靜子葉根篦齒泄漏流對某組合壓氣機性能的影響

邱道彬 劉西武 曹四

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

0.引言

隨著壓氣機壓比及其平均級負荷的不斷提高，采用篦齒封嚴結構的靜子根部容腔泄漏流對高壓壓氣機的性能影響不容忽視。通過文獻調研可知，篦齒間隙占葉片展高的比例每增加1%，可導致壓比下降3%，效率下降1%～1.5%[1]。Shabbir等人[2]的研究表明，壓升的降低是由于根部堵塞發生變化而非攻角的變化。Demargne等人[3]通過壓氣機平面葉柵研究了靜子間隙流對主流的影響，其試驗結果表明泄漏流量越大，越容易導致葉柵流動惡化，同時隨著間隙流切向速度的增加，葉片排的流動會變好，由文獻調研可知靜子間隙泄漏流的影響不可忽視。本文以某軸流離心組合壓氣機的軸流靜子根部容腔為研究對象，研究靜子根部間隙泄漏流對此壓氣機性能的影響。

1.研究對象和方法

本文對某帶靜子根部篦齒封嚴容腔結構高壓壓氣機進行三維氣動仿真，其高壓壓氣機及靜子根部容腔網格結構如圖1所示。根部容腔結構采用ICEM進行非結構網格劃分，見圖2，總網格單元約為75.4萬。高壓壓氣機采用AutoGrid進行網格劃分，總網格量約為56.8萬。此外，本文計算所采用的篦齒間隙為0.3mm，約占軸流靜子葉高的0.76%。

圖1 高壓壓氣機+根部容腔結構的網格劃分

進行數值模擬所用的軟件為CFX 17.2，湍流模型選取標準K-epsilon模型，Modified Linear Profile二階精度的離散格式。進口邊界設置在過渡段支板的進口，此處的氣流條件按照標準大氣設置，給定總溫、總壓和氣流方向。其中容腔結構與軸流靜子的交界面定義為Frozen Rotor，如圖2所示。高壓壓氣機轉靜子之間采用Stage(Mixing-Plane)設置；高壓壓氣機出口給定靜壓邊界條件。

圖2 根部容腔結構的網格劃分

2.數值模擬結果與分析

在100%轉速條件下，對帶有靜子根部篦齒封嚴容腔結構高壓壓氣機進行三維氣動仿真，并對仿真結果進行對比分析。圖3給出了該壓氣機在100%轉速條件下的流量-壓比特性，從圖中可以看出帶篦齒和不帶篦齒計算其對壓比的影響較小，僅在近喘點附近壓比有略微的下降，而喘點流量所受的影響更加明顯，計入篦齒泄漏的影響后，壓氣機的綜合裕度下降了1.5%。圖4給出了該壓氣機在100%轉速條件下的壓比-效率特性，從圖中可以看出帶靜子根部篦齒計算以后，近設計點的效率變化并不明顯，而近喘點的效率出現了明顯的下降，下降約0.46%，這與近喘點壓比高，篦齒泄漏損失大相關。總體而言，效率的降幅與壓比呈正相關的關系。

圖3 流量-壓比特性

圖4 壓比-效率特性

2.1 峰值效率點影響分析

為了進一步分析帶靜子根部篦齒容腔結構對高壓壓氣機的影響，下面對峰值效率點的內部流場進行分析。圖5給出了峰值效率點軸流靜子極限流線對比圖，從圖中可以明顯看出，考慮篦齒結構后，靜子根部的二次流變化非常明顯，二次流所影響的區域明顯增大，因此壓力損失也將增大，從而影響壓氣機的效率和裕度。

圖5 峰值效率點軸流靜子吸力面和輪轂表面極限流線圖

圖6對比了峰值效率點的靜子進口氣流角，20%以內展高的氣流角均受到了影響，氣流與軸向的夾角增大，即靜子的攻角增大，進而影響裕度。Aungier在文獻[4]中對靜子篦齒的泄漏影響進行了分析并給出了計算公式，氣流從篦齒腔泄漏到主流道時帶有一定的切向速度，且與轉子的旋轉方向相同。因此靜子根部附近的攻角都將有所增大，CFD結果顯示輪轂壁面的攻角增大了約3°。

圖6 靜子進口氣流角

圖7對比了峰值效率點靜子10%展高的表面靜壓分布，考慮篦齒結構以后，吸力面的靜壓基本不受影響，而壓力面的靜壓則有略微下降，即葉片的負荷有輕微的下降。說明篦齒泄漏既影響靜子的攻角，同時還影響靜子的靜壓升能力，而這2個因素都將影響壓氣機的裕度。

圖7 靜子10%展高表面靜壓

圖8給出了峰值效率點靜子根部容腔極限流線和靜壓分布示意圖，從圖中可以看出此泄漏流主要由靜壓驅動，即靜子出口壓力較高，靜子進口壓力較低，使得靜子后容腔內的流體沿篦齒間隙向前容腔泄漏，這種泄漏必然會帶來一定的泄漏損失。圖9給出了峰值效率點軸流靜子總壓恢復系數沿展向分布，從圖中可以看出帶靜子根部容腔的總壓恢復系數明顯比不帶靜子根部容腔的總壓恢復系數低，和圖4中其峰值效率點效率降低相一致。此外對于圖3中峰值效率點壓比變化較小的原因和篦齒泄漏流的流量較小相關，其泄漏流量只有0.012kg/s，約占喘點進口流量（約4.83kg/s）的0.25%，其所帶來的靜子根部總壓損失較小。

圖8 根部容腔泄流線圖

圖9 靜子總壓恢復系數沿展向分布

2.2 近失速點影響分析

從壓氣機總體特性可以看出，采用篦齒計算以后，特性差異最顯著的位置出現在近喘點，因此對近喘點的內部流場進行分析。

圖10給出了近失速點S5吸力面和輪轂表面極限流線對比圖，與峰值效率點趨勢類似，篦齒泄漏使得軸流靜子根部的流動狀況惡化，受二次流影響的區域增大。從特性對比可知，篦齒結構的影響在近失速點有所增大。因為此時壓比、流量和效率的變化都更加明顯。

圖10 近失速點S5吸力面和輪轂表面極限流線圖

圖11對比了近失速點靜子進口氣流角的展向分布，90%展高以下的區域都受到了影響：在10%展高以下的區域，靜子的攻角增大，而在10%展高以上的區域，靜子的攻角略微減小。說明此時篦齒的泄漏不僅影響軸流靜子的根部，同時還影響整個徑向的平衡。

圖11 靜子進口氣流角

圖12對比了近失速點軸流靜子10%展高的表面靜壓分布，與峰值效率點相比，壓力面的靜壓下降幅度更大，同時吸力面的靜壓也略微下降。此外，篦齒泄漏還導致出口靜壓的下降，靜壓升能力受到的影響更加明顯。

圖12 靜子10%展高表面靜壓

圖13給出了近失速點軸流靜子總壓恢復系數沿展向分布，從圖中可以看出20%展高以下帶靜子根部容腔的總壓恢復系數明顯比不帶靜子根部容腔的總壓恢復系數低，和圖4中其近失速點效率降低相一致。

圖13 靜子總壓恢復系數沿展向分布

3.結論

利用三維數值仿真的方法對某軸流離心組合壓氣機靜子葉根間隙流進行數值計算分析。得出如下結論：

靜子葉根間隙流導致壓氣機近喘點效率、壓比及喘振裕度均有所下降，設計點效率、壓比基本不變，在篦齒間隙一定的條件下，靜子葉根篦齒泄漏的影響隨著壓比的增大而增加。篦齒泄漏在導致靜子攻角增大的同時導致靜子的靜壓升能力減弱，根部附近的總壓恢復系數降低。