楊 靈，溫珍榮

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

1 引言

壓氣機(jī)是航空發(fā)動機(jī)的重要部件，其技術(shù)含量高、設(shè)計(jì)難度大、研制周期長，一直是發(fā)動機(jī)研制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多級軸流壓氣機(jī)內(nèi)部存在著非常復(fù)雜的非定常流動現(xiàn)象，其流動過程呈現(xiàn)出很強(qiáng)的三維、粘性和非定常特點(diǎn)，單純進(jìn)行總性能試驗(yàn)無法了解其內(nèi)部氣流的真實(shí)流動和各級間的匹配。因此有必要開展級間參數(shù)測量試驗(yàn)，提高對其內(nèi)部復(fù)雜流動現(xiàn)象的認(rèn)識，探索這些復(fù)雜現(xiàn)象內(nèi)隱含的流動機(jī)理，揭示其內(nèi)部流動規(guī)律，提高設(shè)計(jì)水平。

在壓氣機(jī)內(nèi)流試驗(yàn)研究方面，文獻(xiàn)[1]中利用LDV成功測量了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)的流動，文獻(xiàn)[2]介紹了利用葉型受感部在五級跨聲壓氣機(jī)上成功獲取的試驗(yàn)結(jié)果。國內(nèi)也開展了類似研究，中國燃?xì)鉁u輪研究院利用自行研制的葉型受感部，對某型壓氣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持[3]。本文以某多級軸流壓氣機(jī)為試驗(yàn)平臺，開展級間性能與優(yōu)化性能試驗(yàn)研究。在進(jìn)行級間參數(shù)測量的同時進(jìn)行靜葉角度調(diào)節(jié)試驗(yàn)，分析不同靜葉角度下壓氣機(jī)內(nèi)部流場及各級加功能力和級壓比的變化。

2 試驗(yàn)及測試方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件

試驗(yàn)在中國燃?xì)鉁u輪研究院全臺壓氣機(jī)試驗(yàn)器(見圖1)上完成。該試驗(yàn)器屬敞開節(jié)流式，最高轉(zhuǎn)速20 000 r/min，最大功率8 500 kW，流量0～120 kg/s，調(diào)速精度0.2%。試驗(yàn)件如圖2所示，主要由進(jìn)口測量段、壓氣機(jī)部件、出口測量段、排氣機(jī)匣等組成。試驗(yàn)時須進(jìn)行級間引氣。

圖1 全臺壓氣機(jī)試驗(yàn)器簡圖Fig.1 Layout of whole compressor test rig

圖2 某多級軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)件簡圖Fig.2 Sketch of a multistage axial flow compressor

2.2 測試方法

利用安裝在穩(wěn)壓箱里的4支鉑電阻測量進(jìn)口溫度；利用安裝在壓氣機(jī)進(jìn)口的3支6點(diǎn)式總壓梳狀探針測得支板槽道間的平均壓力，再用耙狀探針獲取的支板尾跡區(qū)總壓對其修正，從而得到進(jìn)口總壓。在壓氣機(jī)出口同一測量截面上，沿周向于不同葉片槽道中布置6支總溫、總壓復(fù)合探針，以獲取一個柵距內(nèi)的總溫、總壓，并沿徑向安排4個測點(diǎn)。同時，在壓氣機(jī)前五級靜葉每級選取2片葉片安裝總壓葉型受感部，2片葉片安裝總溫葉型受感部，測取各級轉(zhuǎn)子后的總溫、總壓。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于葉型受感部安裝于各級靜葉前緣，測量的是各級轉(zhuǎn)子出口參數(shù)，故壓氣機(jī)級不能按傳統(tǒng)方式定義。文中有關(guān)級的定義為：前一級靜葉與下游動葉組成一個壓氣機(jī)級，如第一級定義為零級導(dǎo)葉＋一級轉(zhuǎn)子葉片，第二級定義為一級靜子葉片＋二級轉(zhuǎn)子葉片，依次類推[4]。

(1)流量對級加功量和級壓比的影響

圖3 =1.00時不同流量下級加功量沿軸向的分布(設(shè)計(jì)角度)Fig.3 Axial distribution of stage work with different flow when=1.00.

圖4 =1.00時不同流量下級壓比沿軸向的分布(設(shè)計(jì)角度)Fig.4 Axial distribution of stage pressure ratio with different flow when=1.00.

(2)轉(zhuǎn)速對級加功量的影響

圖5 不同轉(zhuǎn)速時級加功量沿軸向的分布(設(shè)計(jì)角度)Fig.5 Axial distribution of stage work under design angle at different speeds

(3)轉(zhuǎn)速對級壓比的影響

圖6 不同轉(zhuǎn)速時級壓比沿軸向的分布(設(shè)計(jì)角度)Fig.6 Axial distribution of stage pressure ratio under design angle at different speeds

(4)靜葉角度對級壓比的影響

由單級壓氣機(jī)一維分析可知：靜葉角度開大意味著流量增加，級壓比增加。在本次試驗(yàn)優(yōu)化角度下，零、一、二級靜葉相對設(shè)計(jì)角度開大，但第一級級壓比反而有所減小。原因?yàn)槎嗉墘簹鈾C(jī)存在級間干擾，靜葉角度的不同步變化使得一、二級轉(zhuǎn)子性能不匹配。相對零級靜葉，一、二級靜葉角度開得較大，大大增強(qiáng)了二、三級轉(zhuǎn)子的抽吸能力，使得一級轉(zhuǎn)子出口壓力降低(一級轉(zhuǎn)子性能點(diǎn)沿等換算轉(zhuǎn)速特性線向右移動)，進(jìn)而增大了一級轉(zhuǎn)子進(jìn)口流量。流量的增加使一級轉(zhuǎn)子攻角減小，扭速減小，故第一級級壓比有所減小。

圖7 不同靜葉角度下的流量-壓比曲線Fig.7 Comparison of flow vs.pressure ratio under different vane angles

圖8 =0.95時不同流量下級壓比沿軸向的分布Fig.8 Axial distribution of stage pressure ratio with different flow when=0.95

從圖8還可看出：優(yōu)化角度下，一級轉(zhuǎn)子級壓比隨著流量的減小增幅加大，即一級轉(zhuǎn)子應(yīng)處于偏負(fù)攻角狀態(tài)，流量減小使其輪緣功和級效率均增大。

(5)靜葉角度對不穩(wěn)定邊界的影響

開大某級靜葉角度將使該級動葉流動狀態(tài)向正攻角方向變化，該級將提前進(jìn)入不穩(wěn)定邊界。本次試驗(yàn)中，優(yōu)化角度下只錄取了=0.95時的喘點(diǎn)，無法看出不穩(wěn)定邊界的移動。但在該試驗(yàn)件前期試驗(yàn)中，錄取過設(shè)計(jì)角度和優(yōu)化角度下在0.70～1.00范圍內(nèi)的喘點(diǎn)(見圖7)。從中可看出：優(yōu)化角度下，在=0.80及以下轉(zhuǎn)速時，該試驗(yàn)件不穩(wěn)定邊界明顯右移。

靜葉角度的改變會影響壓氣機(jī)級不穩(wěn)定邊界的位置。開大某級進(jìn)口靜葉角度，可增加該級級壓比，同時也會使該級的不穩(wěn)定邊界縮退。若該級不穩(wěn)定邊界縮退至整臺壓氣機(jī)不穩(wěn)定邊界內(nèi)，將會影響整臺壓氣機(jī)的不穩(wěn)定邊界(見圖9)。

(6)靜葉角度對級加功量的影響

優(yōu)化角度下級加功量沿軸向的分布如圖10所示。從圖中可看出，優(yōu)化角度下，各級加功量隨著轉(zhuǎn)速的升高基本同步增加；第二、第三級加功量所占比重隨著轉(zhuǎn)速的升高有所降低，但作為中間級的第二、第三、第四級，其加功量仍遠(yuǎn)高于第一、第五級。對比圖5和圖10(b)還可看出，改變靜葉角度后，大大增加了二、三級轉(zhuǎn)子的加功量，在中轉(zhuǎn)速時尤其明顯。

圖9 不同靜葉角度下不穩(wěn)定邊界的變化示意圖Fig.9 Scheme of the unsteady boundary variation under different vane angles

圖10 不同轉(zhuǎn)速時級加功量沿軸向的分布(優(yōu)化角度)Fig.10 Axial distribution of stage work under optimized angle at different speeds

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)角度下，該試驗(yàn)件在相對換算轉(zhuǎn)速0.80及以下時，二、三級轉(zhuǎn)子加功量和級壓比均偏低，建議適當(dāng)開大一、二級靜葉角度，以改善二、三級轉(zhuǎn)子流場，提高其性能。

(2)優(yōu)化角度下，第二、第三級加功量和級壓比均有較大增加，同時帶來整臺壓氣機(jī)不穩(wěn)定邊界縮退。建議后續(xù)的靜葉角度優(yōu)化試驗(yàn)應(yīng)密切注意其下游轉(zhuǎn)子的工作狀況，尤其是不穩(wěn)定邊界的變動情況，并在不影響整臺壓氣機(jī)不穩(wěn)定邊界的情況下進(jìn)行靜葉角度優(yōu)化。

[1]Wisler D C，Mossey P W.Gas Velocity Measurement With?in a Compressor Rotor Passage Using the Laser Doppler Velocimeter[J].ASME Journal of Engineering for Power，1973，92(2)：91—96.

[2]Lecheler S，Schnell R，Stubert B.Experimental and Nu?merical Investigation of the Flow in a 5-Stage Transonic Compressor Rig[R].ASME 2001-GT-0344，2001.

[3]石小江，黃明鏡，肖耀兵.發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)測試技術(shù)及其應(yīng)用[C]//.中國航空學(xué)會航空百年學(xué)術(shù)論壇動力分壇論文集(八)試驗(yàn)與測試分冊.2003：1—5.

[4]向宏輝，任銘林，馬宏偉，等.葉型探針對軸流壓氣機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果的影響[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2008，21(4)：28—33.

[5]楚武利，劉前智，胡春波.航空葉片機(jī)原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009.