級(jí)間引氣對(duì)多級(jí)軸流壓氣機(jī)性能的影響

翟志龍，曹傳軍，姜逸軒

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241）

0 引言

民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，需要從壓氣機(jī)級(jí)間引氣用于飛機(jī)客艙供氣、飛機(jī)防冰、渦輪葉片冷卻、軸承腔封嚴(yán)、起動(dòng)階段防喘等，從壓氣機(jī)級(jí)間引出的氣流流量達(dá)到主流空氣流量的8%～10%[1]。級(jí)間引氣改變了壓氣機(jī)引氣位置上下游的級(jí)間匹配，對(duì)壓氣機(jī)性能產(chǎn)生了較大影響[2]。

國(guó)內(nèi)外研究人員采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法，針對(duì)引氣方式、引氣模型、引氣位置和引氣量進(jìn)行了大量研究。Leishman 等[3-5]研究了引氣位置、引氣量和引氣槽結(jié)構(gòu)等對(duì)性能的影響；Gummer 等[6]、Dobrzynski等[7]研究了高負(fù)荷帶導(dǎo)葉單級(jí)軸流壓氣機(jī)端壁上的最佳引氣位置，指出靜葉端壁引氣能夠有效控制葉背的流動(dòng)分離；Merchant 等[8]對(duì)跨聲速風(fēng)扇進(jìn)行的引氣研究表明，適量的引氣能夠改善流場(chǎng)，提高級(jí)壓比；張皓光等[9]研究了引氣對(duì)雙級(jí)軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響，指出在壓氣機(jī)進(jìn)、出口條件不變時(shí)，引氣能夠增加進(jìn)口流量；鄧皞等[10]、顧春偉等[11]對(duì)壓氣機(jī)級(jí)間引氣進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了引氣具有提高效率的潛力；趙斌等[12-13]研究了單級(jí)軸流壓氣機(jī)中引氣位置和流量對(duì)其性能的影響；沙心國(guó)等[14-15]針對(duì)多級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)行引氣的數(shù)值模擬研究，表明級(jí)間引氣能夠提高壓氣機(jī)的總壓比和效率；陳哲等[16]研究了軸流壓氣機(jī)級(jí)間引氣槽引氣對(duì)下游葉排的級(jí)間壓力分布和葉片表面壓力分布的影響；周文嘯等[17]研究了不同的引氣槽在外機(jī)匣端壁處引氣對(duì)壓氣機(jī)總性能和局部流場(chǎng)的影響；顧楊等[18]通過試驗(yàn)方法對(duì)多級(jí)高壓壓氣機(jī)進(jìn)行部分轉(zhuǎn)速下引氣的研究，指出了壓氣機(jī)中間級(jí)引氣對(duì)其性能和穩(wěn)定工作范圍的影響；侯麗娜等[19]針對(duì)不同引氣方式對(duì)壓氣機(jī)性能的影響開展了研究，指出全周開縫引氣與具有真實(shí)幾何造型的圓孔引氣在各種性能參數(shù)的變化趨勢(shì)上一致，可定性反映引氣對(duì)壓氣機(jī)性能的影響；曹傳軍等[20]研究了源項(xiàng)引氣和引氣槽結(jié)構(gòu)的引氣計(jì)算方法的差異，表明源項(xiàng)引氣可用于工程分析，節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

以上對(duì)壓氣機(jī)引氣影響的研究大多集中在低負(fù)荷的單級(jí)環(huán)境或者級(jí)數(shù)較少的環(huán)境下開展，且研究多集中于數(shù)值模擬，試驗(yàn)研究較少。本文針對(duì)某10 級(jí)軸流壓氣機(jī)開展了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，探究級(jí)間引氣對(duì)多級(jí)軸流壓氣機(jī)總性能、級(jí)間流場(chǎng)的影響。

1 數(shù)值模擬分析

本文研究對(duì)象為某10 級(jí)軸流壓氣機(jī)，總壓比在20 以上，引氣位置分別在第4、7 級(jí)靜子葉片后，包含進(jìn)口導(dǎo)葉在內(nèi)共21 排葉片，計(jì)算模型及網(wǎng)格y+值分布如圖1所示。計(jì)算采用商用NUMECA軟件，該軟件在葉輪機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好[21]。該軟件自帶的源項(xiàng)引氣模型操作簡(jiǎn)單，可以快速修改引氣量比例和引氣位置，且結(jié)果與引氣腔采用真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果吻合較好[19-20]。計(jì)算網(wǎng)格采用Autogrid5 劃分，網(wǎng)格拓?fù)洳捎肏-O-H 結(jié)構(gòu)，保證最小網(wǎng)格正交性＞15°，最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比＜5000，最大網(wǎng)格延展比＜5，計(jì)算時(shí)第1 層網(wǎng)格高度取值1E-5 mm，網(wǎng)格y+＜5。進(jìn)口R1 轉(zhuǎn)子葉片通道網(wǎng)格數(shù)量約67 萬(wàn)，出口R10 轉(zhuǎn)子葉片通道網(wǎng)格數(shù)量約47 萬(wàn)。各排靜子葉片通道網(wǎng)格數(shù)量30～46萬(wàn)，10級(jí)壓氣機(jī)網(wǎng)格總量約840萬(wàn)。

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格y+值分布

流場(chǎng)模擬采用Fine/Turbo 模塊，單通道定常計(jì)算，湍流模型采用S-A 模型，進(jìn)口取試驗(yàn)條件下的進(jìn)口總溫總壓，在出口中徑處給定徑向平衡的靜壓，計(jì)算中通過改變出口靜壓獲得壓氣機(jī)的特性線。

1.1 引氣對(duì)總性能的影響

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速不同引氣方案總特性計(jì)算結(jié)果如圖2所示。方案A 代表基準(zhǔn)引氣方案，第4 級(jí)引氣率為2%，第7 級(jí)引氣率為5%；方案B 代表第7 級(jí)引氣不變，第4 級(jí)引氣相對(duì)于基準(zhǔn)方案的增加2%；方案C 代表第7 級(jí)引氣不變，第4 級(jí)引氣相對(duì)于基準(zhǔn)方案的減少2%；方案D 代表第4 級(jí)引氣不變，第7 級(jí)引氣相對(duì)于基準(zhǔn)方案的增加2%。以上所述引氣百分比均為引氣量與壓氣機(jī)進(jìn)口流量的比值。換算流量采用方案A堵點(diǎn)流量進(jìn)行歸一化，總壓比采用方案A的最高壓比進(jìn)行歸一化，效率采用方案A的峰值效率進(jìn)行歸一化。

圖2 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速不同引氣方案總特性計(jì)算結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果表明，第4 級(jí)引氣增加2%，總流量增加0.1%；第4 級(jí)引氣減少2%，總流量減少約0.1%，增加或者減少相同比例的第4 級(jí)引氣量，堵塞點(diǎn)流量相對(duì)變化量一致。而第7 級(jí)引氣量的增加對(duì)總流量的影響極小。本文采用源項(xiàng)引氣模型計(jì)算的引氣對(duì)堵塞流量的影響量值，與文獻(xiàn)[20]中的結(jié)論一致，引氣量改變，壓氣機(jī)進(jìn)口總流量變化較小。

第4、7級(jí)引氣增加，峰值效率均基本不變，而第4級(jí)引氣減少，峰值效率明顯降低。增加引氣可以提高引氣上游壓氣機(jī)流通能力，使得引氣上下游各級(jí)的流量發(fā)生改變，從而改變各級(jí)的匹配工作點(diǎn)的位置，需進(jìn)一步從局部流場(chǎng)入手，深入研究引氣變化對(duì)多級(jí)軸流壓氣機(jī)級(jí)間匹配的影響。

1.2 引氣對(duì)各級(jí)匹配特性的影響

設(shè)計(jì)點(diǎn)不同引氣時(shí)各級(jí)壓比和效率分布如圖3所示。設(shè)計(jì)點(diǎn)定義為特性線靠近工作線的點(diǎn)，通常為特性線峰值效率點(diǎn)。本文中級(jí)的定義采用S-R 為1級(jí)，如第1 級(jí)由第0 級(jí)靜子和第1 級(jí)轉(zhuǎn)子組成，其余級(jí)以此類推，按此方式定義主要是為了與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖3（a）中可見，第4 級(jí)引氣增加，使得前面各級(jí)壓比降低，后面各級(jí)壓比升高，主要原因在于引氣增加使得引氣上游各級(jí)的流量增大，導(dǎo)致上游各級(jí)工作點(diǎn)向堵點(diǎn)移動(dòng)，壓比降低；引氣增加使得下游各級(jí)的流量減小，導(dǎo)致下游工作點(diǎn)向喘點(diǎn)移動(dòng)，壓比升高。對(duì)比第4 級(jí)引氣增加和第7 級(jí)引氣增加可見，第7 級(jí)引氣增加，僅導(dǎo)致后面級(jí)壓比升高，而前面各級(jí)壓比基本不變，主要原因在于高轉(zhuǎn)速下前面級(jí)處于堵塞工況，第7 級(jí)引氣增加并不會(huì)導(dǎo)致前面級(jí)流量明顯增大，進(jìn)而前面級(jí)工作點(diǎn)位置基本不變。結(jié)合圖3（b）可知，第4級(jí)引氣增加，前面級(jí)壓比降低，效率降低，可以推斷工作點(diǎn)越過了單級(jí)特性峰值效率點(diǎn)，處于特性線右支，壓比降低的同時(shí)效率也會(huì)降低。后面級(jí)效率略有提升，主要原因在于各級(jí)匹配的工作點(diǎn)位置變化導(dǎo)致效率變化。圖3（b）中引氣級(jí)如第5級(jí)（S4R5），在引氣之后其效率突增，分析該級(jí)效率突增是不真實(shí)的，效率計(jì)算過程中采用溫升效率，假設(shè)該級(jí)進(jìn)、出口流量守恒，沒有考慮引氣流量帶走的這部分等熵功的損耗，因此實(shí)際中增加引氣后該級(jí)的效率應(yīng)比當(dāng)前計(jì)算的效率值偏低，文獻(xiàn)[22-23]給出了引氣對(duì)級(jí)效率變化的影響分析。第7級(jí)引氣增加的效果和原因類似[24]。

圖3 設(shè)計(jì)點(diǎn)不同引氣時(shí)各級(jí)壓比和效率分布

1.3 引氣位置上下游流場(chǎng)分布

進(jìn)一步分析引氣對(duì)上下游流場(chǎng)的影響，以第4 級(jí)引氣為例，設(shè)計(jì)點(diǎn)各引氣方案子午面相對(duì)馬赫數(shù)分布如圖4 所示（S4 和R5 分布云圖）。與基準(zhǔn)引氣相比（圖4（a）），增加引氣后S4葉尖尾緣馬赫數(shù)提高，同時(shí)由于存在徑向摻混，該影響貫穿整個(gè)葉高，導(dǎo)致整個(gè)葉高氣流速度增大。對(duì)于S4 進(jìn)口區(qū)域而言，引氣增加同樣導(dǎo)致馬赫數(shù)提高。而對(duì)于下游轉(zhuǎn)子葉尖進(jìn)口而言，引氣口流量增加，導(dǎo)致該區(qū)域流量減小，馬赫數(shù)降低，表明引氣改變了引氣口附近的流場(chǎng)，在徑向摻混作用下影響了整個(gè)交界面區(qū)域上下游的流場(chǎng)。而第7 級(jí)引氣改變時(shí)，S4 和R5 的子午面馬赫數(shù)與基準(zhǔn)引氣的基本一致，表明流場(chǎng)未發(fā)生明顯改變，與前文所述工作點(diǎn)位置不變的分析結(jié)論相符。

圖4 設(shè)計(jì)點(diǎn)各引氣方案子午面相對(duì)馬赫數(shù)分布

圖5 第4級(jí)靜子出口絕對(duì)氣流角

1.4 引氣位置上下游氣流角分布

圖6 第5級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角

設(shè)計(jì)點(diǎn)不同引氣方案第4 級(jí)靜子出口絕對(duì)氣流角和第5 級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角分別如圖5、6 所示（均為與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向的夾角）。從圖中可見，第4級(jí)引氣增加，第4級(jí)靜子出口氣流角最大變化僅0.1°，而第5 級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角增大0.5°。靜子葉片對(duì)流過的氣流進(jìn)行擴(kuò)壓和導(dǎo)流，即使流量增加，出口氣流角的變化也不大，而引氣增加后，進(jìn)入到下游轉(zhuǎn)子葉片前緣的氣流絕對(duì)速度減小，在葉片切線速度不變的情況下，轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角增大，因此轉(zhuǎn)子進(jìn)口攻角增大，轉(zhuǎn)子負(fù)荷提高；反之第4 級(jí)引氣減小，轉(zhuǎn)子進(jìn)口攻角減小，負(fù)荷降低。同時(shí)，第7 級(jí)引氣比例改變，第4級(jí)出口或者第5級(jí)進(jìn)口氣流角基本不變，再次表明第7級(jí)引氣對(duì)較遠(yuǎn)的上游流動(dòng)影響較小。

2 試驗(yàn)分析對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬得到的引氣影響規(guī)律，在中國(guó)航發(fā)商發(fā)壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)開展了壓氣機(jī)試驗(yàn)。該試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率為25 MW，流量調(diào)節(jié)范圍為0～50 kg/s，最 高 轉(zhuǎn) 速 為20000 r/min。試驗(yàn)裝置主要包括進(jìn)口流量管、節(jié)流閥、穩(wěn)壓箱、試驗(yàn)件本體、排氣系統(tǒng)等，試驗(yàn)臺(tái)如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)中通過臺(tái)架進(jìn)口流量管測(cè)量物理流量。壓氣機(jī)進(jìn)口截面位于中介機(jī)匣支板通道中間，徑向分別布置總溫和總壓梳狀探針，測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)口截面溫度和壓力，沿程靜葉前緣布置葉型探針，測(cè)量級(jí)間總溫和總壓；在壓氣機(jī)出口截面布置總溫、總壓探針，測(cè)量出口截面溫度和壓力。在試驗(yàn)時(shí)通過閥門調(diào)節(jié)壓氣機(jī)引氣口流量，得到引氣對(duì)壓氣機(jī)總特性和級(jí)間流場(chǎng)的影響?；诩?jí)間總溫總壓計(jì)算各級(jí)單級(jí)特性，基于進(jìn)出口測(cè)量值計(jì)算壓氣機(jī)總特性，其中效率根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)[23]中的變比熱公式計(jì)算。

2.1 引氣對(duì)總性能的影響

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下4 種引氣方案對(duì)壓氣機(jī)總特性的影響如圖8 所示。由于該試驗(yàn)件負(fù)荷較高，喘振能量較大，出于安全考慮，各項(xiàng)引氣試驗(yàn)均未進(jìn)喘。各方案與數(shù)值模擬時(shí)的一致。換算流量采用方案A 堵點(diǎn)流量進(jìn)行歸一化，總壓比采用方案A的最高壓比進(jìn)行歸一化，效率采用方案A的峰值效率進(jìn)行歸一化。

從圖8（a）中可見，引氣量變化對(duì)總流量和工作點(diǎn)匹配位置的影響很大；結(jié)合圖8（b）可見，第4 級(jí)引氣增加2%，總流量增加0.8%，峰值效率相對(duì)提高0.3%，4 級(jí)引氣減少2%，總流量減少1.3%左右，峰值效率降低1.1%。相比第4級(jí)引氣增大，引氣減少導(dǎo)致性能變化更為劇烈。第4 級(jí)引氣不變，衒7 級(jí)引氣增加2%，總流量基本不變，峰值效率相對(duì)降低0.4%，在上下游不同位置增加相同比例的引氣量，引氣位置越遠(yuǎn)離壓氣機(jī)進(jìn)口，總流量和峰值效率變化幅度越小，主要原因在于在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，高壓壓氣機(jī)流通能力主要由前面級(jí)限制，下游引氣對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)口影響較弱，前面提到的相比增大第4 級(jí)引氣，減少引氣對(duì)性能的影響更大也與此因素相關(guān)。需要特別說明的是，本方案的高壓壓氣機(jī)級(jí)數(shù)為10 級(jí)，且流通能力主要由前面級(jí)限制，若對(duì)于級(jí)數(shù)、設(shè)計(jì)方案、流動(dòng)狀態(tài)與本方案差異較大的多級(jí)壓氣機(jī)，影響規(guī)律不能一概而論。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到的引氣對(duì)流量和效率的影響變化趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果的一致，但對(duì)流量、效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果大于計(jì)算結(jié)果，需要開展進(jìn)一步研究。

2.2 引氣對(duì)各級(jí)壓比的影響

設(shè)計(jì)點(diǎn)不同引氣方案下的各級(jí)壓比分布如圖9所示。第4 級(jí)引氣增加，前面各級(jí)壓比降低，后面各級(jí)壓比升高；第4 級(jí)引氣減小，規(guī)律相反。第7級(jí)引氣增加，前面級(jí)壓比基本不變，后面級(jí)壓比升高。試驗(yàn)獲得的各級(jí)壓比變化規(guī)律，與本文數(shù)值模擬結(jié)果一致。

圖9 設(shè)計(jì)點(diǎn)不同引氣方案下的各級(jí)壓比分布

2.3 引氣對(duì)級(jí)間匹配的影響

引氣對(duì)第1、4、7 級(jí)單級(jí)特性的影響分別如圖10～12 所示。由于試驗(yàn)時(shí)級(jí)間總溫、總壓探針布置于各級(jí)靜子前緣，因此單級(jí)特性采用S-R 作為第1級(jí)。從圖10 中可見，第4、7 級(jí)引氣量變化不改變第1級(jí)特性線，不同引氣規(guī)律時(shí)特性線基本重合，引氣變化僅影響特性線上的工作點(diǎn)匹配的位置，這個(gè)結(jié)論可以推廣至其余級(jí)。從圖11、12 中可見，引氣變化對(duì)第4、7級(jí)特性有較小影響，特性線不完全重合，有2個(gè)原因：一是引氣改變了下游葉片攻角和負(fù)荷水平，導(dǎo)致特性線變化；二是引氣改變了上游匹配工作點(diǎn)，進(jìn)而改變了級(jí)進(jìn)口的總溫，從而該級(jí)的換算轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化。對(duì)比第4、7 級(jí)引氣對(duì)各級(jí)的匹配影響，第4 級(jí)引氣顯著改變了第1、4 級(jí)的流量，第7 級(jí)引氣對(duì)進(jìn)口級(jí)特性影響很小，再次表明多級(jí)軸流壓氣機(jī)總流量由進(jìn)口級(jí)決定，引氣位置越遠(yuǎn)離壓氣機(jī)進(jìn)口，對(duì)總流量的影響越小，僅影響了引氣位置上下游的匹配。

圖10 第1級(jí)流量壓比特性

圖11 第4級(jí)流量壓比特性

圖12 第7級(jí)流量壓比特性

3 結(jié)論

（1）級(jí)間引氣對(duì)多級(jí)軸流壓氣機(jī)各級(jí)的單級(jí)特性影響較小，但引氣改變了引氣處上下游的流量分配，從而改變了基于流量的壓氣機(jī)級(jí)間匹配特性，進(jìn)而影響了整個(gè)壓氣機(jī)的總特性。

（2）多級(jí)軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速前面級(jí)處于流量堵塞工況，相對(duì)第7級(jí)引氣，第4級(jí)引氣可顯著影響壓氣機(jī)的總流量，改變壓氣機(jī)匹配特性；引氣位置越遠(yuǎn)離進(jìn)口，對(duì)總流量的影響越小，僅影響了引氣附近上下游各級(jí)的匹配；相比第4級(jí)引氣增加，第4級(jí)引氣減小對(duì)壓氣機(jī)性能影響更為顯著。

（3）試驗(yàn)得到的引氣對(duì)總性能、各級(jí)工作點(diǎn)匹配影響與數(shù)值模擬的一致，但對(duì)流量、效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果大于數(shù)值模擬結(jié)果，需要開展進(jìn)一步研究。