基于結構特征參數的組合壓氣機放氣量計算方法研究

梅 順 盧 進 謝龍翔

（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）

壓氣機的進口和出口流通截面的面積是根據設計狀態下的工作條件而選定的，因此只有在設計狀態時，它們才與流過的空氣密度完全相適應；而在非設計狀態時，它們與變化了的空氣密度就不相適應了。當壓氣機在中、低轉速下工作時，由于各級增壓不足使得某些級的工作狀態與最佳的設計狀態產生了偏離。進口級的攻角加大使氣流在葉片通道中容易產生分離，導致級性能的下降；出口級的攻角減小，嚴重時可能產生負值，級壓縮能力降低，級性能下降。進口級與出口級的性能變化導致兩者不匹配，使組合壓氣機處于失速或喘振的不穩定工作狀態，并加大葉片的振動應力[1]。

因此，為了改善壓氣機在中、低轉速時的工作性能，廣泛地采用了一些調節裝置。按其結構形式，可分為放氣機構、壓氣機進口可變彎度導流葉片或可轉導流葉片、可轉整流葉片、雙轉子或多轉子壓氣機和機匣處理等。其中，放氣是最簡單有效的擴穩方法[2-4]。

目前的組合壓氣機為了增加在中、低轉速時的穩定裕度一般都帶有放氣腔結構。對于不同的組合壓氣機而言，放氣腔結構布局基本相似，均由壓氣機軸流機匣、離心葉輪外罩等組合形成的空腔構成如圖1。

圖1 典型組合壓氣機放氣腔結構原理圖

本文擬根據不同放氣腔結構參數對放氣量影響大小的研究總結出對于給定放氣量的放氣腔的設計方法，并研究不同放氣量對組合壓氣機性能的影響。

1.計算對象

1.1 放氣腔結構特征參數對放氣量影響

梅順等人[5]根據放氣腔結構特點總結了可能影響放氣腔放氣量大小的幾個特征參數：放氣腔進口面積Ain、放氣腔出口面積Aout、放氣腔進口角度θ、放氣腔進口開槽形式、放氣腔容積V（圖2 所示）。最后通過CFD 計算整個壓氣機帶放氣結構得到對放氣量影響的特征參數主要有3 個，由大到小分別為：Aout、Ain、θ。并建議當需要調節壓氣機放氣量時，首先考慮調節放氣腔的出口面積Aout。

圖2 放氣腔結構特征參數示意圖

1.2 放氣腔內部流動機理分析

圖3 ～7 是組合壓氣機相對折合轉速為0.85 時工作點位置的流場圖。

氣流經放氣腔進口進入放氣腔腔室內時，總溫保持不變（圖6），總壓大幅減小（圖4），靜壓減小（圖5），氣流馬赫數也減小（圖7）；

在放氣腔腔室內，氣流做漩渦流動（圖3），總溫保持不變（圖6），總壓和靜壓均勻分布（圖4 ～5），氣流馬赫數在腔室內也基本一致（圖7）；

圖3 放氣腔內部三維流線分布

氣流由腔室經放氣腔出口排入大氣時，氣流總壓基本不變（圖4），靜壓減小（圖5），總溫不變（圖6），氣流馬赫數急劇增加（圖7），這一過程可以視為等熵膨脹過程。

圖4 放氣腔內部總壓分布

圖5 放氣腔內部靜壓分布

圖6 放氣腔內部總溫分布

圖7 放氣腔內部馬赫數分布

對比多型壓氣機放氣腔特征參數，發現放氣腔進口面積均比放氣腔出口面積要大，因此，放氣腔決定放氣量的關鍵參數是放氣腔出口面積，放氣腔進口只要保證比出口面積大即可，而放氣腔腔室大小只要保證使氣流壓力分布均勻即可。

2.計算方法研究

根據質量守恒方程，流過放氣腔內部任一截面的流量相等，且滿足：

將放氣腔進口面取為截面1，出口面取為截面3，腔室內參數下標均用2 表示，如圖8 所示。

圖8 組合壓氣機放氣原理圖

因此，組合壓氣機放氣腔參數設計可以按以下步驟來完成：

1)先對不放氣時組合壓氣機做計算，得到軸流和離心之間中間輪緣區域的總溫、總壓分布；取這段位置總溫總壓的平均值作為放氣腔進口的總溫、總壓，這樣便得到了；

2)根據原始結構的放氣腔，得到大概的放氣腔的總壓損失系數，這樣便得到了；

3)在結構上，一般越小的放氣出口占用的軸流機匣位置空間越小越利于放氣腔出口的布置，因此，本文采取的設計是在滿足所需放氣量的情況下放氣腔出口（即限流口）的面積最小。顯然，在出口處氣流達到聲速時對于給定流量所需通道面積最小，故此時可知

4)根據給定的放氣量即可得到放氣腔出口面積

5)根據多個壓氣機結構參數對比，放氣腔進口面積設計時保證比出口面積大1.2 ～1.5 倍左右；

6)放氣腔的腔室基本由軸流機匣和葉輪外罩外形決定，盡量大即可；

7)進行帶放氣腔結構的三維計算校核。根據三維計算結果與設計要求相差的大小可以按照1.1 得到的放氣腔的特征參數對放氣量影響大小的分析，調節放氣腔的特征參數使其貼近設計所需的放氣量。

3.不同放氣量對組合壓氣機總體性能的影響

圖9 和圖10 是不同放氣量下組合壓氣機的性能曲線圖。從圖中可以看出，在相同轉速下，隨著放氣量的增加，該組合壓氣機出口處堵點流量是逐漸減小的，因此壓氣機特性線向左移動；由于計算壓氣機整機效率時是認為放出的氣體帶走的能量是直接浪費掉的，因此放氣量越大，浪費的能量越多，壓氣機的峰值效率點隨著放氣量的增加是逐漸向下移動的；放氣相比于不放氣，壓氣機在該轉速下能達到的最大總壓比都有所提升，壓氣機的總壓比隨著放氣量的增加呈現先增大后減小的趨勢，在計算范圍內，15%放氣量處能達到最大的總壓比。

圖9 不同放氣量下組合壓氣機流量-效率特性線

圖10 不同放氣量下組合壓氣機流量-壓比特性線

表1 統計了不同放氣量下組合壓氣機的流量裕度和喘振裕度變化量，其中喘振裕度變化量均是相對于不放氣作比較。由表1 可知，隨著放氣量的增加，組合壓氣機放氣時相比于不放氣時的喘振裕度變化量呈逐漸增大的趨勢，即組合壓氣機的喘振裕度不斷增大，但在5%放氣量時喘振裕度變化量為負值，即放5%的氣不但沒有增加組合壓氣機的穩定裕度，還使組合壓氣機裕度減小了。

表1 不同放氣量下壓氣機裕度統計

4.結論

本文對放氣腔內部流動機理進行了詳細分析，總結出了放氣腔放氣量計算方法為根據質量守恒的一維計算并結合三維帶放氣腔計算進行修正。三維計算修正主要根據放氣腔結構特征參數對放氣量影響大小來進行調整。同時本文還對比了不同放氣量對組合壓氣機總體性能影響分析，結果表明在相對折合轉速為0.85 時，該組合壓氣機隨著放氣量的增加，峰值效率點逐漸降低，能達到的總壓比逐漸提升；放氣相比不放氣，放氣并不一定會增加組合壓氣機的喘振裕度，在5%放氣量時組合壓氣機喘振裕度變化率為負值，即組合壓氣機的喘振裕度反而減小了；隨著放氣量的增加，組合壓氣機喘振裕度也逐步增加，在20%放氣量時達到最大。