级间引气对一维方案压气机流道和性能的影响

钟勇健，滕金芳，羌晓青，欧阳华

(1.上海交通大学 航空航天学院，上海 200240;2.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

作为航空发动机的关键部件之一，高压压气机气动性能的好坏很大程度上决定了整台发动机的性能及可靠性。在高压压气机的气动设计中，不可避免地要涉及到引气，引气是保证发动机正常运行及满足飞机飞行需求的必要环节。同时，合理的引气还能够在发动机起动、停车以及其它非设计工况运行时有效防止压气机发生失速或喘振。

但是，压气机级间引气会降低发动机推力，增大耗油率;PW和GE公司都利用实验数据对带引气的发动机性能计算软件进行了校准［1－2］。级间引气对压气机性能和流场也必然带来影响，国内外从实验和数值分析方面入手，得到了一些有益的结论。在引气量的影响方面，Stevent与Michal［3］研究了单级压气机机匣端壁处引气量变化对压气机内部流动的影响，指出引气流量较小时，压气机整体性能可能下降。Leishman等［4］研究指出引气量较小时靠近压力面的引气槽带来的叶片损失较小;引气量较大时，靠近吸力面的引气方案可得到较小的叶片损失。Leishman与 Cumpsty［5］的数值模拟与实验研究表明，引气量增加时倾斜引气槽的压力损失较小，但主流的流动损失增大。顾杨等［6］对不同引气量引起的压气机性能变化进行了实验研究，实验对象为一台七级高压压气机，级间引气有效地增加了压气机稳定裕度，引气量增加时效率相应降低。赵斌等［7］将引气的影响计入压气机的通流设计，提出了一种基于周向槽引气的引气模型;该引气模型和考虑引气的通流设计方法能够有效的将引气设计参数及其影响反映在通流流场结果中。周文啸等［8－10］通过数值模拟方法研究了多级压气机中间级的级间引气对总体性能与局部流场的影响，对比分析了不同引气量与引气槽的方案。

从以上分析来看，还未见到公开发表的关于级间引气对一维方案压气机流道形状和性能影响研究的报道。压气机一维方案的研究是压气机设计体系中基础和关键的环节［11］，对一维方案程序增加引气模块，提高一维方案阶段计算的准确性，具有重要意义。基于此，本文拟以GE公司的高效节能发动机(E3)压气机［12］为研究对象，采用改进的一维方案计算程序，研究级间引气在不同引气量时压气机流道的变化，并分析其对性能的影响。

1 计算方法

本文使用的压气机一维方案计算程序源于俄罗斯进口程序，包括多级轴流压气机的设计计算程序PCPM与特性计算程序HARIKA。该程序在每个叶片排的进出口设立计算站，求解平均半径处的变比热理想气体控制方程。在计算中所采用的攻角、落后角、流动损失、效率和理论能头经验、半经验计算模型均由大量的实验数据得到。计算程序应用了(1)～(4)四个基本控制方程。

连续方程

能量方程

热力学第一定律

广义伯努利方程

设计计算时，给定压气机设计指标后，程序可计算得到压气机的流道，以及各项气动与结构参数沿着轴向的分布;特性计算时，给定压气机设计参数，程序可预估压气机不同转速的总体性能，包括设计点与非设计点的总压比及总效率。

本文计算采用的是改进的PCPM程序和HARIKA程序。根据E3的设计性能参数，以及基于跨声速多级轴流压气机试验数据所得的叶排效率、落后角和理论能头修正模型，对原型程序做了大量改进;在此基础上，增加了级间引气模块，将级间引气的影响纳入一维方案计算的考虑范围内。

2 验证分析

改进的压气机一维计算程序添加级间引气模块后，对E310级高压压气机进行了验证计算。E3压气机的部分设计指标见表1。

表1 E3压气机设计指标

E3压气机共10级，平均级压比达到了1.368，进口叶尖切线速度达到了451.8 m/s，负荷较高，且为跨声速进口级。设计计算时压比采用提高设计压比的9%进行，一维设计程序验证所得的流道结果见图1。由图可见计算结果与设计值基本完全重合，流道计算是准确的。

一维计算程序对E3压气机设计转速的特性预估结果见图2。由图可见，特性计算的压比与效率均与试验点吻合良好，一维特性计算的精度较高。

综上所述，一维计算程序对E3高压压气机的流道与性能预估准确性较高，可作为级间引气方案的计算工具。

图1 E3压气机计算流道与设计流道

图2 E3压气机特性计算结果

3 计算与结果分析

E3压气机在第5级与第7级引气，引气量分别为1.3%与2.3%。第2节验证计算中设定的引气量与原方案相同。现根据压气机的常见引气量拟定三组引气方案，第一组为原方案，第二组引气量分别为2.6%与4.6%，第三组引气量分别为3.25%与5.75%。第二与第三组引气量分别为原方案的2倍与2.5倍。三种引气方案的流道计算结果比较见图3。方案2、3的6级、8级动叶进口内径相对于方案1的变化见表2。

表2 E3压气机不同方案内径变化百分比

图3 不同引气方案的流道计算结果

由图3与表2可见，在引气位置前，三种方案的流道曲线完全重合，级间引气对引气位置上游的流道并无影响;流道的轮毂曲线在第5级引气处开始收缩，在第7级引气处再次收缩，级间引气位置的流道会发生收缩，并且下游的流道也随之收缩;随着引气量的增加，压气机流道面积的缩小量将会增加，引气量越大，一维计算的流道相对越窄。

采用改进的一维程序计算得到了三种级间引气方案E3压气机性能的预估结果，三种方案的特性比较见图4与图5，方案2、3的特性相对于方案1的变化见表3。

表3 E3压气机不同方案性能变化百分比

由图4、图5与表3中数据可见，三组引气方案的性能计算结果随着引气量的变化呈现单调的改变，计算流量随引气量的增加而减小，总压比随引气量的增加而降低，总效率随引气量的增加而降低。级间引气对一维性能预估的影响与引气量的大小成正比关系。

图4 三种引气方案的压比特性计算结果

图5 三种引气方案的效率特性计算结果

级间引气抽走了主流中的部分气体，直接影响到了引气位置下游的主流气体流量，随着引气量的增加，下游的主流流量相应减小。而一维设计计算流道型线的主要影响因素之一便是主流气体流量的大小，故随着引气量增加，下游流道呈现缩减的趋势。同样，一维特性计算性能预估时，计算流量随着引气量的增加而减小。综上所述，压气机级间引气对一维方案计算的影响主要包括两个方面:一是设计计算时压气机流道型线的变化，二是特性计算时压气机总体性能参数的变化。

4 结论

本文研究了级间引气对压气机流道型线和总体性能的影响，以E310级高压压气机为研究对象，在改进的一维计算程序中增加引气模块，首先进行验证计算，然后对比分析了三种引气量计算方案，得出如下结论:

(1)在改进的一维计算程序中增加引气模块，对E3高压压气机的流道型线设计与性能预估准确性较高，可作为级间引气方案的计算工具;

(2)2倍和2.5倍原始引气量方案改变了E3压气机流道型线内径，6级动叶进口位置改变量分别为0.2%、0.3%，8级动叶进口位置改变量分别为0.38%、0.57%，相对量值较小;对E3压气机的总压比与总效率的影响较大，总压比分别降低3.6%、8.0%，效率分别降低0.61%、0.97%;

(3)为了提高压气机一维方案设计和特性计算的精度，必须在程序中考虑引气量的影响。

［1］Alison B.Evans.The Effects of Compressor or Seventh－stage Bleed Air Extraction on Performance of the F100－PW －220 Afterburning Turbofan Engine［R］.NASA Report，1991.

［2］Yuhas A.，Ray R..Effects of Bleed Air Extraction on Thrust Levels of the F404－GE－400 Turbofan Engine［R］.AIAA－92－3092.

［3］Steven R.W.，Michal L.K..Bleed Flow Interactions with an Axial－Flow Compressor Powerstream［R］.AIAA，2002－4057.

［4］Leishman B.A.，Cumpsty N.A.，Denton J.D..Effects of Bleed Rate and Endwall Location on the Aerodynamic Behaviour of a Circular Hole Bleed Off－Take［R］.ASME，GT2004－54197.

［5］Leishman B.A.，Cumpsty N.A..Mechanism of the Interaction of a Ramped Bleed Slotwith the Primary Flow［R］.ASME，GT2005－68483.

［6］顾杨，崔健，夏联，等.压气机带静叶优化的引气试验研究［J］.燃气涡轮试验与研究，2004，17(4):15－19.

［7］赵斌，李绍斌，吴宏，等.一种考虑级间引气的压气机通流设计方法［J］.航空动力学报，2010，25(9):2097－2102.

［8］周文啸，羌晓青，滕金芳，等.多级轴流压气机级间引气的数值模拟研究［J］.节能技术，2011，29(6):490－494.

［9］赵斌，李秋实，周盛.引气对跨声轴流压气机性能的影响［J］.北京航空航天大学学报，2011，37(1):15－20.

［10］赵斌，李绍斌，李秋实，等.引气提升轴流压气机性能的数值研究［J］.航空动力学报，2011，26(2):262－271.

［11］Joseph P Veres.Axial and centrifugal compressor mean line flow analysismethod［R］.AIAA，2009－1641.

［12］航空航天工业部高效节能发动机文集编委会.高效节能发动机文集［M］.北京:航空工业出版社，1991.