进气道与压气机进口级一体化仿真研究

摘 要：本文针对某涡桨发动机开展进气道与压气机一体化数值仿真研究。为了研究大S弯进气道复杂进气条件对轴流压气机进口级性能、稳定性的影响，采用了包含S弯进气道及低压压气机进口级的全通道定常计算方法。通过研究，揭示壓气机在非均匀进出口条件下的流动机制，探索该环境下内部流场与叶片载荷的分布规律，指导进气道、压气机的改进优化设计，进而提高压气机稳定性和可靠性.

关键词：涡桨发动机;S弯进气道;轴流压气机;畸变

提对飞机进气道/发动机（进/发）相容性匹配问题的研究主要包括两个方面：一是对发动机气动性能方面的影响，即发动机对进气畸变的气动响应问题;二是对发动机结构完整性方面的影响，即发动机对进气畸变的结构响应问题。进气畸变会影响发动机的性能、可操纵性和耐久性，造成推力损失、稳定裕度损失并伴随着潜在的喘振、旋转失速甚至熄火，还会因高循环疲劳（HCF）而导致风扇和压气机寿命减少，进气道与发动机的相容性匹配问题是影响飞机研制周期的关键因素，而进气道与发动机相容性评定中最核心的工作内容是发动机气动稳定性的评定。本文开展涡桨发动机进气道对压气机气影响的研究，通过该研究，揭示进气畸变条件下压气机的性能变化规律。

1研究对象

如下图1所示为本文研究对象，由S弯进气道及某多级轴流压气机的进口级组成。本文研究的工况为进气道后方的出口处于封闭状态。

1.1 计算网格

该进气道为环绕型S弯进气道，出口带有导流板，后接某低压压气机进口级，由于该S弯进气道结构复杂，尤其是出口处的导流板不是周向均布的，且各导流板的安装角度也不一样，若采用结构化网格划分方法非常困难，因此决定采用非结构化网格生成方法，后面的压气机采用结构化网格。为尽可能模拟流场的细节特征，网格划分时保证y+<2，整个进气道的总网格量约为1840万。

虽然目前的计算条件有了很大改善，但是仍受计算资源和硬件条件的限制，目前可用的计算资源仅能承受进气道+单级压气机全环仿真，该单级压气机带有前导叶，保证y+<2，第一层网格厚度为0.001mm，单通道网格量约为100万，全环网格量为2150万。

1.2主要仿真设置

进气道/压气机一体化仿真的目的是模拟真实工作环境下的压气机工作状态，而进气道往往会产生强烈的旋流和总压畸变，虽然该S弯进气道带有导流板，但是仍不能完全消除旋流和畸变的影响，而通常我们的数值计算时只在压气机进口给定均匀的进气条件，这与实际是不符的，而进气道/压气机一体化仿真正是体现了这一模拟真实工作环境的优势。进口边界条件按照标准大气设置，考虑到流场中会出现一定的分离流，故而采用对逆压梯度流场分离有较高准确度的低雷诺数SST湍流模型。进气道出口与压气机进口交界面采用冻结转子连接。压气机转静子交界面采用混合平面连接。

2 仿真结果分析

本文章对进气道/压气机一体化定常仿真并进行了分析。模拟了设计转速下从堵点到喘点过程中进气道与第一级压气机流场的变化情况，并与不带进气道的单级压气机模拟结果进行对比。

图2所示为设计点不同截面位置处的总压分布云图，由图可以发现进气道进口处的流场很均匀，到压气机进口处就有很强的总压畸变。由图3所示速度流线图也可以发现总压畸变明显的地方出现了明显的涡。

图4为计算结果与不带进气道单通道计算结果特性图对比。由特性图可以发现S弯进气道对压气机的效率及裕度都有一定负面影响。下面对带/不带进气道压气机部分流场进行对比分析。

带进气道压气机的进气道出口截面即为导叶的进口截面，在经S型进气道后气流发生畸变，进气道出口截面（导叶进口）总压、速度矢量分布和65%和95%截面周向气流角分布分别如图5、6所示。可以看到经过S型进气道后气流发生了畸变，导叶进口总压分布变得不均匀，进气道出口截面出现8个由支板尾迹导致的低压区，产生较强的总压畸变;进气道出口截面速度矢量分布也有明显旋流畸变，尤其是顶部区域的畸变强度最大;如图6所示（对应图5中九点钟方向定义为0°，十二点钟定义为90°，沿顺时针方向依次类推）从进气道出口65%和95%截面周向气流角分布也可以明显看出，周向角度为90度左右时气流角波动最明显。由以上分析可以发现与进气道结构相对应，在90°位置处由于左右两边流道在此汇合，引起强烈的气流非定常性，故而造成此处气流角波动最为强烈。而已知不带进气道压气机的进口条件是均匀分布的，显然两者的进口条件出现很大差异，因而导致其计算结果存在显著差异。

前三个图从压气机进口条件的差异角度进行对比，下面进一步对比带/不带进气道时压气机不同叶高处相对马赫数分布对比，如下面7所示，其中左图为带进气道，右图为不带进气道计算结果。可以发现两者差异明显，不带进气道时压气机导叶均匀进气，无分离现象;而带进气道时压气机根部5%截面的部分周向位置出现了严重分离，50%和95%截面也类似，带进气道的工况下，导叶出现了一定程度分离，而均匀进气工况的导叶则无分离。此外50%截面因为轮毂与机匣面，较少受到边界层干扰，故而导叶分离情况较5%及95%叶高轻微。

由上述分析可知，可以看到带/不带进气道的压气机特性差异非常明显，说明气流经进气道后产生旋流畸变，对压气机性能造成负面影响。

3结论

本文以某涡桨发动机的进气道与压气机进口级作为研究对象，对比研究了S弯进气道对压气机的性能影响，得出了以下结论：

（1）S弯进气道在来流均匀的情况下仍会造成压气机进口的流场总压畸变;

（2）S弯进气道在来流均匀的情况下仍会造成压气机进口的气流角畸变;

（3）S弯进气道会对压气机的效率以及裕度造成负面影响;

（4）在压气机设计的初始阶段就应该考虑进气道的影响，以避免后期性能退化及裕度不足。

参考文献：

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作者简介：

吴俊峰（1988—），男，汉族，湖北黄冈人，硕士，工程师，研究方向：压气机气动设计及稳定性。