基于擴壓器優化提升發動機加速性的方法

金洪江 關婷婷

摘要：本文對某型航空渦軸發動機的喘振現象進行研究。通過開展廠內專題試驗確定了該發動機喘振發生的“首發”為離心壓氣機部件，采用氣動仿真方法找到氣流分離位置為徑向擴壓器葉片葉背的葉根處。對徑向擴壓器結構進行優化設計，并進行串裝試車驗證，改善了發動機的加速性，改進設計有效。

Abstract： This paper focuses on surge issue of certain turboshaft engine.As shown by a series of tests，the initial surge begins at centrifugal compressor. And CFD analysis indicates that the flow separation position is at root of diffuser blade convex. Diffuser structure was modified to solve the surge issue. Then whole engine test was conducted with modified diffuser. The test result showed better engine acceleration，which meanedthe issue is solved by modification.

關鍵詞：喘振;擴壓器;渦軸發動機

Key words： surge;diffuser;turbo shaft engine

中圖分類號：V231.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0027-03

1 ?概述

壓氣機喘振是氣流沿壓氣機軸線方向發生的低頻率、高振幅的氣流振蕩現象，并伴有非常強烈的機械振動，可在很短時間內造成發動機零件的嚴重損壞，會使壓氣機轉、靜子葉片受交變應力而斷裂，引起發動機熄火停車，嚴重威脅發動機安全工作。在新型號研制過程中，為確保足夠的喘振裕度，常采用放氣活門，可調導向葉片或處理機匣等防喘措施[1]，提高非設計狀態下壓氣機的穩定工作的裕度，消除或削弱葉片氣流的分離，以防止壓氣機發生喘振。對于早期的航空渦軸發動機，受限于當時的設計、加工水平，整機的喘振裕度較低。在生產、交付試車中常出現加速性不合格，發生喘振的現象。如果采用目前較成熟的技術手段進行加改裝，工作量大，不經濟。如果能夠準確確認喘振的最“短板”，進行局部優化，將大大節省零件試制及反復試車的成本。本文對某型發動機在廠內出現的喘振現象進行分析，通過專題試驗，找到該發動機喘振發生的“源頭”，采用氣動仿真計算軟件[2]對相關氣流通道件進行三維流場氣動模擬仿真，找到敏感位置，僅對結構進行局部優化設計，通過試車驗證，改善發動機的加速性。

2 ?故障現象

某型3號發動機在臺架試車時，進行加速性檢查時，75%設計轉速至95.8%設計轉速加速過程中，發動機出現低頻的轟鳴聲，發生喘振。具體數據見表1。

3 ?壓氣機結構

該型發動機采用一級軸流+一級離心的組合壓氣機。軸流壓氣機的作用是給離心壓氣機增壓，主要由軸流壓氣機轉子、雙排整流器和壓氣機機匣組成。離心壓氣機是主增壓部件，主要由內機匣、離心葉輪、前蓋、徑向擴壓器、軸向擴壓器和后蓋組成。氣流經軸流壓氣機壓縮后流入離心葉輪，并在高速旋轉作用下，由葉輪中心被離心力甩向葉輪外緣，氣流速度和壓力進一步提高，之后氣流由葉輪流出進入擴壓器。

徑向擴壓器位于離心葉輪出口，其主要功能是對來自離心葉輪的氣流減速增壓。徑向擴壓器對離心壓氣機性能有重要的影響，一般葉輪出口的氣流動能占葉輪耗功的25～50%[3]，能否將這部分動能有效的轉化為壓力能，不但決定了徑向擴壓器性能的高低，而且決定了離心壓氣機性能的優劣。該型發動機徑向擴壓器為環形結構，葉片與前側蓋板通過數控銑成型，葉根圓角為R1.2。

4 ?喘振原因分析

4.1 喘振機理

發動機喘振的本質原因是氣流分離，當氣流的進氣攻角過大后，氣流發生分離，并隨著葉輪的旋轉迅速擴展到整個壓氣機通道，使壓氣機通道發生堵塞，氣流流動受阻，流量隨之減小，當氣流前進的動能不足以克服壓氣機出口處的反壓時，氣流發生倒流。倒流發生后，出口反壓不斷下降，當出口反壓較低時，壓氣機堵塞狀況被解除，被堵塞的氣流迅速流向壓氣機出口，再次超出壓氣機出口的流通能力，壓氣機出口反壓又急劇升高，氣流再次發生倒流。如此反復，造成了氣流沿壓氣機軸線方向的反復振蕩，即發動機喘振。在發動機整機運轉時，如發生喘振，會出現轟鳴聲，同時伴隨著燃氣渦輪后溫度上升、輸出功率下降。

為使排喘工作有的放矢，需在試驗臺構建失穩的進氣條件，誘發喘振現象出現。同時在壓氣機各截面（主要為進氣界面，軸流壓氣機出口及離心壓氣機進口）增加壓力傳感器，捕捉喘振信號，確定首先失穩的部件。通過三維仿真手段進行氣動仿真，確定喘振發生的“源頭”。最終通過結構優化設計，改善氣流堵塞現象，解決喘振問題。

4.2 逼喘試驗

為準確確定發動機發生喘振的首發位置，找出發動機穩定工作的薄弱構件，在整機上開展逼喘試驗，裝置示意如圖1。本次試驗采用插板式畸變發生器，在發動機臺架試車過程中對發動機進行“誘喘”，以獲取發動機進入失速或喘振狀態時的軸流和離心壓氣機壓力、整機振動以及聲振信號的變化情況，分析穩態工作及加速性兩種條件下的試驗數據，確定壓氣機喘振的首發位置。

試驗原理：

采用外部擾流法進行發動機逼喘試驗。發動機前裝有可移動插板式畸變發生器。畸變發生器由插板箱、插板、等直徑導流筒體、工藝進氣道（包括流量測量段）、移動式安裝支架、位移指示器及傳感器、液壓驅動系統等組成。畸變發生器等直徑導流筒體內徑與發動機進口截面的內徑相同。插板由液壓作動系統驅動。

測試系統：

進口流場測量點的分布為：周向均布6只測壓耙，在每一周向位置上，沿徑向按照等環面設計布置了5個穩態總壓測量點。沿周向分別均布了6個動態總壓測量點。

在軸流壓氣機出口，加裝了2個動態壓力傳感器;離心壓氣機出口截面，加裝了1個動態壓力傳感器。壓力的測量與記錄均由基于PXI總線的高速數據采集系統完成，試驗中對所有的穩態和動態總壓的采集都采用并行采樣和存儲工作方式，穩態總壓的采樣頻率設為1024Hz/通道，動態總壓的采樣頻率設為4096Hz/通道。

試驗方法：

①在試驗過程中，從慢車開始緩慢推油門桿，發動機分別達到84%、93%、97%設計轉速狀態時，在該轉速下穩定工作2min后，緩緩增加畸變發生器的插板高度，直到發動機出現失速或喘振現象;

②在75%設計轉速狀態穩定工作2min后，每次增加5%插板高度，檢查75%至95.8%設計轉速加速性，直至出現失速或喘振現象;

③在發動機逼喘試驗全部過程中，如果出現異常或緊急情況，則拉停被試發動機。

試驗結果：

試驗中發現，在84%、93%、97%設計轉速狀態下，所試驗的發動機在較強的進氣畸變流場作用下，均進入了氣動失穩狀態并有顯著的“放炮”聲，圖2是發動機進入失穩狀態時測得的軸流壓氣機出口壓力（p21a、p21b）和離心壓氣機出口壓力（p2）的典型動態變化過程，從該圖可以明顯地看出，發動機整機失穩的形式是喘振。在畸變進氣條件下，加速過程所產生的壓氣機失穩也具有同樣的形式，其典型的壓力變化過程如圖3所示。

由穩態工作及加速性兩種條件下的試驗結果，壓氣機喘振時，離心壓氣機出口壓力（p2）首先出現大幅下降（表明離心壓氣機首先失速，增壓能力劇降），其流道堵塞對軸流壓氣機節流，同時引起軸流壓氣機出口壓力（p21a、p21b）大幅上升，因此，根據這一典型的氣動傳遞現象，可以得出該系列發動機失穩是由離心壓氣機首發導致的結論。

4.3 流場仿真分析

為確定故障機理，采用NUMECA流體仿真軟件對壓氣機內部氣流通道進行了三維流場仿真。氣動模擬結果顯示，在徑向擴壓器葉片葉背的葉根處出現較嚴重的氣流分離，如圖4、圖5所示。氣流分離會產生額外的阻力和損失，此時流道內產生逆壓梯度，氣流開始逆向運動，從宏觀上體現為氣流倒流。倒流的氣流與上游順流的氣流摻混，向遠離葉片葉背的方向流動，從而使整個邊界層內氣流都與葉背分離。氣流大面積分離將導致擴壓器內通道堵塞，對軸流壓氣機產生節流作用，進而影響整個壓氣機。最終導致壓氣機出現失穩喘振現象。

對徑向擴壓器葉片葉根圓角進行優化，經流場仿真計算可以發現葉根倒圓增大可以減緩葉片葉背處的氣流分離，可以抑制產生逆壓梯度場，緩解壓氣機通道堵塞問題，從而有效提高喘振裕度，有效防止發動機喘振故障的出現，保證發動機的穩定工作。

5 ?結構改進設計

徑向擴壓器改進的思路：一是抑制徑向擴壓器葉片葉背根部的氣流分離，可以采用葉片中弧線造型法重新進行葉型設計，也可以直接增大葉片根部倒圓緩解氣流分離;二是增加徑向擴壓器通道氣流流通能力，可通過改變葉片的安裝角實現，一般在0.5度左右，不超過2度為宜。

根據流場仿真計算及分析結果，對徑向擴壓器進行改進設計[4]，主要改進措施為：①為緩解氣流分離，將葉片葉根處倒圓R1.2改為R4;②為增加流通能力，葉片安裝角增大0.5°，葉片弦長減小2.3mm。

6 ?試驗驗證

為驗證改進措施的有效性，采用整機試車的方法進行對比試驗。試驗選取統一試驗平臺，采用3號發動機分別串裝葉根倒圓R1.2和R4（增大葉根倒圓和安裝角）的徑向擴壓器，在同一臺架上進行對比試車。試驗環境溫度控制在2℃之內，大氣壓力控制在1kPa之內。試驗結果見表2。

由表2試驗數據可知，在串裝R1.2徑向擴壓器進行加速試驗時，發動機進入不穩定工作區，發生喘振現象。在串裝R4徑向擴壓器進行加速試驗時，加速時間為4.4s，滿足指標要求。說明發動機串裝R4徑向擴壓器使低轉速的工作點喘振裕度得到提高，改善了整機的加速性。

7 ?結論

本文針對發動機在廠內出現的喘振現象進行分析，通過逼喘試驗，確定了發動機失穩是由離心壓氣機首發，找到發動機喘振發生的“源頭”。通過三維流場仿真，確認了壓氣機通道內氣流分離主要出現在徑向擴壓器葉片葉背的葉根處，找到敏感位置。通過對徑向擴壓器結構進行優化設計，減緩了氣流分離、增大了通道面積。根據整機串裝對比試驗結果，發動機的加速性得到改善，驗證了改進措施有效。

參考文獻：

[1]馬健.渦軸8F發動機喘振故障淺析.

[2]丁蓬勃，王仲生.航空發動機喘振故障機理及監控方法研究.

[3]Three dimensional viscous calculation for assessing the thermodynamic performance of centrifugal compressor study of the Eckardtcompressor[R].AGARD CP 282，2980 ?Moore J、Moore J G.

[4]關婷婷，金洪江，李偉超.一種新型徑向擴壓器組件專利5560181.