涡扇发动机风扇转子叶尖间隙影响的研究

孙泽良 李 斌

中国航发动力股份有限公司 西安 710021

1 研究背景

风扇是涡扇发动机的重要组成部分,是发动机对气流做功的最前端,它的性能是影响整机性能的关键因素之一。目前的风扇设计要求为高压比、高流通能力、高稳定工作范围[1]。风扇内部气流流动非常复杂,具有大逆压梯度、非定长、跨声速,以及存在强烈的三元效应等特点。风扇内部实际流动存在一定损失,转子叶尖间隙引起的倒流和潜流等损失是其中的重要组成部分,占比接近流动总损失的一半[2-3]。在风扇转子叶尖间隙设计中,既要考虑到间隙过大会带来较大的气流损失,又要考虑间隙过小易导致风扇实际运转中转子与静子发生碰撞的危险,因此风扇转子叶尖间隙的确定极其重要。国内外针对风扇与压气机转子叶尖间隙流动开展了大量研究,研究成果表明,风扇转子叶尖间隙增大,风扇压比、效率均会降低,稳定工作裕度减小[4-9]。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[10]。充分认识叶尖间隙实际流动过程,对提高风扇性能和稳定工作范围具有重要意义。

某涡扇发动机随工作时间的增加性能下降明显,大修分解检查发现,风扇转子叶尖间隙变化比较明显。为确定发动机性能下降的原因,提高发动机外场使用性能,笔者以该发动机风扇部件为研究对象,开展风扇转子叶尖间隙影响研究,确定发动机修理控制措施。

2 研究对象

研究对象为某发动机五级风扇,由一级进口导流叶片、五级转子叶片和五级静子叶片组成,其中,第1级、第5级转子叶片带阻尼台。笔者的计算在最大转速为8 458 r/min时开展。风扇流道如图1所示。

▲图1 风扇流道

风扇各级转子叶尖间隙图纸设计值为冷态值,实际工作过程中,受温度及转速影响,叶尖间隙会发生变化。笔者计算的叶尖间隙是在图纸设计值为冷态间隙基础上,通过计算变形后得到的。各级转子叶尖间隙计算值见表1。

表1 各级转子叶尖计算间隙 mm

3 数值模拟方法

笔者采用NUMECA软件,应用Autogrid5.0生成网格,各叶片排风通道内均使用C型贴体网格,叶片前后缘处对网格加密。带阻尼台的第1级、第5级转子叶片沿径向分为三块,并且在阻尼台区域进行网格加密。采用Fine-Turbo模块进行数值计算,发动机给定轴向进气,绝对气流角为0°,进口边界处的总温度认为是均匀的,进口总压设置为101 325 Pa,进口总温度设置为288.6 K,出口边界以平均静压来计算。

4 计算分析

4.1 总体性能分析

最大转速下不同叶尖间隙风扇特性如图2、图3所示,可以看出随着叶尖间隙的增大,五级风扇的效率、压比、流量都呈现降低趋势。当五级风扇转子叶尖间隙由最小间隙退化为最大间隙时,风扇最高效率降低0.69个百分点,最大压比降低1.11%,流量降低0.22%。

▲图2 最大转速下不同叶尖间隙风扇流量效率特性▲图3 最大转速下不同叶尖间隙风扇流量总压比特性

4.2 流场分析

叶尖间隙的变化在叶尖区域的影响最为明显。叶尖间隙最小和最大时99%叶高处马赫数云图分别如图4、图5所示,可以看出在转子叶尖处,叶尖间隙最大时较最小时低马赫数区面积明显增大。可以初步得到结论,叶尖间隙增大会导致转子叶尖通道处产生低速区,这很可能是五级风扇性能下降的原因。

▲图4 叶尖间隙最小时99%叶高处马赫数云图▲图5 叶尖间隙最大时99%叶高处马赫数云图

叶尖间隙最小和最大时第1级至第5级转子叶尖处的泄漏流线图分别如图6、图7所示。图7较图6纵向泄漏流线明显增多,即在叶尖间隙变大时,叶尖处的泄漏会增大,较明显的变化发生在转子第3级和转子第5级叶尖处。在小叶尖间隙时,叶尖处的泄漏流从一个通道进入另一个通道,并顺沿该通道流到下一级。当叶尖间隙增大时,转子第3级和转子第5级叶尖处的泄漏流从一个通道进入下一个通道,会有部分泄漏流继续进入再下一个通道,为二次泄漏流,这些泄漏流与主流掺混在叶尖通道处,形成低速区,导致流场损失增加。由此可见,叶尖间隙增大会导致叶尖处的泄漏流增多,产生二次泄漏流,并在叶尖通道处形成低速区,进而导致五级风扇性能衰退。

▲图6 叶尖间隙最小时转子叶尖处泄漏流线图

▲图7 叶尖间隙最大时转子叶尖处泄漏流线图

4.3 主要影响级分析

叶尖间隙最小和最大时五级风扇各级的效率如图8所示。由图8可以发现,当叶尖间隙增大时,前三级的效率下降很小,分别下降0.12、0.14、0.26个百分点,第4级效率下降0.57个百分点,第5级效率下降最大,达到1.72个百分点。由以上分析结果可以推断,第5级效率下降最大。

▲图8 叶尖间隙最小和最大时风扇各级效率

5 结论

笔者采用数值仿真对五级风扇进行计算分析,对比不同叶尖间隙时的风扇性能及流场,主要研究结论如下:

(1) 叶尖间隙增大时,风扇的效率、压比、流量都呈现下降趋势;

(2) 叶尖间隙增大导致转子叶尖处的泄漏流增多,同时产生二次泄漏流,导致在叶尖通道处产生低速区,这是导致风扇性能效率降低的主要原因；

(3) 转子第5级叶尖间隙变化是影响风扇性能变化的主要级。