风扇转子箍环与机匣间容腔的全三维数值模拟

曹志鹏，兰发祥，张旭，夏天

风扇转子箍环与机匣间容腔的全三维数值模拟

曹志鹏，兰发祥，张旭，夏天

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

转子箍环结构能减小风扇尖部振动，但引入箍环结构后形成的尖部泄漏流会影响高负荷风扇的气动性能。首次利用全三维数值模拟方法，研究了转子箍环结构对风扇性能的影响。模拟过程中，采用多块网格技术，生成转子箍环与机匣间容腔复杂几何结构的网格。结果显示：泄漏流对转子尖部流动及总性能参数影响很大；优化的转子机匣容腔结构可有效减少泄漏流，改善转子尖部流动，提高总性能参数。

航空发动机；风扇转子；箍环；机匣容腔；泄漏流；三维数值模拟；IHPTET

1 引言

低展弦比、大前掠设计的风扇存在根部强度不足及尖部振动问题，采用转子箍环结构是解决这个问题的有效途径。美国IHPTET计划中，在有限寿命发动机验证机(JETEC)上验证了带冠前掠叶片风扇。威廉斯国际公司的XTL87前掠风扇(图1)采用碳纤维缠绕箍环结构，即在叶盘叶冠处采用有机复合材料(OMC)纤维缠绕成箍环，使叶盘重量减轻很多。发动机上的试验表明，风扇在效率、稳定裕度、进口畸变状态下的适应性和非设计点工作方面改善明显。

早在1994年，中国燃气涡轮研究院周拜豪等[1]就提出了开展带箍环两级压比4.3的高负荷风扇技术研究。该风扇的设计指标十分先进，超过了美国当时预研风扇的指标，特别是带碳纤维复合材料的整体叶盘研制在国内尚属首次，国际上这类新思想也处于刚起步状态。周拜豪在国内首次将全三维方法应用到高负荷风扇设计中，转子采用宽弦、大前掠设计，叶型采用低损失叶型设计，大幅提高了风扇性能；与西北工业大学合作，研制出国内第一个带箍环结构的整体叶盘，取得了多项技术突破，为国内整体叶盘技术发展奠定了基础；与南京航空航天大学合作，研制出国内第一个碳纤维复合材料箍环，为复合材料在风扇设计中的应用奠定了基础。带箍环两级风扇的试制，在气动、结构、强度[2]、材料工艺及加工等诸多方面取得了多项突破，将国内风扇设计水平提升到一个新的高度。

图1 IHPTET计划带箍环前掠风扇示意图Fig.1 Forward swept fan with tip ring

带箍环两级风扇的设计在1996年完成，由于采用了多项新技术，试制难度大，很多材料及工艺技术在国内都是首创，2002年才完成加工，同年进行了试验研究。国际上，除美国外，这是第二个采用箍环技术的风扇试验件。由于带箍环转子与常规转子结构不同，试验研究中出现了两个对高负荷风扇性能和结构不利的新问题。一是机匣的高温升，由于转子箍环与机匣间的间隙很小，且采用篦齿封严，在转子叶尖500 m/s的切线速度下，摩擦生热十分显著，而碳纤维复合材料的许用温度并不高。二是转子尖部前缘存在间隙泄漏流，破坏了转子尖部通道内的流动，改变了风扇转子整个通道内的激波结构和压力分布，从而引起堵塞，降低质量流量，风扇的总性能随之大幅下降。经分析，在转子箍环顶部设置封严篦齿，其封严效果并不理想，这是因为转子压比很高，机匣容腔前后压差较大，使得泄漏流较大；同时，由于摩擦产生的高温，机匣壁面向外膨胀，而转子尖部受碳纤维复合材料的约束，无法膨胀，使得机匣容腔间隙增大。在这两方面因素影响下，间隙泄漏流难以控制，最终对性能产生较大影响。

低展弦比、大前掠等设计技术是高负荷风扇重要的发展方向[3～6]。低展弦比可有效减小风扇的迎风面积及发动机阻力；随着风扇转速的不断提高，转子尖部的相对马赫数不断升高，而前掠技术可有效降低相对马赫数，减小激波强度，从而降低风扇叶尖的激波损失。箍环结构产生的泄漏流对转子尖部流动影响较大。当转子旋转时，从容腔内泄漏的气体会对转子尖部进口流场产生较大冲击，影响转子的压比和效率。本文应用全三维数值模拟技术，对箍环和机匣间容腔流动进行了详细分析，研究了泄漏流产生的机理，为带箍环转子机匣容腔结构优化设计提供了技术基础。

2 网格生成

选用NUMECA软件作为数值模拟工具，网格生成使用Autogrid自动网格生成器，网格结构为4HO形。由于箍环与机匣间容腔的结构较为复杂，部分功能在IGG中完成。箍环结构如图2所示，形状不是很规则，有篦齿结构，且多棱角，为保证网格质量，使用多块网格生成(见图3)。机匣容腔间隙很小，在篦齿尖部位置不足1 mm(见图4)，为了有足够的网格点数，对局部网格加密，使得网格规模较大，每次网格生成时间也较长。容腔的进、出口处需加入等Z线，以便与主流区网格匹配。网格规模300万，3层多重网格，y+＜10。

图2 箍环结构示意图Fig.2 The tip ring structure

图3 机匣容腔三维网格图Fig.3 The 3D grids of case-cavity

图4 箍环篦齿二维网格图Fig.4 The 2D grids of ring seal-tooth

3 机匣容腔全三维流动分析

使用NUMECA软件包中的EURANUS求解器求解三维雷诺平均N-S方程。采用多重网格加速技术提高收敛速度，全二阶精度有限体积差分格式，基于MPI平台的并行处理，可求解任何二维/三维、定常/非定常、可压/不可压、单级/多级或整个机械的粘性或无粘流动，具有多种转/静子界面处理方法。3 000步达到收敛标准：进出口流量差在1%之内，且计算残差水平保持稳定。

为研究容腔进口泄漏流对主流区的影响，首先对不带箍环结构的两级风扇进行三维流动计算，得到设计点的流动总参数；然后计算带箍环两级风扇设计点性能，对比分析箍环对总参数的影响；最后对箍环和机匣间的容腔进行多种结构方案设计，并分别进行全三维流动计算，通过总参数对比和流场的详细分析，得到泄漏流动的机理和优化的容腔方案。

改进后的机匣容腔结构如图5所示。对比图2，两者的主要区别在于：改进机匣在篦齿前后有明显升高，篦齿前后容腔的空间增大较多。

图5 改进后的机匣容腔Fig.5 The improved case-cavity

全三维流动分析采用S-A紊流模型。不带箍环、带箍环原机匣容腔和带箍环改进机匣容腔的三维总参数与设计值的对比如表1所示。从表中总参数百分比差值可明显看出：不带箍环的两级风扇三维计算结果与设计值相当接近，最大相对误差不超过1.5%。而带箍环后风扇性能明显下降，总压比下降13.88%，流量和效率分别下降6.72%和6.21%。改进机匣容腔后的带箍环风扇相对原容腔的设计总体性能参数提高很多，除压比外，流量和效率都有明显升高，基本接近不带箍环的水平。三种结构形式下，第一级转子相对马赫数、静压和流线图对比如图6～图9所示。

由图6可知，带箍环后，转子叶尖的流动结构明显改变。原来由转子前缘带出的一道斜激波和背上的正激波的强度明显变弱，激波后的分离区显著增大，在叶片出口处占据了2/3的通道；前缘马赫数急剧增大，超声速区范围也明显增大。原因是机匣容腔进口存在一股较大的泄漏流，使激波强度减弱，扰动能量因泄漏量较大而较强。由于这股不规则的扰流，转子尖部流场变得混乱，二次流动加强，激波后附面层严重分离，气流转折下降，主流区损失增大，效率下降。机匣容腔改进后，转子通道内流动明显改善，有向不带箍环流动结构转化的趋势，但由于泄漏流的影响，激波强度仍被削弱，激波后附面层仍有分离，与大的泄漏流相比，分离减弱，使得主流区的流动好转，损失降低，但分离致使气流转折不足，压比恢复幅度不大。

表1 不同结构方案下三维计算的总参数与设计值对比(百分比差值)Table 1 Comparison between 3D calculate results and design values for different structures

图6 第一级转子95%叶高相对马赫数等值线Fig.6 Relative Mach number contours of the first-stage rotor (at 95%span)

图7 不带箍环及带箍环时第一级转子95%叶高静压分布图Fig.7 Static pressure distribution of the first-stage rotor with and without tip ring(at 95%span)

由图7可知，静压分布反映了转子通道内的流动，与上面马赫数的分析结果基本一致。改进机匣容腔结构与不带箍环的静压分布相近，只是激波较弱，静压峰值变化不十分显著；而原型机匣容腔的静压分布显示，转子通道内的流动没有激波，与设计目标的流动形式相差巨大。

图8 第一级转子吸力面相对马赫数分布Fig.8 Relative Mach number distribution of the first-stage rotor suction surface

图9 第一级转子压力面相对马赫数分布Fig.9 Relative Mach number distribution of the first-stage rotor pressure surface

由图8、图9可知，泄漏流对吸力面的影响大于对压力面的影响。带箍环后，吸力面上50%以上的激波结构发生了很大变化。转子尖部激波后的分离区沿叶高扩大，50%～80%叶高处，激波后的分离明显加强。而改进机匣容腔的激波结构和激波后分离有明显好转的趋势。泄漏流对转子尖部的流动影响最大，越到根部影响越弱，且这种影响的传播在激波面上表现得最为显著。

4 结论

(1)带箍环转子机匣容腔进口的尖部泄漏流对转子尖部的流动结构造成了不利影响。泄漏流量越大，能量越大，会在很大程度上削弱激波，造成激波后流动分离，总性能参数明显下降。

(2)箍环机匣容腔优化设计对减少泄漏流作用明显。从初步改进方案分析来看，由于采用了新的机匣设计，泄漏流显著减小，对转子尖部主流的影响减弱，总性能参数恢复明显。

(3)上述研究仅仅是在机匣容腔结构设计与分析方面做的一些初步工作，转子箍环还存在泄漏流和高温升问题。为此，下一步将在低温升、低泄漏流机匣容腔结构设计方面开展研究，以提高带箍环风扇的技术成熟度，为工程应用夯实基础。

[1]周拜豪，程荣辉，尹红顺，等.带箍高性能两级风扇设计[C]//.中国航空学会2007年学术年会.2007.

[2]王卫国，古远兴，黄庆东，等.带箍环掠型叶片整体叶盘强度分析方法研究[J].燃气涡轮试验与研究，2002，15 (2)：20—23.

[3]Laurence J.Comparison of Tone Mode Measurements for a ForwardSweptandBaselineRotorFan[R].AIAA 2003-3293，2003.

[4]Gary G，Martin J，Daniel L.Shock Characteristics Mea⁃suredUpstreamofBothaForwardSweptandan Aft-Swept Fan[R].ASME GT2007-27338，2007.

[5]Takeshi M，Shinya G.Design and Development of an Ad⁃vanced Transonic Fan Rotor[R].ISABE 2007-1136，2007.

[6]Neubert R J，Gendrich C P.HSCT Forward Swept Fan Per⁃formance[R].ASME GT2003-38948，2003.

Numerical Investigation on Tip Ring-Cavity of Fan Rotor

CAO Zhi-peng，LAN Fa-xiang，ZHANG Xu，XIA Tian
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Tip ring structure can reduce the vibration of fan rotor,but the leakage caused by rotor ring has great influence on the aerodynamic performance of high-loading fan.In this paper,the effects of ring-cavity on fan performance were investigated by the three-dimensional numerical simulation method.Multi-block grid technology was employed for the complex mesh generation of ring-cavity geometric structures.The nu⁃merical results comparison of three different cavity configurations show that:the leakage could affect rotor tip flow field and the aerodynamic performance.The optimizing design of the rotor cavity configuration could reduce the mass of leakage;increase efficiency of rotor tip and improve fan aerodynamic performance.

aero-engine；fan rotor；ring；case-cavity；leakage；3D numerical simulation；IHPTET

V231.3

A

1672-2620(2013)02-0024-04

2012-05-22；

2013-02-18

曹志鹏(1977-)，男，四川广元人，高级工程师，博士后，主要从事压气机性能设计与分析研究。