負(fù)荷系數(shù)0.5的高負(fù)荷單級(jí)軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

2022-11-28 13:40:10劉太秋趙月振王詠梅張志博劉德龍江建玲

航空發(fā)動(dòng)機(jī) 2022年5期

劉太秋，趙月振，王詠梅，張志博，劉德龍，江建玲

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

符號(hào)表

P總壓，MPa

T總溫，K

W物理流量，kg/s

G換算流量，kg/s

N物理轉(zhuǎn)速，r/min

n換算轉(zhuǎn)速，r/min

IGV 進(jìn)口導(dǎo)向器

R1 第1級(jí)轉(zhuǎn)子

S1 第1級(jí)靜子

U切線速度，轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，m/s

H負(fù)荷系數(shù)

A葉片展弦比

β可調(diào)靜子角度，（°）

γ比熱比，1.4

C轉(zhuǎn)子或靜子間隙，mm

Cp定壓比熱容，1006 J（/kg·K）

π壓比

ρ溫比

η絕熱定比熱效率

SM喘振裕度

b葉型弦長(zhǎng)，mm

以下為角標(biāo)

c 壓氣機(jī)特性線近堵塞點(diǎn)

w壓氣機(jī)特性線近工作點(diǎn)

s壓氣機(jī)特性線喘點(diǎn)

tip 葉尖

hub 葉根

le 前緣

te 尾緣

av 平均

t切向

rel 相對(duì)的

1試驗(yàn)件進(jìn)口截面，圖1

2試驗(yàn)件出口截面，圖1

0 引言

為探索研究高負(fù)荷、高效率、高穩(wěn)定裕度多級(jí)壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所開展了多級(jí)高負(fù)荷壓氣機(jī)的應(yīng)用研究工作。多級(jí)高負(fù)荷壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)在反力度的選擇上有2種設(shè)計(jì)方法：一種是前面級(jí)壓氣機(jī)采用正預(yù)旋、低反力度的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)是可以降低前面級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)，從而減小激波損失；缺點(diǎn)是在高負(fù)荷的條件下末級(jí)靜子的氣流折轉(zhuǎn)角過大，通常超出常規(guī)設(shè)計(jì)的極限，需采用串列、吸附等非常規(guī)設(shè)計(jì)手段。另一種方法是前面級(jí)壓氣機(jī)采用反預(yù)旋、高反力度，其優(yōu)點(diǎn)是末級(jí)靜子氣流折轉(zhuǎn)角可以控制在常規(guī)設(shè)計(jì)的取值范圍內(nèi)，從而降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；缺點(diǎn)是進(jìn)口級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)較高，激波損失較大，很難獲得高效率。該進(jìn)口級(jí)壓氣機(jī)的研究目的是驗(yàn)證第2種設(shè)計(jì)方法。

多級(jí)壓氣機(jī)的進(jìn)口級(jí)起著至關(guān)重要的作用，常常作為典型級(jí)被單獨(dú)拿出來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法[1-3]或進(jìn)行流動(dòng)機(jī) 理研究[4-6]。Monsarrat等[7]和Sulam等[8]對(duì) 某高負(fù)荷、高馬赫數(shù)單級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)行了介紹，并采取了一系列非常規(guī)葉片設(shè)計(jì)措施[9-11]。其設(shè)計(jì)壓比為2,葉尖切線速度487.68 m/s,負(fù)荷系數(shù)約0.31[12]。Royce等[13-14]介紹了某單級(jí)跨聲壓氣機(jī)，其設(shè)計(jì)壓比2.05，葉尖切線速度454 m/s,其負(fù)荷系數(shù)約0.37。而本文介紹的單級(jí)壓氣機(jī)負(fù)荷系數(shù)高達(dá)0.5,具有明顯的高負(fù)荷特征，對(duì)于高負(fù)荷壓氣機(jī)的研究具有重要價(jià)值。

本文介紹了該單級(jí)壓氣機(jī)的概況、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法，給出了1.0和0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速下的總特性、出口參數(shù)徑向分布、轉(zhuǎn)靜子靜壓升、激波等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)情況進(jìn)行了總結(jié)。在附錄中給出了子午流路坐標(biāo)、試驗(yàn)總特性、試驗(yàn)出口參數(shù)徑向分布、壁面靜壓、轉(zhuǎn)靜子等葉片工藝截面葉型坐標(biāo)。

1 單級(jí)壓氣機(jī)概況

該單級(jí)壓氣機(jī)由進(jìn)口導(dǎo)向器（IGV）、轉(zhuǎn)子（R1）、靜子（S1）3排葉片組成。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，其設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

轉(zhuǎn)速：n=9881 r/min；

流量：G=35.3 kg/s；

壓比：π=2.07；

效率：η≥0.85；

喘振裕度：SM≥8%；

轉(zhuǎn)向：后視逆時(shí)針。

為保持該單級(jí)壓氣機(jī)與多級(jí)壓氣機(jī)條件下的工作環(huán)境一致，其靜子葉片（S1）可調(diào)，連同進(jìn)口導(dǎo)向器（IGV）共2排可調(diào)靜子。

2 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

該單級(jí)壓氣機(jī)采用“反預(yù)旋、高反力度”的設(shè)計(jì)思路。進(jìn)口導(dǎo)向器根尖的預(yù)旋分別為-12°和-6°，轉(zhuǎn)子根尖的進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)分別為0.99和1.3，具有進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)全葉高超音的技術(shù)特征，靜子根尖的進(jìn)口馬赫數(shù)分別為0.76和0.66。轉(zhuǎn)靜子采用了小展弦比技術(shù)，轉(zhuǎn)子展弦比為0.68，靜子展弦比為1.1。轉(zhuǎn)子根尖的擴(kuò)散因子分別為0.56和0.61；靜子根尖的擴(kuò)散因子分別為0.46和0.53。在葉型設(shè)計(jì)上，轉(zhuǎn)子采用離散點(diǎn)中弧線和離散點(diǎn)厚度分布，靜子采用修正圓弧中線以及圓弧加4次曲線的厚度分布。

流路（含測(cè)量截面）如圖1所示，轉(zhuǎn)子進(jìn)口根部為坐標(biāo)原點(diǎn)，流路坐標(biāo)見附錄A。為真實(shí)模擬壓氣機(jī)進(jìn)口來流條件，本文還給出了壓氣機(jī)上游中介機(jī)匣的流路和支板葉型。支板共8塊，沿周向均布，葉型沿徑向相同，支板前緣距離流路坐標(biāo)原點(diǎn)軸向距離為372.22 mm，可用于仿真計(jì)算時(shí)支板的定位。進(jìn)口導(dǎo)向器葉片數(shù)為45片，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為37片，靜子葉片數(shù)為83片。中介機(jī)匣支板、進(jìn)口導(dǎo)向器、轉(zhuǎn)靜子工藝截面葉型坐標(biāo)見附錄E。轉(zhuǎn)、靜子冷態(tài)間隙及數(shù)值如圖2和表1所示。

圖1 流路（含測(cè)量截面）

圖2 轉(zhuǎn)靜子冷態(tài)間隙及數(shù)值

表1 轉(zhuǎn)靜子間隙值及相對(duì)于弦長(zhǎng)的占比

3 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

該單級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)在中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所A219試驗(yàn)器上進(jìn)行。試驗(yàn)器由動(dòng)力電機(jī)、增速器、扭矩測(cè)量?jī)x、排氣道軸系、負(fù)載試驗(yàn)件、進(jìn)氣測(cè)量喇叭口、滑油液壓系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)等組成，如圖3所示。試驗(yàn)器采用大氣吸入式進(jìn)氣方式，經(jīng)壓氣機(jī)增壓后通過外涵管路直接排入大氣。

圖3 A219試驗(yàn)器

3.2 測(cè)試精度

試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)及精度如下：

（1）壓力采用DSA_3217測(cè)量，精度±0.05%F.S.；

（2）大氣壓力采用大氣壓力計(jì)測(cè)量，精度0.05%F.S.；

（3）模擬量及數(shù)字量采用Ex1000A測(cè)量，精度±0.05%F.S.，其中出口溫度采用Ex1000A-TC測(cè)量，在0～300℃時(shí)（在0～700℃），T偶測(cè)試精度±0.2℃（K偶測(cè)試精度±0.35℃）；

（4）轉(zhuǎn)速和扭矩采用ET4055和810讀數(shù)儀測(cè)量。扭矩測(cè)量精度±0.02%F.S.，轉(zhuǎn)速測(cè)量精度±0.02%F.S.。

3.3 測(cè)試方案

在試驗(yàn)件測(cè)量截面（圖1），轉(zhuǎn)子進(jìn)口根部位于軸向坐標(biāo)原點(diǎn)，各測(cè)量截面的軸向位置見表3。在L0截面布置外壁面靜壓，在1截面布置2支徑向4點(diǎn)總壓管、2支徑向4點(diǎn)總溫管，用于計(jì)算流量。在支板后0A測(cè)量截面布置2支徑向6點(diǎn)總壓管。在第1級(jí)靜子后2截面布置6支徑向5點(diǎn)總壓管獲取出口總壓、6支徑向5點(diǎn)總溫管獲取出口總溫。壓比通過2截面總壓與1截面總壓計(jì)算，溫比通過2截面總溫與1截面總溫計(jì)算。測(cè)量支板前至壓氣機(jī)出口Z0、0A、1a、1b、IB等5個(gè)截面的外壁靜壓。試驗(yàn)按照航標(biāo)HB7115-2020[15]進(jìn)行。

表3 測(cè)試截面及儀表布置

表2 試驗(yàn)器技術(shù)指標(biāo)

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 總特性

試驗(yàn)錄取了1.0和0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速總性能。在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下可調(diào)靜子角度見表4，葉片調(diào)節(jié)方向以俯視順時(shí)針為正（關(guān)閉角度），俯視逆時(shí)針為負(fù)（打開角度），可調(diào)葉片調(diào)節(jié)方向示意圖如圖4所示。進(jìn)口導(dǎo)向器和第1級(jí)可調(diào)靜子轉(zhuǎn)軸與X軸平行，且與Z軸相交，在流路坐標(biāo)系下的軸向坐標(biāo)分別為-80.5 mm和105.9 mm。總性能如圖5所示，性能數(shù)據(jù)見表5，詳細(xì)試驗(yàn)總性能數(shù)據(jù)見附錄B。其中在1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速，實(shí)際流量較設(shè)計(jì)指標(biāo)偏大，沿共同工作線，錄取得到的換算流量36.37 kg/s，壓比2.121，效率0.894，喘振裕度8%，峰值效率0.908，實(shí)現(xiàn)并超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。0.95轉(zhuǎn)速換算流量32.71kg/s，壓比1.907，絕熱效率0.910，喘振裕度10.8%，峰值效率0.918。

圖4 可調(diào)靜子葉片調(diào)節(jié)方向

表4 進(jìn)口導(dǎo)向器和靜子調(diào)節(jié)角度（關(guān)方向）

圖5 單級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)特性

表5 試驗(yàn)工作點(diǎn)及近喘點(diǎn)性能

4.2 出口參數(shù)沿徑向分布

圖7 1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速出口溫比徑向分布

1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速壓氣機(jī)出口壓比和溫比徑向分布如圖6、7所示。出口壓比和溫比由出口截面（2截面）參數(shù)和進(jìn)口截面（1截面）參數(shù)計(jì)算得到。從圖中可見，從近堵點(diǎn)到喘點(diǎn)的上半葉高的壓力升高較快,在整個(gè)過程中葉尖的壓比相對(duì)較低而溫比較高，表明葉尖的效率較低。0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速壓氣機(jī)出口壓比和溫比徑向分布如圖8、9所示，與1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速分布規(guī)律相似。

圖6 1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速出口壓比徑向分布

圖8 0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速出口壓比分布

圖9 0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速出口溫比分布

4.3 轉(zhuǎn)、靜子靜壓升

根據(jù)試驗(yàn)壁面靜壓計(jì)算得到的1.0和0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)靜子葉尖的靜壓升如圖10、11所示，靜壓升為出口靜壓和進(jìn)口靜壓的比值。在1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速，隨著流量的減小，轉(zhuǎn)子的靜壓升先升高再降低，而靜子的靜壓升一直升高，在喘點(diǎn)靜壓升下降。在0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)靜子靜壓升同時(shí)升高，直到喘點(diǎn)轉(zhuǎn)子靜壓升下降。1.0和0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的靜壓升都要高于靜子的靜壓升，驗(yàn)證了高反力度的設(shè)計(jì)思路。

圖10 1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)靜子靜壓升

圖11 0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)靜子靜壓升

4.4 轉(zhuǎn)子葉尖激波

在1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速近堵點(diǎn)和峰值效率點(diǎn)，第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖相對(duì)馬赫數(shù)等值線分布如圖12、13所示。其中橫坐標(biāo)代表切向角度θ，縱坐標(biāo)代表距前緣弦長(zhǎng)相對(duì)于整個(gè)弦長(zhǎng)的百分比b。在近堵點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子葉尖槽道唇口形成1道斜激波。隨著反壓的提高，在最高效率點(diǎn)時(shí)，唇口斜激波逐漸增強(qiáng)，由1道弱斜激波逐漸變?yōu)?道正激波。在0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速峰值效率點(diǎn)，第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖相對(duì)馬赫數(shù)等值線分布如圖14所示，轉(zhuǎn)子葉尖槽道唇口形成1道正激波。

圖12 1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速近堵點(diǎn)轉(zhuǎn)子葉尖相對(duì)馬赫數(shù)等值線

圖13 1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速峰值效率點(diǎn)轉(zhuǎn)子葉尖相對(duì)馬赫數(shù)等值線

圖14 0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速峰值效率點(diǎn)轉(zhuǎn)子葉尖相對(duì)馬赫數(shù)等值線

5 結(jié)論

（1）在1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速，工作點(diǎn)換算流量36.37 kg/s，壓比2.121，效率0.894，喘振裕度8%，峰值效率0.908；在0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速，工作點(diǎn)換算流量32.71 kg/s，壓比1.907，效率0.91，喘振裕度10.8%，峰值效率0.918。

（2）驗(yàn)證了高負(fù)荷多級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)采用反預(yù)旋、高反力度的設(shè)計(jì)思路，為多級(jí)高負(fù)荷壓氣機(jī)的應(yīng)用研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

（3）本文的設(shè)計(jì)參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于校核仿真軟件，對(duì)于提高仿真軟件預(yù)測(cè)高負(fù)荷壓氣機(jī)特性的精度具有重要意義。

后續(xù)計(jì)劃開展精細(xì)化試驗(yàn)測(cè)量，為仿真模型以及特性預(yù)測(cè)方法的研究提供數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)水平、拓展能力邊界。

附錄A子午流路坐標(biāo)

附表1子午流路坐標(biāo) mm

附錄B試驗(yàn)總特性

附表2 0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速總性能數(shù)據(jù)

附表3 1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速總性能數(shù)據(jù)

附錄C出口參數(shù)徑向分布

附表4 0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速出口（2截面）相對(duì)于進(jìn)口（1截面）壓比和溫比徑向分布

附表5 1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速出口（2截面）相對(duì)于進(jìn)口（1截面）壓比和溫比徑向分布

附錄D壁面靜壓

附表6 0.95相對(duì)換算轉(zhuǎn)速沿軸向各截面壁面靜壓MPa

附表7 1.0相對(duì)換算轉(zhuǎn)速沿軸向各截面壁面靜壓MPa

附錄E工藝截面葉型坐標(biāo)

（1）支板葉型坐標(biāo)。

支板葉型坐標(biāo)如附圖1所示。支板共8塊，沿周向均布，葉型沿徑向相同，附表中只給出1個(gè)截面的葉型坐標(biāo)，支板前緣距離流路坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0）軸向距離為372.22 mm，數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)需平移重新定位到統(tǒng)一坐標(biāo)系下。