鐘勇健，滕金芳，羌曉青，歐陽華

(1.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240;2.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，高壓壓氣機氣動性能的好壞很大程度上決定了整臺發(fā)動機的性能及可靠性。在高壓壓氣機的氣動設(shè)計中，不可避免地要涉及到引氣，引氣是保證發(fā)動機正常運行及滿足飛機飛行需求的必要環(huán)節(jié)。同時，合理的引氣還能夠在發(fā)動機起動、停車以及其它非設(shè)計工況運行時有效防止壓氣機發(fā)生失速或喘振。

但是，壓氣機級間引氣會降低發(fā)動機推力，增大耗油率;PW和GE公司都利用實驗數(shù)據(jù)對帶引氣的發(fā)動機性能計算軟件進(jìn)行了校準(zhǔn)［1－2］。級間引氣對壓氣機性能和流場也必然帶來影響，國內(nèi)外從實驗和數(shù)值分析方面入手，得到了一些有益的結(jié)論。在引氣量的影響方面，Stevent與Michal［3］研究了單級壓氣機機匣端壁處引氣量變化對壓氣機內(nèi)部流動的影響，指出引氣流量較小時，壓氣機整體性能可能下降。Leishman等［4］研究指出引氣量較小時靠近壓力面的引氣槽帶來的葉片損失較小;引氣量較大時，靠近吸力面的引氣方案可得到較小的葉片損失。Leishman與 Cumpsty［5］的數(shù)值模擬與實驗研究表明，引氣量增加時傾斜引氣槽的壓力損失較小，但主流的流動損失增大。顧楊等［6］對不同引氣量引起的壓氣機性能變化進(jìn)行了實驗研究，實驗對象為一臺七級高壓壓氣機，級間引氣有效地增加了壓氣機穩(wěn)定裕度，引氣量增加時效率相應(yīng)降低。趙斌等［7］將引氣的影響計入壓氣機的通流設(shè)計，提出了一種基于周向槽引氣的引氣模型;該引氣模型和考慮引氣的通流設(shè)計方法能夠有效的將引氣設(shè)計參數(shù)及其影響反映在通流流場結(jié)果中。周文嘯等［8－10］通過數(shù)值模擬方法研究了多級壓氣機中間級的級間引氣對總體性能與局部流場的影響，對比分析了不同引氣量與引氣槽的方案。

從以上分析來看，還未見到公開發(fā)表的關(guān)于級間引氣對一維方案壓氣機流道形狀和性能影響研究的報道。壓氣機一維方案的研究是壓氣機設(shè)計體系中基礎(chǔ)和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)［11］，對一維方案程序增加引氣模塊，提高一維方案階段計算的準(zhǔn)確性，具有重要意義?；诖耍疚臄M以GE公司的高效節(jié)能發(fā)動機(E3)壓氣機［12］為研究對象，采用改進(jìn)的一維方案計算程序，研究級間引氣在不同引氣量時壓氣機流道的變化，并分析其對性能的影響。

1 計算方法

本文使用的壓氣機一維方案計算程序源于俄羅斯進(jìn)口程序，包括多級軸流壓氣機的設(shè)計計算程序PCPM與特性計算程序HARIKA。該程序在每個葉片排的進(jìn)出口設(shè)立計算站，求解平均半徑處的變比熱理想氣體控制方程。在計算中所采用的攻角、落后角、流動損失、效率和理論能頭經(jīng)驗、半經(jīng)驗計算模型均由大量的實驗數(shù)據(jù)得到。計算程序應(yīng)用了(1)～(4)四個基本控制方程。

連續(xù)方程

能量方程

熱力學(xué)第一定律

廣義伯努利方程

設(shè)計計算時，給定壓氣機設(shè)計指標(biāo)后，程序可計算得到壓氣機的流道，以及各項氣動與結(jié)構(gòu)參數(shù)沿著軸向的分布;特性計算時，給定壓氣機設(shè)計參數(shù)，程序可預(yù)估壓氣機不同轉(zhuǎn)速的總體性能，包括設(shè)計點與非設(shè)計點的總壓比及總效率。

本文計算采用的是改進(jìn)的PCPM程序和HARIKA程序。根據(jù)E3的設(shè)計性能參數(shù)，以及基于跨聲速多級軸流壓氣機試驗數(shù)據(jù)所得的葉排效率、落后角和理論能頭修正模型，對原型程序做了大量改進(jìn);在此基礎(chǔ)上，增加了級間引氣模塊，將級間引氣的影響納入一維方案計算的考慮范圍內(nèi)。

2 驗證分析

改進(jìn)的壓氣機一維計算程序添加級間引氣模塊后，對E310級高壓壓氣機進(jìn)行了驗證計算。E3壓氣機的部分設(shè)計指標(biāo)見表1。

表1 E3壓氣機設(shè)計指標(biāo)

E3壓氣機共10級，平均級壓比達(dá)到了1.368，進(jìn)口葉尖切線速度達(dá)到了451.8 m/s，負(fù)荷較高，且為跨聲速進(jìn)口級。設(shè)計計算時壓比采用提高設(shè)計壓比的9%進(jìn)行，一維設(shè)計程序驗證所得的流道結(jié)果見圖1。由圖可見計算結(jié)果與設(shè)計值基本完全重合，流道計算是準(zhǔn)確的。

一維計算程序?qū)3壓氣機設(shè)計轉(zhuǎn)速的特性預(yù)估結(jié)果見圖2。由圖可見，特性計算的壓比與效率均與試驗點吻合良好，一維特性計算的精度較高。

綜上所述，一維計算程序?qū)3高壓壓氣機的流道與性能預(yù)估準(zhǔn)確性較高，可作為級間引氣方案的計算工具。

圖1 E3壓氣機計算流道與設(shè)計流道

圖2 E3壓氣機特性計算結(jié)果

3 計算與結(jié)果分析

E3壓氣機在第5級與第7級引氣，引氣量分別為1.3%與2.3%。第2節(jié)驗證計算中設(shè)定的引氣量與原方案相同?，F(xiàn)根據(jù)壓氣機的常見引氣量擬定三組引氣方案，第一組為原方案，第二組引氣量分別為2.6%與4.6%，第三組引氣量分別為3.25%與5.75%。第二與第三組引氣量分別為原方案的2倍與2.5倍。三種引氣方案的流道計算結(jié)果比較見圖3。方案2、3的6級、8級動葉進(jìn)口內(nèi)徑相對于方案1的變化見表2。

表2 E3壓氣機不同方案內(nèi)徑變化百分比

圖3 不同引氣方案的流道計算結(jié)果

由圖3與表2可見，在引氣位置前，三種方案的流道曲線完全重合，級間引氣對引氣位置上游的流道并無影響;流道的輪轂曲線在第5級引氣處開始收縮，在第7級引氣處再次收縮，級間引氣位置的流道會發(fā)生收縮，并且下游的流道也隨之收縮;隨著引氣量的增加，壓氣機流道面積的縮小量將會增加，引氣量越大，一維計算的流道相對越窄。

采用改進(jìn)的一維程序計算得到了三種級間引氣方案E3壓氣機性能的預(yù)估結(jié)果，三種方案的特性比較見圖4與圖5，方案2、3的特性相對于方案1的變化見表3。

表3 E3壓氣機不同方案性能變化百分比

由圖4、圖5與表3中數(shù)據(jù)可見，三組引氣方案的性能計算結(jié)果隨著引氣量的變化呈現(xiàn)單調(diào)的改變，計算流量隨引氣量的增加而減小，總壓比隨引氣量的增加而降低，總效率隨引氣量的增加而降低。級間引氣對一維性能預(yù)估的影響與引氣量的大小成正比關(guān)系。

圖4 三種引氣方案的壓比特性計算結(jié)果

圖5 三種引氣方案的效率特性計算結(jié)果

級間引氣抽走了主流中的部分氣體，直接影響到了引氣位置下游的主流氣體流量，隨著引氣量的增加，下游的主流流量相應(yīng)減小。而一維設(shè)計計算流道型線的主要影響因素之一便是主流氣體流量的大小，故隨著引氣量增加，下游流道呈現(xiàn)縮減的趨勢。同樣，一維特性計算性能預(yù)估時，計算流量隨著引氣量的增加而減小。綜上所述，壓氣機級間引氣對一維方案計算的影響主要包括兩個方面:一是設(shè)計計算時壓氣機流道型線的變化，二是特性計算時壓氣機總體性能參數(shù)的變化。

4 結(jié)論

本文研究了級間引氣對壓氣機流道型線和總體性能的影響，以E310級高壓壓氣機為研究對象，在改進(jìn)的一維計算程序中增加引氣模塊，首先進(jìn)行驗證計算，然后對比分析了三種引氣量計算方案，得出如下結(jié)論:

(1)在改進(jìn)的一維計算程序中增加引氣模塊，對E3高壓壓氣機的流道型線設(shè)計與性能預(yù)估準(zhǔn)確性較高，可作為級間引氣方案的計算工具;

(2)2倍和2.5倍原始引氣量方案改變了E3壓氣機流道型線內(nèi)徑，6級動葉進(jìn)口位置改變量分別為0.2%、0.3%，8級動葉進(jìn)口位置改變量分別為0.38%、0.57%，相對量值較小;對E3壓氣機的總壓比與總效率的影響較大，總壓比分別降低3.6%、8.0%，效率分別降低0.61%、0.97%;

(3)為了提高壓氣機一維方案設(shè)計和特性計算的精度，必須在程序中考慮引氣量的影響。

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