防冰引气对组合压气机性能影响的数值模拟研究

贺　丹，李　杜，张锦纶，邹学奇

（中国航空动力机械研究所，湖南株洲412002）

防冰引气对组合压气机性能影响的数值模拟研究

贺丹，李杜，张锦纶，邹学奇

（中国航空动力机械研究所，湖南株洲412002）

为了研究防冰引气系统对轴流-离心组合压气机性能、内部流场和级间匹配关系的变化的影响，以带有防冰引气系统的组合压气机为研究对象，在离心压气机离心叶轮约3/4相对弦长位置轮缘处开槽引气，在轴流进口导叶叶片表面开孔喷气，进行3维数值模拟计算，并与不带引气和喷气系统的原始压气机进行对比分析。结果表明：防冰引气会引起组合压气机的性能降低，喘振裕度减小；轴流前2级由于折合转速下降，近工作点效率略有提高，但喘振裕度减小；离心级特性线向小流量方向移动，效率降低，稳定工作范围减小。

组合压气机；防冰引气；喷气；数值模拟；航空发动机

0　引言

目前，随着科技水平发展，不论是军用还是民用领域，对直升机的飞行要求也日益提高。由于直升机的飞行状态变化大、环境恶劣的特点，容易发生旋翼或发动机进气道结冰的现象［1］。发动机进气道结冰会改变流道形状，不仅影响其性能，还有可能引起冰块打坏叶片，造成生命财产的重大事故。涡轴发动机作为直升机的主要动力装置，必须通过空气系统保证发动机具有防冰能力。

采用压气机引气，并传输到进口导叶内腔进行加热的方法，可以较为简单的实现防冰气流的自动或手动控制，是较常用的防冰方式。防冰引气作为航空发动机空气系统的一部分，是航空发动机研制的关键技术之一，其对压气机性能影响的研究文献很少，而相关研究主要集中在空气系统对发动机热力循环性能的影响［2］，以及换热结构和空气系统本身的分析等方面［3-4］。

对于压气机而言，可以通过引气和喷气对压气机内部流动进行控制，无论是在轴流压气机［5-9］还是离心压气机领域［10-13］都是研究热点，包括流场结构、引气位置和流量、喷气位置和流量等。压气机中引气对压气机流场的影响较为复杂，根据引气位置、流量等关键参数的选取不同而对性能的影响有利有弊，而对于轴流-离心组合压气机的研究很少。在组合压气机中，由于引气和喷气会改变压气机级间参数，导致轴流各级和离心级工作在非设计折合转速范围，同时影响压气机各级进口流场，必然会引起压气机性能的变化。

本文以组合压气机为研究对象，在离心压气机轮缘某位置开槽引气，在轴流进口导叶叶片表面开孔喷气，研究此复杂的引气、进气环境对组合压气机性能和级间匹配的影响。

1　数值计算

1.1研究对象

本文的研究对象为某轴流-离心组合压气机，引气位置为离心叶轮约3/4相对弦长位置轮缘处，形状为环形槽。一部分防冰热气从进口导叶轴颈进入导叶内部，通过导叶吸力面近尾缘处沿叶高方向分布的3个矩形孔进入压气机主流道。组合压气机防冰引气如图1所示。

图1　组合压气机防冰引气

1.2网格模型

原始模型为某轴流-离心的组合压气机，为了验证防冰引气对组合压气机的影响，对其性能进行了全3维计算，采用NUMECA软件的Autogrid模块生成网格，每排叶片平均网格数在40万以上（离心叶轮网格在100万以上），并保证y+值小于10。

利用FINE/Turbo软件对采用气膜冷却及抽吸气技术的旋转机械进行数值模拟，一般采用2种方法求解。1种是划分气膜孔或抽吸孔的网格后直接求解；另1种是源项法，即采用假设的方法，在叶片表面气膜冷却或抽吸位置相对应的网格点上添加质量源项、动量源项、能量源项，针对导叶表面喷气，若建立气孔、气腔真实网格求解，网格划分时间、网格规模、计算难度和求解时间将大大提高。为了节省时间和资源，在进气导叶处采用源项法，即导叶吸力面近尾缘处分别在15%、50%及85%叶高位置添加源项来模拟防冰气体的喷入，如图2（a）所示。对于离心叶轮轮缘处放气槽，将环形槽与离心叶轮轮缘面之间的滑移片拆分做转静交界面，环形槽的网格如图2（b）所示。离心叶轮处的引气，用来对进气道支板和压气机进口导叶叶片内腔进行加热（而进气道支板不在本文研究的计算域内），即对进口导叶进行防冰的气流流量仅为离心轮缘引气流量的一部分，且进口导叶的气流温度低于引气点引气温度。因此，引气及喷气部分不能组成1个完整的自循环模式，其对压气机性能的影响是独立的。

图2　防冰引气处理方法

1.3计算方法

3维数值计算采用时间平均法求解控制方程组加湍流模型的数值模拟方法，选用Spalart-Allmaras一方程湍流模型来封闭上述方程组。采用守恒形式的有限体积法、中心差分格式进行空间离散，时间推进采用4步Runge-Kutta法，利用多重网格和隐式残差均化对流动实施加速收敛，同时也节约了时间。

计算包括2个模型，即不带防冰引气系统的原始状态组合压气机（以下简称“原始状态”），以及带离心引气和进口导叶尾缘喷气的防冰引气状态组合压气机（以下简称“防冰引气”）。计算工质采用理想气体，边界条件设置为：进口给定总压、总温和进气角，出口给定静压。每个叶片排计算单个通道，给定周期性的边界，流固结合面给定固壁绝热边界。

计算通过逐渐加大组合压气机出口截面的静压获得不同状态点工况。计算得到原始状态的性能曲线和流场结果。在防冰引气的计算中，在相同背压原始状态计算结果中对应的离心叶轮近轮缘引气位置获取引气温度，从而设定相应的引气量及导叶处的进气量进行计算。随压气机压比的增大，防冰引气的引气量和进口导叶的喷气量随着离心外罩引气位置的温度升高而减少。

2　防冰引气的影响分析

2.1性能计算公式

总压比、效率和稳定裕度是衡量压气机性能的关键指标，因此，从这3方面对组合压气机的性能进行对比分析。

总压比可表示为

文献［14-15］分别对引气及喷气条件下的压气机效率进行了探究，并给出了相应的效率修正公式，但均不适用于本文防冰引气的情况。为准确评估压气机在防冰引气条件下的效率，需同时考虑引气及喷气共同工作的作用。将气流分为主气流、喷气气流及引气气流3部分来对式（2）进行修正。

压气机所需等熵压缩功仅考虑主气流，可表示为

压气机所需实际消耗功则需考虑主气流、喷气气流及引气气流3部分，分别表示为

因此，带防冰引气的组合压气机的效率为

某折合转速下压气机工作的稳定工作裕度SM为

为合理比较2种状态下组合压气机性能的变化，定义第1级转子进口截面为组合压气机进口截面，即不包括进口导叶部分。进口导叶处喷气仅改变压气机的进口条件，故需对式（7）进行相应修正，修正公式为

图3　流量-压比特性

带防冰引气前、后压气机的性能特性对比如图3～5所示（效率、压比及流量均进行无量纲化处理）。从图3、4中可见，采用防冰引气后，压气机的堵点折合流量减少了约0.56%，这是由于部分引气流量被用于进气道的加热而导致的；在整个流量范围内，压比及效率均有所降低；就近设计点而言，带防冰引气的压气机折合流量约减少0.5%，效率约降低0.78%，压比约降低0.68%。从图5中可见，防冰引气使得组合压气机的性能整体略有降低。采用防冰引气前、后压气机的稳定裕度降低了2.44%，说明防冰引气使得组合压气机的稳定工作范围明显减小。

图4　流量-效率特性

图5　效率-压比特性

2.2状态比较

在防冰引气状态下，防冰热气从进口导叶吸力面近尾缘位置进入主流道，因此对第1级转子的进口条件必然产生影响。由于进口导叶尾缘向主流道内喷气而形成的出口流场如图6所示。在2种状态下的导叶出口总温分布如图6（a）所示，可见在导叶尾缘下游形成了高温区。导叶出口的总压分布如图6（b）所示，可见在原始状态下，由于叶片尾迹而产生了低压区；在防冰引气状态下，由于近尾缘处喷入较高能量气体，在叶片下游的对应位置形成了高压区。

图6　组合压气机进口导叶出口流场

根据计算结果得到的在防冰引气状态下参数的变化见表1，表中包括了轴流第1级转子进口、离心压气机进口和组合压气机出口3个位置，其中近堵点、近工作点和近喘点均分别在相同背压下进行比较。从图6中可见，在进行防冰引气之后，由于进口导叶喷入了高温气体，在各状态下轴流第1级转子进口总温和总压有所升高，折合转速下降。

表1　防冰引气造成的状态变化

离心压气机进口总温相对于原始状态的均有不同程度的升高，从近堵点到近喘点温度的增幅变大，近喘点温度上升幅度最大，折合转速降低的幅度也随之变大。组合压气机出口的变化趋势与离心进口的类似，总压的变化相对较小。

3　压气机级间匹配特性分析

压气机进口导叶喷入高温高压气体，导致第1级转子前进口条件变化，轴流第1级（不包括进口导叶）的特性线变化情况如图7所示。从图中可见，由于原始状态下堵点到喘点进口条件不变，因此折合转速不变；在防冰引气状态下进口总温升高，折合转速减小，并且由于从堵点到喘点的过程中进口导叶防冰的喷气热量不断减少，导致第1级转子进口折合转速持续变化。因此，在防冰引气的影响下，第1级转子由于进口总温升高，折合转速减小，压气机工作点向左移动，同时进口条件变化，稳定工作范围明显减小。防冰引气状态近喘点与原始状态相同背压点的折合流量有较大幅度减小，将导致第1级较原始状态更早失速，减小了压气机的喘振裕度。值得注意的，由于折合转速下降，防冰引气状态下近工作点的级效率有所提高。

轴流第2级的特性曲线如图8所示。与第1级相同的是，堵点折合流量减少，近喘点压比减小，喘振裕度减小。但是由于特性线左移，最高效率点左移，导致在近设计压比点效率有所提高，如图8（c）所示。

图7　轴流第1级特性曲线（不包括进口导叶）

图8　轴流第2级特性曲线

轴流第3级的特性曲线如图9所示。与前2级不相同的是，在原始状态和防冰引气状态下的轴流第3级进口折合流量几乎一致，喘振裕度降低幅度较小。在防冰引气状态下的近设计压比点效率略有减小，如图9（c）所示。

图9　轴流第3级特性曲线

整个轴流级（不包括进口导叶）的特性曲线如图10所示。与前文所述的轴流前2级的特性趋势基本一致，即堵点流量减小，喘振裕度减小，而近工作点压比下的效率有所提高。

图10　轴流级特性曲线（不包括进口导叶）

离心压气机的特性曲线如图11所示。从图中可见，由于轴流出口总温的升高，离心压气机工作的折合转速有所下降；在防冰引气状态下的堵点流量略有增加，压比喘振裕度略有不足；由于离心叶轮轮缘位置存在放气，因此离心级的效率为

图11　离心压气机特性曲线

式中：Pr为离心压气机压比；Tin、Tb、Tout分别为离心压气机进口截面、离心叶轮外罩引气处及离心压气机出口截面的总温，K；Gb、Gout分别离心叶轮外罩引气处及离心压气机出口截面的物理流量，kg/s。由此可见，防冰引气的离心压气机随着流量的减少，效率相对与于原始状态降低得更加明显。

5　结论

通过3维数值模拟计算，对防冰引气条件下的组合压气机各级特性与原始状态进行了比较，分析了轴流各级和离心级的性能和匹配关系变化，得到如下结论：

（1）在整个流量范围内，防冰引气使得压比及效率均有所降低，并且组合压气机的稳定裕度减小了2.44%。

（2）在防冰引气状态下，进口折合流量有所减少，轴流转子前折合转速略有下降，轴流压气机作功能力减弱，但从近堵点到近工作点效率有所提高。

（3）不包括进口导叶的轴流第1级特性变化较为明显，流量范围明显减小，可能是造成整个组合压气机在防冰引气状态下喘振裕度减小的主要原因。轴流第3级特性变化较小。

（4）离心压气机受防冰引气的影响，折合转速降低，但堵点流量有所增加，喘振裕度略有减小，近工作点到近喘点的效率明显降低。

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（编辑：张宝玲）

Numerical Simulation Investigation on Influence of Anti-icing Bleed on Performance of Combined Compressor

HE Dan，LI Du，ZHANG Jin-lun，ZOU Xue-qi
（Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou China 412002）

In order to research the influence of the anti-icing system on the performance of axial-centrifugal combined compressor，the internal flow field and the variation of inter-stage matching relation，taking the combined compressor with anti-icing system as research object，bleeding by opening slot at about 3/4 relative chord position flange of centrifugal impeller for a centrifugal compressor，injecting air by making holes on vane blade surface of axial flow inlet，the three-dimensional numerical simulation of the combined compressor was carried out and the comparison between the combined compressor with and without the anti-icing system was performed.The results show that the anti-icing system causes the degeneration of compressor performance and stall margin.Due to the decline of corrected rotation speed，the efficiency of the first and second axial stage is increased but the stall margin is decreased.The performance curve of the centrifugal compressor is moved towards low mass flow，the efficiency and the steady operation range are reduced.

combined compressor；anti-icing bleed；air injection；numerical simulation；aeroengine

V 211.6

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.011

2016-03-08

贺丹（1988），女，从事压气机气动设计工作：E-mail：676439801@qq.com。

引用格式：贺丹，李杜，张锦纶，等.防冰引气对组合压气机性能影响的数值模拟研究［J］.航空发动机，2016，42（4）：63-68.HEDan，LIDu，ZHANGJinlun，et al.Numericalsimulationinvestigationoninfluenceofanti-icingbleedonperformanceofcombinedcompressor［J］.Aeroengine，2016，42（4）：63-68.