臨界轉速下發動機壓氣機率先失速級研究

□ 孫澤良 □ 李 斌

中國航發動力股份有限公司 西安 710021

1 研究背景

葉輪機械內部的氣流流動是非常復雜的現象,存在著流動分離、旋轉失速、喘振及各種二次流等。軸流壓氣機性能及內部流場的數值計算已成為葉輪機械氣體動力學領域研究的熱點問題之一。軸流壓氣機的工作狀況一般由進口壓力、進口溫度、轉速和流量決定,在進氣條件和轉速不變的條件下,壓氣機的壓比和工作效率與流量的關系成為壓氣機特性。在固定轉速下,壓氣機隨流量減小,壓比增大,壓縮能力提高。當達到某一臨界點后,壓比達到最大,若進一步減小流量,壓氣機會失穩,進入失速或喘振狀態,各轉速臨界點的連線形成壓氣機喘振邊界。在臨界轉速下,發動機等轉速工作線與壓氣機喘振邊界較近,在此工況,壓氣機容易發生失速或喘振。某單轉子渦輪噴氣發動機試車時要求進行臨界轉速穩定性檢查,不合格的發動機需要進行排故。該型發動機由國外引進,從國內生產定型以來多次發生新制造的發動機喘振裕度不足問題。為解決該型發動機喘振裕度不足問題,避免大規模的排故工作,減少試車次數,提高合格率,筆者以該發動機壓氣機為研究對象,開展臨界轉速率先失速級研究,為發動機生產裝配控制提供技術支持。

2 研究對象

筆者的研究對象為某單轉子發動機八級軸流壓氣機,該壓氣機由一級進口導流葉片、八級轉子葉片和八級整流葉片組成。設計轉速為4 700 r/min,臨界轉速為3 500 r/min。該發動機喘振裕度不足問題是在臨界轉速下檢查發現的。筆者在設計轉速下對計算方法進行驗證,在臨界轉速下開展率先失速級研究。壓氣機氣流流道如圖1所示。

▲圖1 壓氣機氣流流道

3 數值模擬方法

筆者通過NUMECA軟件中的AUTOGRID5模塊對壓氣機氣流流道模型進行網格劃分,采用O4H型網格拓撲結構,選用FINE-Turbo模塊進行數值求解。

采用Spalart-Allmaras湍流模型,時間推進采用四階龍格-庫塔法,采用多重網格技術、當地時間步長和殘差光順技術加速收斂。

邊界條件給定進口總溫、總壓和進口氣流角,出口給定靜壓,通過調整靜壓,獲得壓氣機特性。

4 計算

在設計轉速下八級軸流壓氣機的氣動性能試驗結果和數值計算結果對比,如圖2所示。由圖2對比可知,數值計算得到的最大和最小流量均比試驗得到的流量小,接近1%。最大壓比和效率,數值計算結果均比試驗結果偏小。考慮到模型的復雜性及湍流模型的局限性,數值計算存在一定誤差。從壓比特性和效率特性的總體趨勢上看,數值計算結果與試驗數據吻合程度較好。總體來看,數值模型很好地預測了壓氣機的氣動性能。

▲圖2 壓氣機氣動性能對比

5 結果分析

臨界轉速3 500 r/min下近失速工況和近最高效率工況時,壓氣機轉子葉片通道內約99%葉高處的相對馬赫數分布云圖如圖3所示。在該葉高處,第一級轉子葉片至第三級轉子葉片所處的截面在轉子葉片通道內,第四級轉子葉片至第八級轉子葉片所處的截面位于葉頂間隙中。由圖3可觀察到,隨著氣流流量的降低,壓氣機從近最高效率工況向近失速工況推進,壓氣機轉子葉片通道內低相對馬赫數區域范圍增大,且越靠近進口,變化越明顯。

▲圖3 臨界轉速下壓氣機轉子葉片通道內99%葉高處相對馬赫數分布云圖

第一級轉子葉片通道內近失速工況和近最高效率工況時,約99%葉高處的相對速度矢量分布圖如圖4所示。在近失速工況,第一級轉子葉片吸力面前緣約為25%葉頂弦長處發生氣流分離現象,氣流向偏離轉子葉片方向流動。這是由于氣流流量的降低,氣流攻角增大,使氣流在近葉片吸力面處發生分離。盡管第一級轉子葉片吸力面存在氣流分離現象,但氣流分離現象造成的惡劣影響在通道內不是很大,大部分氣流能順利從流道內流出,特別是靠近第一級轉子葉片壓力面處,氣流在葉片壓力面型線的作用下,仍能順暢地流出通道。在近最高效率工況,第一級轉子葉片吸力面基本沒有出現氣流分離現象,氣流順著葉片方向流動,同時通道內氣流的流動狀況比近失速工況時好了很多。

▲圖4 第一級轉子葉片通道內99%葉高處相對速度矢量分布圖

第二級轉子葉片通道內近失速工況和近最高效率工況時,約99%葉高處的相對速度矢量分布圖如圖5所示。對比兩種工況的葉頂流場分布可以清楚看出,氣流均能順利流入及流出第二級轉子葉片通道,無氣流分離現象,這說明第二級轉子葉片通道不是觸發該八級壓氣機失速的最先轉子葉片。

第三級轉子葉片通道內近失速工況和近最高效率工況時,約99%葉高處的相對速度矢量分布圖如圖6所示。在近失速工況時,氣流軸向分速為負值的氣流區域范圍較最高效率時大了很多,這種流動形式不利于第三級轉子葉片進口氣流流入葉頂通道,并且也使第三級轉子葉片通道內氣流不能順利地從通道下游流出,此時第三級轉子葉片葉頂通道氣流流動狀況惡劣。

▲圖6 第三級轉子葉片通道內99%葉高處相對速度矢量分布圖

近失速工況和近最高效率工況時第一級轉子葉片至第四級轉子葉片葉頂間隙的部分間隙泄漏流線如圖7所示,最左邊為第一級轉子葉片通道,最右邊為第四級轉子葉片通道。通過對比兩個工況可以看出,第一級轉子葉片前緣處的泄漏流線均能保持集中的形態,并且能在遠離葉片壓力面處順暢地流出通道。較為明顯的區別在葉片尾緣處,近失速工況該處泄漏流線比較發散,而在最高效率工況時,該處的泄漏流線比較集中。對于第二級轉子葉片前緣處的泄漏流線,在流向下游的過程中,泄漏流線逐漸發散但仍能從通道內流出,兩種工況下的泄漏流線分布形式區別不大。對于第三級轉子葉片,在兩種工況下,轉子葉片前緣處的泄漏流線在流向下游的過程中分成兩個部分,一小部分橫越相鄰轉子葉片間隙進入相鄰轉子葉片通道內,另外一大部分在靠近葉片壓力面處流出通道。對于第四級轉子葉片,在兩種工況下,轉子葉片葉頂的泄漏流線分布形式與第三級轉子葉片類似,也出現了泄漏流線橫越相鄰轉子葉片間隙的現象。泄漏流線分析表明,第三級轉子葉片、第四級轉子葉片葉頂通道中泄漏流流動狀況比第一級轉子葉片、第二級轉子葉片葉頂通道狀況惡劣。

▲圖7 第一級至第四級轉子葉片葉頂間隙泄漏流線圖

結合第一、第二和第三級轉子葉片葉頂通道內相對速度矢量分布的分析,可知誘發該八級壓氣機最先失速的轉子葉片為第三級轉子葉片。

6 結論

筆者采用數值模擬手段對設計轉速下八級軸流壓氣機進行研究,在設計轉速下對數值計算方法進行了驗證,在臨界轉速下對壓氣機率先失速級進行了分析,主要結論如下:

(1) 采用的數值模擬方法準確度較高,計算結果與試驗數據吻合程度較好,可以準確預測壓氣機的氣動性能;

(2) 臨界轉速為3 500 r/min時,壓氣機轉子葉片葉頂通道內存在較大的低速區,主要原因為氣流流量降低,氣流攻角增大,使氣流在近轉子葉片吸力面處發生分離;

(3) 該八級軸流壓氣機最先發生失速級為第三級轉子葉片。