发动机中轴流压气机转子叶尖间隙影响研究

□ 李 斌 □ 张江伟 □ 张 雨

中国航发西安航空发动机有限公司 西安 710021

1 研究背景

发动机中轴流压气机的内部流场是非常复杂的三维周期性非定常流动,存在多种形式的流动分离和二次流等,在非设计状态下,往往还存在失速和喘振等不稳定工况[1]。轴流压气机内部流场数值仿真研究已成为叶轮机械气体动力学领域的热点问题之一。轴流压气机的工作状况一般由进口压力、进口温度、空气流量、转速决定,在进气和转速不变的条件下,轴流压气机的特性就是压比、工作效率与空气流量的关系。转速一定时,随着空气流量的减小,压比增大,在某一流量点达到最大值,随后随着流量减小而减小。如果进一步减小流量,那么轴流压气机会失稳,进入失速或喘振状态,各转速临界点连线形成轴流压气机的喘振边界。在临界转速下,发动机共同工作线与轴流压气机喘振边界较接近,在此工况下,轴流压气机容易发生失速或喘振[2-6]。

某单转子涡流喷气发动机厂内试车时,稳定性余量检查不合格。由经验判断,不合格主要原因为轴流压气机。该发动机为航空发动机第一代产品,加工公差大,转子叶尖间隙范围大。根据轴流压气机原理,叶尖间隙容易产生二次流,对轴流压气机的稳定性有较大影响[7-10]。为解决该型发动机稳定性余量检查不合格问题,避免大规模排查故障工作,笔者对轴流压气机转子叶尖间隙影响进行研究,为发动机排查故障及控制措施制订提供依据。

2 研究对象

笔者研究的对象为八级轴流压气机,由一级进口导流叶片、八级转子叶片、八级整流叶片组成。这一八级轴流压气机设计转速为4 700 r/min,稳定性余量检查转速为3 500 r/min,如图1所示。

▲图1 八级轴流压气机

分别对八级轴流压气机转子叶尖间隙的上公差值、中公差值、下公差值进行计算,见表1。

表1 八级轴流压气机转子叶尖间隙 mm

3 模拟方法

笔者采用NUMECA软件中的AUTOGRID5模块对模型进行网格划分,并且采用O4H型拓扑结构,基于FINE/TURBO模块进行数值求解。在研究中,湍流模型采用Spalart-Allmaras模型,时间推进采用四阶龙格-库塔法,通过多重网格技术、当地时间步长、残差光顺技术加速收敛。边界条件中,进口总温为288.2 K,总压为101 325 Pa。设置进口气流角,采用轴向进气。设置出口静压,通过调整出口压力,获得轴流压气机的特性。

4 总体性能分析

转速为4 700 r/min时轴流压气机特性曲线如图2所示。转速为4 700 r/min时,转子叶尖间隙减小后,轴流压气机性能明显提高。在整个流量范围内,转子叶尖小间隙轴流压气机的效率均高于原型。在部分大流量范围内,转子叶尖小间隙轴流压气机的压比高于原型。转子叶尖间隙减小后,轴流压气机的稳定性得到一定程度提高,即转子叶尖小间隙轴流压气机喘振边界对应的流量比原型低。

▲图2 4 700 r/min时轴流压气机特性曲线

转速为3 500 r/min时轴流压气机特性曲线如图3所示。转速为3 500 r/min时,轴流压气机表现出与转速为4 700 r/min时类似的特性规律。转子叶尖间隙增大后,整个流量范围内轴流压气机性能明显降低,同时轴流压气机稳定性降低。转子叶尖间隙减小后,整个流量范围内轴流压气机性能明显提高,同时轴流压气机稳定性提高。

▲图3 3 500 r/min时轴流压气机特性曲线

为了更好地定量分析转子叶尖间隙变化对轴流压气机性能的影响,对比不同转子叶尖间隙时的综合裕度改进量SMI和流量裕度改进量SMI1,见表2、表3。

(1)

SMI1=[(Mys/Mns)-1]×100%

(2)

表2 4 700 r/min时裕度改进量对比

表3 3 500 r/min时裕度改进量对比

对比表2、表3可发现,转子叶尖间隙变化在关键转速3 500 r/min时对轴流压气机稳定性、峰值效率的影响程度都比在设计转速4 700 r/min时大很多,特别是对裕度改进量的影响更大。

5 流场分析

结合总体性能分析结果,转子叶尖间隙的影响在转速为3 500 r/min时更为明显,因此轴流压气机的流场分析在3 500 r/min转速下进行。

98%叶片高度处所有轴流压气机叶片通道内相对马赫数分布云图如图4所示。从图4中可以看到,第一级转子至第五级转子叶顶通道内低能流体区流场的大小受转子叶尖间隙的影响较大,最后三级转子叶顶通道内流场受转子叶尖间隙的影响较小。随着转子叶尖间隙的减小,前五级转子叶顶通道内低能流体分布范围逐渐减小。前期研究表明,前三级转子叶顶流场影响轴流压气机稳定性的程度比后五级大,所以着重分析前三级转子叶顶流场。

▲图4 98%叶片高度处所有轴流压气机叶片通道内相对马赫数分布云图

98%叶片高度处轴流压气机第一级至第三级转子叶顶通道内相对马赫数分布云图如图5所示。从图5中可以看到,随着转子叶尖间隙的增大,第一级转子、第三级转子叶顶通道内低相对马赫数分布区域逐渐扩大,第一级转子叶顶通道内低能气流区域面积明显比第三级转子大。

▲图5 98%叶片高度处轴流压气机第一级至第三级转子叶顶通道内相对马赫数分布云图

6 结论

笔者采用数值模拟方法对八级轴流压气机进行研究,对比分析了不同转子叶尖间隙下轴流压气机性能及流场变化,主要结论如下:

(1) 相比于原型轴流压气机,当轴流压气机转子叶尖间隙增大后,轴流压气机的性能及喘振裕度明显降低;

(2) 转子叶尖间隙减小,可以提高轴流压气机的性能及喘振裕度;

(3) 转子叶尖间隙变化在临界转速时对轴流压气机性能和稳定性的影响更为明显。