静子容腔对组合压气机性能的影响分析

摘 要：本文以某组合压气机为研究对象，对带静子根部容腔的组合压气机进行了数值模拟计算。研究结果表明：考虑静子根部容腔后，当根部篦齿间隙为设计间隙状态时，组合压气机设计点流量降低了0.5%、设计点效率降低0.2个百分点、综合裕度降低2个百分点，且随着静子根部篦齿间隙变大，组合压气机气动性能进一步下降;静子根部容腔与根部流道之间会形成强烈的二次流，其与静子根部间隙泄漏涡掺混后沿流向和展向扩展，造成流动损失和性能下降。

关键词：静子根部容腔;组合压气机;篦齿间隙;数值计算

目前，可调导叶和放气活门是针对改善压气机中低转速状态喘振裕度不足常用且成熟的方法和技术[1-2]。其中，采用带内环的可调导叶结构后，静子根部会形成容腔，压气机静子叶片根部气流和容腔之间会进行流量交换形成复杂的二次流，对压气机性能产生影响。工程上为了改善这部分二次流的影响，一般采用篦齿封严的方式，但仍难以完全消除静子根部的泄漏损失。

国内外对静子根部篦齿泄漏的相关研究不多，国外的Wellborn等[3]人对一低速多级轴流压气机考虑静子根部篦齿泄漏损失开展了详实的实验研究，结果表明泄漏会恶化叶片通道内的流动，并使压气机的性能大幅度的降低。Shabbir等[4]人的研究表明，转子前叶根泄漏流会造成转子根部出现较高的损失。国内宁方飞等[5]人针对NASA 37转子开展叶根容腔的数值分析，从机理上分析了容腔泄漏流对转子流动的影响，发现泄漏量的大小和周向速度分量均对流场有不利影响。

本文以某型组合压气机为研究对象，针对一级静子带可调导叶所形成的根部容腔，通过数值模拟的手段，对比分析根部容腔和不同静子篦齿间隙对组合压气机气动性能及三维流动的影响，为可调导叶结构在组合压气机中的工程化应用及环腔结构优化提供参考和依据。

1 研究对象及计算方法

本文研究对象为某型组合压气机，包括三级轴流和一级离心。该压气机采用两级可调，其中一级静叶根部容腔及其泄漏气流流道示意如图1。由于一级静叶前后压差的存在，会使得静子出口的高压气流通过静子轮毂与二级转子叶片盘之间的轴向缝流入静子容腔;再经过封严篦齿后，从一级静叶轮毂与一级转子叶片盘之间的轴向缝流入压气机主流道。

为使数值计算模型尽可能接近工程实际，本文除对容腔内螺栓及局部区域进行了简化外，其余结构均与实际压气机部件结构一致。其中静子容腔部分使用ICEM进行了结构化网格划分，总网格数约为25万;压气机部件各级转静子结构使用了TurboGird进行了网格划分，网格近壁面第一层网格Y+、正交性以及延展比均满足要求。

流场求解采用cfx三维计算，湍流模型选择k-E两方程模型一阶差分格式，近壁面为scalable壁面函数法封闭，转静交界面采用基于“混合平面法”的周向平均守恒方法，各状态点计算收敛性均满足收敛准则。

2 结果分析

2.1 静子根部容腔对组合压气机性能及流场的影响

本文计算了设计篦齿间隙下，静子根部容腔对压气机性能的影响，其中设计篦齿间隙为0.37%L（热态计算间隙值，其中L为篦齿半径见图1）。图2给出了考虑静子根部容腔时压气机设计转速三维计算特性变化。可见，静子根部容腔泄漏使得组合压气机特性均有向左下方偏移的趋势。在设计篦齿间隙下，组合压气机设计点流量降低了0.5%、设计点效率降低0.2个百分点，裕度降低2个百分点。

图3为第一级静子马赫数沿程云图分布图。可以从图中对比观察静子根部低速能团的发展趋势。当不考虑容腔时，由于静子根部边界层的流动动量较强，抵抗周向压力梯度的能量也较强，因而叶根吸力面角区分离及二次流较弱，但由于根部间隙泄漏流和端壁附面层的影响，在叶根尾缘处有很小范围的低速区;而考虑根部容腔后，容腔泄漏流从静叶前缘根部进入主流并与根部间隙泄漏流掺混，并受周向压力梯度的作用向吸力面移动，与根部尾缘低速区掺混形成更大的低能团，并在叶根尾缘靠近吸力面角区形成堆积从而影响性能。

2.2 篦齿间隙变化对组合压气机性能和流动影响

为了进一步研究采用不同篦齒间隙的静子容腔对组合压气机性能的影响，分别计算了0.19%L、0.56%L和0.75%L三种篦齿间隙下的组合压气机性能，并与设计间隙（0.37%L）及不考虑容腔情况下组合压气机性能进行对比分析。图4给出了不同篦齿间隙状态下计算获得的压气机设计转速特性对比。可见，当篦齿间隙减小时，组合压气机的特性线向右上方移动;同时，随着篦齿间隙逐渐变大，压比和效率特性线均向左下移动，组合压气机的性能逐渐降低。

表1给出了考虑静子根部容腔后，容腔篦齿间隙变化所引起的组合压气机性能参数的相对变化。根据对比情况可知，随着篦齿间隙的增大，组合压气机的设计点效率、设计点流量、堵点流量均呈现下降趋势，其中喘振裕度和喘点压比的下降幅度最大，说明静子根部篦齿间隙的变大使得组合压气机的稳定工作范围变窄。考虑容腔影响后，当篦齿间隙为0.75%L时，设计点流量降低1.3%，峰值效率降低0.5个百分点，喘振裕度降低近5个百分点。

图5为各状态设计点第一级静子出口马赫数沿叶高分布图，可见，考虑静子根部容腔后，静子叶片中部和尖部的出口马赫数增大，这是由于静子根部发生堵塞，根部流道内有效流通面积变小所致。随着间隙的增大，静子叶片中部及尖部马赫数增大，说明静子根部的堵塞情况变严重。

图6为各状态设计点第一级静子沿叶高的总压恢复系数分布图，可见，带静子容腔的静子根部总压恢复系数明显降低，且随着篦齿间隙的增大，沿叶高受影响的范围越大。当篦齿间隙为0.75%L时，总压恢复系数最大下降了6.7%。这是由于静子容腔堆积在静子根部的泄流量恶化了根部流道，增加的流道损失，导致静子根部性能变差。

3 结论

本文通过对带静子内环容腔的某型组合压气机进行数值模拟，研究了静子容腔泄露及不同容腔篦齿间隙对压气机性能和流场的影响分析。获得了以下主要结论：

（1）考虑静子根部容腔后，组合压气机特性均向左下移动，设计篦齿间隙下压气机设计点流量减小0.5%、设计效率降低0.2个百分点、综合裕度降低2个百分点。

（2）随着静子容腔篦齿间隙变大，组合压气机的性能会进一步变差，喘振裕度明显下降，即根部容腔和更大的篦齿间隙均会使得组合压气机的稳定工作范围变窄。

（3）静子容腔泄漏的存在会在一级静子出口近轮毂处形成从通道叶盆侧流入容腔、以及从容腔流入通道叶背侧的二次流动，进入叶片通道的二次流与静子根部间隙泄漏涡掺混后形成的低速流动团沿径向及流向扩展，使得二次流损失增大、通道堵塞加剧，进而影响压气机性能。

参考文献：

[1] 楚武利，刘前智，胡春波.航空叶片机原理[M].西北工业大学出版社，2009，8.

[2] Schobeiri M T. Active Aerodynamic Control of Multi-stage Axial Compressor Instability and Surge by Dynamically Adjusting the Stator Blades[C]. ASME Paper No. 2001-T-479. 2001.

[3] Wellborn S， et al. Effects of shrouded stator cavity flows on multistage axial compressor aerodynamic performance[R]. NASA CR -198536，1996.

[4] Shabbir A，Adamczyk J J，Strazisar A J，et al. The Effect of Hub Leakage Flow on Two High Speed Axial Flow Compressor Rotors[R]. NASA 97-GT-346，1997.

[5] 寧方飞，徐力平.叶根间隙泄漏流对跨声压气机转子性能的影响[J].推进技术，2004.25（4）：325-328.

作者简介：

贺丹（1988-），女，土家族，湖南株洲人，硕士，工程师，现就职于中国航发湖南动力机械研究所，研究方向：压气机气动设计。