開現象，造成壓氣機流動堵塞[2]，破壞流場周期性，嚴重影響壓氣機氣動性能及葉片疲勞強度[3-4]。因此，深入研究壓氣機導葉角度異常對下游轉子葉片氣流激勵的影響機理，對于提高發(fā)動機的可靠性和安全性具有重要的意義。

針對壓氣機導葉角度異常問題，國內外已公開的研究結果相對較少。李曉麗等[5]采用流線曲率方法對多級軸流壓縮機葉片安裝角變化前后的氣動性能進行了詳細分析，表明加工誤差引起的安裝角變化對壓比和效率有明顯影響。向宏輝等[6]通過梳理200 余次性能試驗的完整歷程，發(fā)現部分導葉調節(jié)機構失效后，除導致壓氣機總體氣動特性線位置發(fā)生偏移和流場惡化外，還會使得下游流場擾動加劇，產生嚴重畸變，最終導致壓氣機氣動性能與穩(wěn)定性惡化。張國臣等[7]研究了壓氣機進口導葉安裝角異常對壓氣機氣動性能和葉片表面非定常氣動力的影響。Vahdati 等[8]對2.5 級壓氣機靜子葉片排某個葉片安裝角異常進行了振動模態(tài)分析，結果表明當靜子葉片安裝角調節(jié)25°后該葉片壓力面流場惡化，引起下游轉子吸力面和壓力面均出現較大尺度的附面層分離，但對具體流動細節(jié)沒有進行詳細研究。

本文采用非定常數值方法，模擬兩級跨聲速壓氣機全環(huán)非定常流場，其中進口導葉1 片葉片相對正常調節(jié)角度偏開20°，用來模擬發(fā)動機裝配時進口導葉產生的異常偏差。重點研究了進口導葉1片葉片調節(jié)角度異常偏開20°時對壓氣機氣動性能和下游轉子葉片氣流激勵的影響。

2 計算模型與邊界條件

2.1 物理模型及網格

數值模擬以兩級跨聲速壓氣機為研究對象，計算模型由進口導葉、1級轉子、1級靜子和2級轉子組成。計算域所有葉排均采用全環(huán)模型，模型中相同通道幾何通過周向復制而成。其中，進口導葉有1片葉片相對正常調節(jié)角度偏開20°以模擬發(fā)動機裝配時某個進口導葉產生的異常偏差，其余導葉角度均為正常調節(jié)角度。葉柵通道空間網格離散利用IGG/AutoGrid5生成，采用H-O型結構化網格，進、出口延伸段均為H 型網格，葉片通道采用O 型結構化網格。轉子葉頂間隙采用蝶形拓撲結構，間隙內網格層數為9。近壁面第1層網格約為8×10-6m，無量綱參數Y+≈1，沿壁面法向網格擴張因子為1.1，網格總節(jié)點數約為8 000 萬。S1 流面部分網格如圖1 所示，圖中紅圈位置葉片為角度異常偏開進口導葉。

圖1 兩級壓氣機S1流面部分網格圖Fig.1 The grids of S1 stream surface of two-stage compressor

2.2 湍流模型及邊界條件

采用商用軟件CFX 對雷諾平均N-S 方程進行求解，湍流模型采用對葉輪機分離流動預測具有較好精度的k-ω SST 模型[9-11]。非定常流場計算以定常計算結果作為初場迭代，選取第1 級轉子單個通道旋轉1 周所用時間為1 個周期(T)，每個周期包含20 個物理時間步長，非定常時間步長為3.945 5×10-6s。流體域計算的邊界條件為：導葉進口氣動條件給定總溫和總壓，進氣方向為軸向進氣，湍流度為5%；計算域出口采用簡單徑向平衡方程，設置平均靜壓；固體邊界采用絕熱壁面、無滑移邊界條件，轉子域給定旋轉速度。非定常流場計算時，轉靜交界面選取動靜葉滑移邊界(Transient Rotor-Stator)；氣動性能定常計算時，轉靜交界面選取周向平均的混合平面(Stage)。

3 計算結果與討論

3.1 導葉角度異常偏開對氣動性能的影響

非定常模擬只針對一個工況點進行分析，具體工況點見圖2。采用定常方法對進口導葉角度正常和進口導葉1 片葉片偏開20°兩種全環(huán)模型下的壓氣機氣動性能進行計算，結果對比如圖2 所示。從圖中可以看出，當進口導葉1 片葉片異常偏開20°后，壓氣機總體氣動特性線向左發(fā)生一定的偏移，最大絕熱效率降低0.3%，堵塞點流量降低0.1%。從氣動參數變化比例看，進口導葉1片葉片異常偏開20°對壓氣機氣動性能有重要影響。

圖2 導葉角度異常對氣動性能的影響Fig.2 Effect of abnormal guide vane angle on aerodynamic characteristics of compressor

3.2 下游轉子非定常氣動載荷

3.2.1 第1級轉子(R1)非定常氣動載荷

R1 葉片10%和90%葉高截面前緣監(jiān)測點表面靜壓隨時間波動的頻譜結果如圖3 所示。可看出，受上游進口導葉1片葉片角度異常偏開影響，R1葉片表面靜壓波動劇烈，時域圖中靜壓出現凸尖現象。10%葉高截面監(jiān)測點靜壓凸尖波動幅值約為時均值的28%，90%葉高截面監(jiān)測點波動幅值可達31%，這是R1通過角度異常進口導葉分離區(qū)時造成的。從監(jiān)測點靜壓波動頻譜看，R1葉片除受到進口導葉葉片數的1倍激勵頻率外，還存在1個高振幅寬頻的氣流激勵頻率帶(SFV)[12]，其幅值較IGV-1BPF的大，頻率帶范圍為(1～52)f0(f0為轉子基頻)，頻率值為轉子基頻的正整數倍。從圖4 中R1 葉片80%葉高截面的靜壓分布也可以看出，R1葉片表面非定常載荷變化劇烈，周向各葉片吸力面激波強度和激波位置變化也較大。

圖3 第1級轉子葉片前緣監(jiān)測點靜壓的時域和頻率圖Fig.3 Time and frequency analysis of static pressure on R1 blade leading at monitoring points

圖4 第1級轉子葉片80%葉高截面的靜壓分布Fig.4 Pressure distribution of R1 blade at 80%span

3.2.2 第2級轉子(R2)非定常氣動載荷

R2 葉片10%和90%葉高截面前緣監(jiān)測點表面靜壓隨時間波動的頻譜結果如圖5 所示。可看出，R2葉片表面靜壓波動依然劇烈，時域圖中靜壓也出現凸尖現象。10%葉高截面監(jiān)測點靜壓凸尖波動幅值約為時均值的14%，90%葉高截面監(jiān)測點波動幅值可達51%，說明進口導葉角度偏開導致的流場惡化對R2 葉片依然存在強烈的氣流擾動。從監(jiān)測點靜壓波動頻譜看，R2葉片除受到上游第1級靜子葉片數的1 倍激勵頻率(S1-1BPF)外，還存在1 個高振幅寬頻的氣流激勵頻率帶，其幅值較S1-1BPF 的大，頻率帶范圍為(1～45)f0，頻率值為轉子基頻的正整數倍。

圖5 第2級轉子葉片前緣監(jiān)測點靜壓的時域和頻率圖Fig.5 Time and frequency analysis of static pressure on R2 blade leading at monitoring points

從R1和R2葉片表面監(jiān)測點靜壓波動的頻譜分析可知：上游進口導葉角度異常偏開會導致下游轉子葉片非定常氣動載荷劇烈波動。流場中除由幾何因素產生的氣流激勵頻率外，還存在高振幅寬頻的氣流激勵頻率，增加了下游轉子葉片發(fā)生共振的風險，影響其安全性和可靠性。

3.3 下游轉子流場分析

R1 和R2 出口相對馬赫數分布如圖6 所示。可看出，R2出口的周向堵塞通道面積較R1的大，堵塞通道數更多。圖7給出了90%和10%葉高截面的相對馬赫數分布。可看出，偏開20°的進口導葉90%和10%葉高截面均存在嚴重的氣流分離，導致下游整個轉靜子流場惡化。同時，偏開20°的進口導葉對相鄰導葉流場也存在較大影響。角度異常導葉改變了相鄰葉片葉柵截面通道面積，與旋向同向的相鄰進口導葉通道存在激波，使得通過該導葉時下游轉子進氣攻角增大，吸力面激波強度增強。而偏開20°的進口導葉使得通過該葉片的下游轉子進氣攻角減小，吸力面激波強度減弱。從圖8中R1進口軸向速度分布也可以看出，進口導葉角度異常對轉子葉片進氣攻角有重要影響，來流氣流角的劇烈變化使得下游轉子通過該區(qū)域時氣動載荷急劇變化，出現明顯凸尖現象。隨葉片旋轉，R1 葉片周向約有2～3 個通道尾緣發(fā)生氣流分離，發(fā)展到R2 葉片通道，周向約有5～6個通道發(fā)生氣流分離。對于10%葉高截面，R1葉片尾緣氣流分離使得第1級靜子周向約有4個通道發(fā)生氣流分離，導致下游R2葉片根部氣流分離嚴重，其流場分離程度較90%葉高截面的嚴重。

圖6 轉子出口相對馬赫數云圖Fig.6 Mach number contours at R1 and R2 exit

圖7 90%和10%葉高截面相對馬赫數分布Fig.7 Mach number contours at 90%and 10%span

圖8 第1級轉子進口軸向速度分布Fig.8 The axial velocity contour at R1 inlet

一個周期內90%葉高截面熵隨時間的變化過程如圖9 所示。從圖中可明顯看出，進口導葉異常偏開對該葉排影響范圍只限于相鄰幾個通道，但產生的分離流經下游葉片旋轉和切割作用后，對下游轉子的影響范圍明顯增大，在周向形成多通道不同激勵強度的氣流擾動，這是下游轉子葉片產生高振幅寬頻氣流激勵頻率的原因。

4 結論

采用非定常數值方法，模擬了兩級壓氣機進口導葉1 片葉片角度異常偏開20°對壓氣機氣動性能和下游轉子葉片氣流激勵的影響，主要結論如下：

(1) 進口導葉1 片葉片角度異常偏開20°使得壓氣機氣動性能線向左發(fā)生一定的偏移，最大絕熱效率降低0.3%，堵塞流量降低0.1%。

(2) 進口導葉角度異常偏開造成下游流場惡化，轉子非定常氣動載荷幅值波動可達51%；分離流傳播過程中產生的高振幅寬頻氣流激勵增加了下游轉子葉片共振風險，實際工程中應避免壓氣機進口導葉角度異常偏開。