壓氣機葉頂間隙變化規律及對氣動性能的影響

高國榮, 曾瑞慧, 陳美寧

(1.中國航發商用航空發動機有限責任公司, 上海 201108; 2.上海市航空發動機數字孿生重點實驗室, 上海 201108)

隨著壓氣機不斷向高負荷和低展弦比的方向發展[1],且核心機尺寸越來越小,葉頂間隙造成的損失占總損失的比例越來越高;同時間隙會影響端壁區域的流動,進而影響到壓氣機的整體性能,因此研究間隙損失對研制大涵道比渦扇發動機高壓壓氣機至關重要。目前一般在靜子機匣內壁上噴涂易磨涂層[2-3],但涂層表面粗糙度大,會進一步帶來損失。而且在實際服役過程中,由于高壓壓氣機的工作環境比較惡劣,高溫、葉片刮削、外部顆粒及氣體沖蝕都會使機匣涂層失效[4],導致葉尖間隙發生改變,壓氣機的喘振裕度降低,這對航空發動機高壓壓氣機的工作穩定性十分不利。以CFM56-3發動機為例,試驗表明,高壓壓氣機葉片尖部間隙增加0.25 mm,排氣溫度裕度降低5 ℃[5]。

中外學者針對壓氣機轉子葉尖端區復雜二次流動、流動失穩、間隙尺寸效應、泄漏渦系結構等開展了大量的仿真計算及試驗研究。Boristav等[6]和Kang等[7]分別研究了前排導葉尾跡和主流區對葉頂間隙泄漏流動的影響。Kazutoyo等[8]和Sakulkaew等[9]分別用試驗和數值模擬方法闡述了葉頂間隙對軸流壓氣機轉子失速裕度以及壓氣機效率隨轉子間隙的變化規律,分析了壓氣機效率對不同間隙的性能敏感度及其產生原因。

壓氣機葉頂間隙分析分為軸對稱和非軸對稱兩類,其中非軸對稱葉頂間隙分析還要考慮隨著飛行里程的變化,目前非軸對稱葉頂間隙對性能的影響通常采用簡化的分析模型評估[10-14]。軸對稱葉頂間隙分析主要考慮離心力和溫度場的綜合影響,通過數值模擬分析發現葉頂間隙對跨聲速動葉的影響更大[15-16],間隙增大導致轉子葉尖處激波向上游移動[17]。

當前的研究大多采用數值模擬或少數級壓氣機試驗的手段進行分析,而10級以上壓氣機因其前后級葉片展高不同,葉頂間隙相對葉片展高比值不同,對壓氣機整體性能的影響程度需要綜合評估,因此有必要針對間隙在多級環境中的影響進行試驗探索。本文研究在大涵道比渦扇發動機的高壓壓氣機部件性能試驗、核心機及整機性能試驗研究中,以轉子葉頂間隙對壓氣機整體性能的影響為關注點,深入探索不同尺寸壓氣機葉頂間隙的變化規律及其對高負荷多級軸流壓氣機氣動性能的影響模型,獲取有工程實用價值的完整試驗數據。

1 葉頂間隙的變化規律

1.1 葉頂間隙影響因素

壓氣機葉頂間隙軸對稱變化與壓氣機所處工況強關聯,具有普遍的規律性。如圖1所示而非軸對稱間隙分析影響因素有轉子彎曲、轉子偏心、機匣橢圓度、機匣偏心等,這些由隨機的制造類或飛行機動類變化導致的間隙變化需要大量的數據統計進行分析。

本文研究對象為10級壓氣機葉頂間隙軸對稱變化規律,如圖2所示,10級動葉(R1～R10)葉頂間隙影響因素中轉靜子徑向變形差權重占90%以上,而轉靜子徑向變形差主要由離心力和溫度場變化產生。因此,本文著重研究由離心力和溫度場引起的轉靜子徑向變形差對壓氣機葉頂間隙的影響規律。

圖2 壓氣機各級轉子葉頂間隙變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of compressor tip clearance variation

1.2 離心力對葉頂間隙的影響

壓氣機轉子葉片在不同轉速下,受到離心力的作用,葉片的伸長也不同,離心力與轉速的平方成正比,可得各轉速下因離心力引起的葉尖變形量為

ΔR′CF=CbN2

(1)

式(1)中:N為轉速;Cb為離心力下的線變形系數;CbN2為不同轉速下的葉尖變形量。

1.3 溫度場對葉頂間隙的影響

隨著壓氣機轉速的提高,葉片和機匣受到溫度載荷的作用,各級轉子和對應外機匣的變形量不同,可得各轉速下因溫度引起的葉尖變形量為

ΔR′T=ΔR′TS+ΔR′TR

(2)

ΔR′TS=CTSΔTS

(3)

ΔR′TR=CTRΔTR

(4)

式中:ΔR′T為溫度載荷;ΔR′TS、ΔR′TR分別為外機匣、轉子溫度載荷;CTS為溫度引起的外機匣半徑變形系數;ΔTS為外機匣溫度變化率;CTR為溫度引起的轉子半徑變形系數;ΔTR為轉子溫度變化率。

若進口溫度不變,則ΔTS和ΔTR均為轉速N的函數。若是加溫加壓工況,則ΔTS和ΔTR應考慮進口溫度和轉速兩者的變化。

1.4 葉頂間隙的經驗擬合規律

壓氣機各級動葉的葉頂間隙基準為冷態間隙即轉速為0時測得的葉頂間隙R0,各級轉子動葉溫升與葉片做功即輪緣功線性相關,而輪緣功與轉速N2相關,各級轉子動葉的徑向變形量與其線性膨脹相關,而線性膨脹量隨轉速接近線性變化,因此,因溫度載荷導致的轉子動葉徑向變形量為轉速N3的函數。因離心力載荷導致的轉子動葉徑向變形量為轉速N2的函數。因機匣溫度載荷導致的機匣徑向變形量為轉速Nx的函數,轉速指數x根據實際情況可設置為1～2。綜上,壓氣機葉頂間隙的經驗擬合規律為

Rn=R0+AN3+BN2+CNx

(5)

式(5)中:Rn為指各級的葉頂間隙;A、B、C為指葉頂間隙擬合規律的系數。

多臺份壓氣機部件和核心機試驗證明,三次多項式擬合精度較高,尤其對后面級回歸系數接近1,圖3為第2級和第7級動葉的葉頂間隙擬合多項式(軸向坐標相對換算轉速N/D對應自變量x,縱坐標葉頂間隙對應因變量y,擬合回歸系數R2),假定機匣線性膨脹隨轉速接近線性變化。

紅色方框點代表不同轉速試驗實測葉頂間隙;綠色三角點代表不同轉速多項式插值得到的葉頂間隙值

2 葉頂間隙對性能的影響

2.1 間隙對單級性能的影響

通過繪制E310級壓氣機各級進口相對馬赫數的曲線可將壓氣機分為跨音級(0.9 MA以上)、高亞音級(0.75～0.9 MA)和低亞音級(0.75 MA以下)。如圖4所示,設計轉速下前4級為跨音級,中間3級為高亞音級,后面3級為低亞音級。分別針對第1級轉子R1、第6級轉子R6和第9級轉子R9進行葉頂間隙對單級性能影響的仿真和試驗研究,得到各級等熵效率η隨著葉頂間隙的變化規律,其中葉頂間隙Clearance采用其與葉片展高Span的比值無量綱化為相對葉頂間隙(C/S)。

圖4 典型壓氣機各級進口相對馬赫數Fig.4 Typical inlet relative mach number of each stage

圖5～圖7分別給出了跨音級R1、高亞音級R6和低亞音級R9不同葉頂間隙的壓氣機單級性能仿真與試驗結果對比,圖5～圖7中效率和葉頂間隙數值均進行無量綱化處理,各條曲線線中三角紅心點為不同間隙仿真計算的效率變化值,序號1和2的黑圈代表兩次試驗相比零間隙的效率變化值。由圖5和圖6可知,葉頂間隙增大超過紅虛線后壓氣機的效率隨間隙增大開始突降,且降低越來越顯著,間隙水平進入性能敏感區,兩次試驗結果驗證了仿真結果。因此,針對跨音級,建議相對葉頂間隙控制在0.3%以下;針對高亞音級,建議相對葉頂間隙控制在0.75%以下;針對低亞音級,建議相對葉頂間隙控制在1.0%以下。由表1可知,第一級跨音級間隙超過限制值0.3%,隨著間隙的增大,效率下降3倍以上,而第6級和第9級未進入間隙的性能敏感區,葉頂間隙對性能的影響可接受。

表1 兩次試驗典型級間隙變化對性能影響對比Table 1 Performance comparison of typical stage tip clearance in two tests

圖5 葉頂間隙對跨音級單級性能的影響Fig.5 Influence of transonic stage performance by increased tip clearance

圖6 葉頂間隙對高亞音級單級性能的影響Fig.6 Influence of high-subsonic stage performance by increased tip clearance

2.2 間隙對總性能的影響

從上面的分析可知,葉頂間隙增大進入性能敏感區對壓氣機的單級性能產生了較大影響,從而導致壓氣機內部的級間匹配發生變化,不同轉速下的各級性能變化也不完全一致。表2給出了某大尺寸十級壓氣機的設計與試驗間隙,后兩級試驗間隙是設計間隙的兩倍以上。利用各級靜子前緣總溫和總壓葉型探針的實測數據,處理獲得壓氣機每一級和總的壓比特性線與效率特性線。圖8和圖9給出了設計仿真和試驗的所有單級和壓氣機總的特性線[圖9(a)中數字1代表第1級特性,以此類推,數字10代表第10級特性],流量、壓比和效率數值均進行無量綱化處理。由圖8可知,間隙增大后總特性曲線向左下方平移,流量整體減小0.86%,流量的變化范圍增大,穩定裕度明顯降低,最高壓比降低5%以上,效率整體降低0.3%以上;由圖9單級特性可知,前兩級間隙增大主要導致壓氣機總流量整體減小,做功能力有所下降,效率整體基本不變,針對進口跨音多級壓氣機,前面級的間隙主要影響流量和裕度;第9、10級因為間隙翻倍增大,流量的變化范圍也減小,且做功能力明顯下降,流量壓比特性很快出現拐頭,效率也下降超過0.5%。綜上,間隙增大后壓氣機各級的負荷均發生了變化,后面級做功能力明顯降低,雖然前面級的間隙變化絕對值更高,但間隙與葉高之比小,因此前面級未出現壓比和效率降低的現象,主要影響壓氣機流量,后面級不僅影響壓氣機效率,更影響穩定裕度。

表2 設計與試驗間隙對比Table 2 Comparison of each stage tip clearance in both design and test cases

圖8 設計與試驗間隙下壓氣機總性能對比Fig.8 Performance comparison of different tip clearance in both design and test cases

圖9 設計與試驗間隙下各級性能對比Fig.9 Single stage performance comparison of different tip clearance in both design and test cases

2.3 部件試驗驗證

為了進一步驗證間隙對壓氣機部件性能的影響,在圖10中給出了某10級壓氣機所有級轉子的冷態葉頂間隙,前7級轉子葉頂的冷態間隙略有增大,后3級轉子葉頂的冷態間隙明顯增大,由表3可知平均增大1.5%。10級壓氣機部件性能試驗結果顯示,壓氣機總流量變化較小,等熵效率降低1.2%。小尺寸壓氣機試驗驗證了后面級葉頂間隙平均每增加1%,壓氣機總等熵效率降低1%。為了驗證此結論同樣適用于大尺寸壓氣機,表4選取了近2倍尺寸的壓氣機開展后面級葉頂間隙對大尺寸壓氣機部件總性能影響的試驗研究。由表4可知,相對大尺寸壓氣機,前面級轉子動葉葉頂間隙相對展高更高的葉片,絕對間隙增大0.2 mm,相對間隙增大不超過0.1%。對比兩次試驗熱態的設計轉速實測葉頂間隙數據,第6級、第7級和第9級轉子動葉葉頂間隙平均增大0.46%,壓氣機總等熵效率降低0.46%,負荷后面葉頂間隙的相對變化率和壓氣機總等熵效率的線性隨變關系。該結果從側面驗證了葉頂間隙變化在設計轉速對壓氣機前面級的影響不大,對后面級的性能影響較大,間隙增大后壓氣機后面級增壓能力嚴重下降,流量壓比特性中很快出現“拐頭”,效率明顯降低,因此后面級間隙后壓氣機更容易進入喘振狀態。

表3 兩次部件試驗各級間隙變化Table 3 Variation of each stage tip clearance in two component experiments

表4 兩次大尺寸部件試驗間隙變化Table 4 Variation of each stage tip clearance in two large scale component tests

圖10 兩次部件試驗各級間隙對比Fig.10 Comparison of each stage tip clearance in two component tests

2.4 核心機及整機試驗驗證

為深入揭示轉子葉尖間隙對壓氣機在發動機核心機及整機試驗中氣動性能的影響規律,對核心機和發動機整機試驗的壓氣機葉頂間隙測量數據進行了處理,表5和圖11中給出了核心機和整機試驗中壓氣機葉頂間隙數據的無量綱化處理結果。由整機試驗中開啟了核心機艙冷卻,所有級的葉頂間隙都變小,進入非性能影響敏感區,達到理想間隙水平。試驗結果顯示,壓氣機相對葉頂間隙平均減小0.84%,總流量增大1.06%,總等熵效率增加0.97%,接近線性隨變關系。

表5 核心機與整機試驗壓氣機的葉頂間隙變化Table 5 Variation of each stage tip clearance in core engine test and engine test

圖11 核心機與整機試驗壓氣機的葉頂間隙對比Fig.11 Comparison of each stage tip clearance in core engine test and engine test

為了在核心機中驗證壓氣機總效率與后面級間隙水平線性相關的結論,表6和圖12中給出核心機在進口壓力相當情況下常溫和加溫試驗的間隙測量值。核心機加溫試驗時的進口溫度相比常溫試驗增加42 K,各級負荷因為溫度載荷不同而有所不同,但相差不大,這里忽略進口加溫導致各級負荷的變化,前面級轉子動葉因溫度較低,其徑向伸長主要受離心力影響,而機匣隨著進口加溫膨脹量增加,因此前面級葉頂間隙均增大;后面級轉子動葉和對應機匣均受溫度場的影響更大,而且高轉速工況的長時間穩定,轉子的徑向伸長量大于機匣的膨脹量,使得后面4級的間隙平均減小0.23%。核心機加溫試驗結果顯示,實測壓氣機總等熵效率同樣比常溫試驗效率高0.23%,表明壓氣機后4級葉頂間隙“線性”影響總效率的規律仍然適用于核心機加溫試驗,后4級相對葉頂間隙每減小0.23%,總效率增加0.23%。

表6 核心機常溫與加溫試驗壓氣機的葉頂間隙變化Table 6 Variation of each stage tip clearance in core engine ambient test and heating test

圖12 核心機常溫與加溫試驗壓氣機的葉頂間隙對比Fig.12 Comparison of each stage tip clearance in core engine ambient test and heating test

3 結論

基于大涵道比渦扇發動機系列的十級高壓壓氣機單級、部件級、核心機及整機的試驗結果分析,初步掌握了壓氣機葉頂間隙變化規律及對不同尺寸進口跨音多級軸流壓氣機設計轉速氣動性能的影響,得出如下結論。

(1)考慮離心力和溫度場的綜合影響,多級壓氣機軸對稱葉頂間隙變化規律采用三次多項式擬合精度較高,適用于長江系列大涵道比渦扇發動機壓氣機的葉頂間隙分析。

(2)壓氣機前面級葉頂間隙變化主要影響總流量,后面級葉頂間隙進入性能影響更敏感的范圍時,后面級做功能力明顯降低,壓氣機更容易進入喘振狀態,而總效率降低速率達到間隙增大速率的一倍以上。

(3)經過不同尺寸壓氣機部件試驗驗證,核心機加溫與常溫試驗對比,以及核心機和整機試驗驗證,壓氣機后4級葉頂間隙“線性”影響總效率。