积垢对轴流压气机性能的影响分析

杨天南，蔡 晋

（1.中国人民解放军海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳110043；2.沈阳航空航天大学航空航天工程学院，沈阳110136）

0 引言

在压气机工作过程中，积垢黏附在叶片表面改变了叶片的几何形状和气流进入压气机的攻角，增加了叶片的表面粗糙度，降低了气流通道的流通能力，使压气机的压比、效率降低[1]。在压气机工作过程中70%～85%的性能衰退都是由积垢引起的[2]。在轴流压气机中气流流经扩压叶栅实现作功和增压，因此积垢对轴流压气机性能的影响尤为明显[3-6]。为了减小积垢对压气机性能的影响，国际上通用的有效方法是对发动机实施视情和定期的在线和离线清洗[7-12]。为了确立合适的清洗时机，合理安排清洗次数，减少维护成本，研究积垢对压气机性能的影响是十分必要的。

本文通过建立压气机3维模型，根据观测对积垢在叶片表面的实际分布进行了模拟，利用CFD软件Numeca[13]对污染前、后压气机的性能进行计算，分析了积垢对压气机性能影响并选取了受积垢影响最大的压气机参数。

1 积垢对轴流压气机性能的影响

积垢将导致叶片前缘形状和表面粗糙度发生变化，改变气流的进气角，使压气机偏离设计状态，降低压气机的作功能力，从而改变压气机特性，严重时甚至使发动机喘振[14-16]。根据某发动机轴流压气机叶片和几何结构的测绘数据建立压气机模型，在标准大气条件下对其性能进行仿真计算，对比分析积垢对轴流压气机性能的影响。

1.1 压气机模型的建立和网格划分

为了提高压气机的增压比，在某型发动机单面离心式压气机的前面设置了1级轴流压气机。该轴流压气机的叶片较宽，具有小展弦比和小叶栅稠度的特点。通过测绘可以得到沿叶高7个截面叶型的吸力面与压力面的坐标、各截面叶片前缘与后缘的边缘切点坐标和半径，如图1、2所示。

将叶型的吸力面与压力面坐标数据和叶高数据相结合可以得到叶型的3维坐标。在处理软件中查看压气机的模型，如图3所示。

1.2 对积垢的模拟

积垢在叶片表面分布的研究方法主要有试验测量和数值模拟分析。试验测量可得到积垢的分布特点及叶片表面粗糙度，且结果可靠，可信度高，但具有成本较高、工作量大等局限性。由于受条件限制，本文无法采用试验测量叶片表面积垢的分布情况，而是采用数值模拟分析方法，通过增加叶片的厚度模拟积垢黏附在叶片表面后叶型的变化，然后在叶片表面增加较小的随机尺寸高度模拟轴流叶片表面粗糙度的变化。

本文选取的轴流压气机靠近压气机入口，限于研制时技术水平，进气道内未设置空气过滤系统，在发动机外场工作60 h后的压气机第1级转子表面有大量积垢，如图4所示。压气机叶片在中度污染情况下积垢的厚度数量级为10μm，重度污染时增加为100μm。

积垢在叶片表面主要分布在叶片的前缘部位或压力面和吸力面,为降低研究的复杂性，假定叶片表面积垢是沿叶高均匀分布的。研究积垢主要分布在叶片前缘部位时，选取积垢厚度为100μm的叶片（前缘半径的20%左右，模拟重度污染）与积垢厚度为50 μm的叶片（前缘半径的10%左右，模拟中度污染）进行压气机特性仿真计算。由于叶型数据是沿气流流动方向并且沿叶根到叶尖方向设置的，因此在仿真平台中对径向各截面叶片前缘区（弦长的5%）的叶型数据沿轴向和周向各做一定的增减，使叶型沿前缘圆心（坐标位置已知）方向延伸100μm以模拟叶片受到重度污染后的叶型，用同样方法模拟叶片受中度污染后的叶型。受污染前、后叶片的前缘形状如图5所示；研究积垢主要分布在叶片压力面和吸力面时，根据叶型数据的特点，假定叶型的径向和轴向坐标不变，周向坐标分别加厚100μm和50μm。为了更真实地模拟积垢在叶片表面后叶型的变化，再增加1组0～10μm的随机数来模拟叶片表面粗糙度的变化。

根据模拟积垢沉积在叶片表面而修改的叶型数据，建立Numeca/Autogrid专用的GeomTurbo几何文件，进行网格划分，最终建立带积垢的压气机模型。

1.3 计算结果分析

1.3.1 同一转速下积垢对压气机性能的影响

在最大转速状态下，从设计点开始，通过逐渐增加背压向失速点推进，得到压气机的特性曲线。第一计算点的初场为给出入口处静压的估计值，其余计算点取前一工况的计算结果为初场，数值失速前的最后1个收敛解对应近失速工况。积垢分布在叶片前缘和吸力面与压力面时压气机的特性曲线如图6、7所示。

从图6、7中可见，积垢使压气机特性曲线下移，减小了压气机的喘振裕度，当压气机受到污染后，流量和效率显著下降，并且在效率最高点附近效率和流量下降幅度较小，而偏离效率最高点时效率和流量则急剧降低，增压比则由于流量的改变而变化得不明显。压气机在中度污染时，增压比和效率显著降低，当污染程度继续增加时，增压比和效率变化幅度减小，充分说明了及时清洗压气机的必要性。

1.3.2 不同转速下积垢对压气机性能的影响

为研究不同转速下积垢对发动机性能的影响，假定积垢分布在叶片的前缘。在相同进、出口条件下，改变发动机转速，对压气机性能进行仿真计算，对比分析不同转速下积垢对压气机空气流量的影响，如图8所示；保持入口条件和转速不变，改变出口平均静压，得到污染前、后压气机的特性曲线。从图中可见，空气流量随着压气机入口流量的增加而减小，而随着转速的提高而增大。

1.3.3 压气机性能参数对积垢的敏感性

传统的发动机积垢清理方法是发动机停车后，通过目视、内窥镜等检查叶片表面积垢情况，进而对其成分进行分析，选取适当的清洗剂以提高清洗效果。这种方法的缺点是需要等发动机停车冷却且费时较长，通过观察对积垢变化敏感的发动机参数，对叶片表面积垢情况做出估计，可达到视情维修的目的，节约大量维护时间和维修成本。

研究表明积垢对空气流量影响很大，而入口压差ΔP（即压气机进口总压与压气机进口静压的差值）与空气流量密切相关，该参数便于测量且不易受外界干扰。为了估计压气机的污染程度，选取反映压气机工作状况的性能参数为：增压比 πc、效率 ηc、增温比 τc、空气流量ma和入口压差ΔP，对比分析找出对积垢变化最为敏感的参数，为确定压气机清洗时机提供参考。此外，本文对积垢在叶片表面的不同分布位置和压气机的不同转速即不同工况下的性能参数进行了仿真计算，对比分析压气机各性能参数对积垢的敏感性。在计算过程中，入口条件保持不变，依次提高出口背压，空气流量逐渐减少，得到压气机工作的特性曲线。通过计算压气机叶片在洁净状态与不同污染程度状态下各性能参数的相对变化量分析其对积垢的敏感性。

1.3.3.1 性能参数对不同分布位置积垢的敏感性

积垢主要分布在叶片的前缘和叶片的压力面与吸力面，在压气机起飞状态转速下，入口条件为标准大气，出口条件为给定半径处(0.115 m)的静压值，分别对这2种情况进行了仿真计算。5个测量点出口的静压值分别 125、130、133、135 和 137 kPa，出口压力依次提高，空气流量逐渐减少，基本涵盖了发动机在起飞状态转速下空气流量的变化范围。压气机受到中度污染和重度污染后，与洁净状态相比，各性能参数对积垢的敏感性如图9、10所示。

从图9、10中可见，随着出口压力的增加，压气机出口气流总温小幅度升高；随着空气流量的减少，增压比πc增大，而叶片受污染后，空气流量也随之减少，二者综合作用的结果使增压比πc变化很不明显；空气流量ma是根据入口处总温、总压和静压计算出来的，假定入口处和不变，则空气流量ma与静压Pin是一一对应的，在相同条件下，由空气流量的计算公式可以推导出入口压差ΔP的变化量大于空气流量ma的变化量；入口压差ΔP在不同的污染程度和积垢分布在不同位置下均有不同程度降低，在压气机的性能参数中变化最明显，且随着压气机污染程度的增加，入口压差ΔP的变化量也逐渐增加。因此，入口压差ΔP是所选参数中对积垢的变化最敏感的。

1.3.1.2 不同转速下压气机性能参数对积垢的敏感性

为了分析不同转速下压气机性能参数对积垢的敏感性，对发动机在起飞转速和最大连续转速下的性能参数进行计算。在最大连续转速下各性能参数对积垢的敏感性如图11、12所示。

从图11、12中可见，压气机叶片被污染后，在最大连续状态转速下各性能参数的变化趋势与在起飞状态转速下的趋势基本一致。在最大连续工况下，入口压差ΔP在压气机的性能参数中对积垢最敏感。因此，对轴流压气机而言，入口压差ΔP在压气机不同转速和不同污染情况下是评估积垢污染程度的参数中比较准确和敏感的，另外，该参数不但便于测量而且不易受外界因素干扰，可用于确定压气机的清洗时机。

2 结论

本文根据某型发动机第1级轴流压气机叶片和几何结构数据，建立了压气机模型，模拟了积垢在叶片表面的分布情况，并对污染前、后压气机的性能进行计算，对比分析了积垢对轴流压气机性能的影响。可以看出，积垢黏附在叶片表面改变了叶片的几何形状和进入压气机气流的攻角，增加了叶片的表面粗糙度，降低了气流通道的流通能力，最终使压气机的压比、效率下降。压气机在中度污染时，增压比和效率显著下降，当污染程度继续增加时，增压比和效率变化幅度减小；压气机在不同转速和不同污染程度下，性能参数中入口压差对积垢最敏感。研究结果可为确定压气机清洗周期和预防叶片积垢提供借鉴。

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