楊天南，蔡 晉

（1.中國(guó)人民解放軍海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽(yáng)110043；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)院，沈陽(yáng)110136）

0 引言

在壓氣機(jī)工作過(guò)程中，積垢黏附在葉片表面改變了葉片的幾何形狀和氣流進(jìn)入壓氣機(jī)的攻角，增加了葉片的表面粗糙度，降低了氣流通道的流通能力，使壓氣機(jī)的壓比、效率降低[1]。在壓氣機(jī)工作過(guò)程中70%～85%的性能衰退都是由積垢引起的[2]。在軸流壓氣機(jī)中氣流流經(jīng)擴(kuò)壓葉柵實(shí)現(xiàn)作功和增壓，因此積垢對(duì)軸流壓氣機(jī)性能的影響尤為明顯[3-6]。為了減小積垢對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，國(guó)際上通用的有效方法是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施視情和定期的在線和離線清洗[7-12]。為了確立合適的清洗時(shí)機(jī)，合理安排清洗次數(shù)，減少維護(hù)成本，研究積垢對(duì)壓氣機(jī)性能的影響是十分必要的。

本文通過(guò)建立壓氣機(jī)3維模型，根據(jù)觀測(cè)對(duì)積垢在葉片表面的實(shí)際分布進(jìn)行了模擬，利用CFD軟件Numeca[13]對(duì)污染前、后壓氣機(jī)的性能進(jìn)行計(jì)算，分析了積垢對(duì)壓氣機(jī)性能影響并選取了受積垢影響最大的壓氣機(jī)參數(shù)。

1 積垢對(duì)軸流壓氣機(jī)性能的影響

積垢將導(dǎo)致葉片前緣形狀和表面粗糙度發(fā)生變化，改變氣流的進(jìn)氣角，使壓氣機(jī)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，降低壓氣機(jī)的作功能力，從而改變壓氣機(jī)特性，嚴(yán)重時(shí)甚至使發(fā)動(dòng)機(jī)喘振[14-16]。根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)軸流壓氣機(jī)葉片和幾何結(jié)構(gòu)的測(cè)繪數(shù)據(jù)建立壓氣機(jī)模型，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下對(duì)其性能進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比分析積垢對(duì)軸流壓氣機(jī)性能的影響。

1.1 壓氣機(jī)模型的建立和網(wǎng)格劃分

為了提高壓氣機(jī)的增壓比，在某型發(fā)動(dòng)機(jī)單面離心式壓氣機(jī)的前面設(shè)置了1級(jí)軸流壓氣機(jī)。該軸流壓氣機(jī)的葉片較寬，具有小展弦比和小葉柵稠度的特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)繪可以得到沿葉高7個(gè)截面葉型的吸力面與壓力面的坐標(biāo)、各截面葉片前緣與后緣的邊緣切點(diǎn)坐標(biāo)和半徑，如圖1、2所示。

將葉型的吸力面與壓力面坐標(biāo)數(shù)據(jù)和葉高數(shù)據(jù)相結(jié)合可以得到葉型的3維坐標(biāo)。在處理軟件中查看壓氣機(jī)的模型，如圖3所示。

1.2 對(duì)積垢的模擬

積垢在葉片表面分布的研究方法主要有試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬分析。試驗(yàn)測(cè)量可得到積垢的分布特點(diǎn)及葉片表面粗糙度，且結(jié)果可靠，可信度高，但具有成本較高、工作量大等局限性。由于受條件限制，本文無(wú)法采用試驗(yàn)測(cè)量葉片表面積垢的分布情況，而是采用數(shù)值模擬分析方法，通過(guò)增加葉片的厚度模擬積垢黏附在葉片表面后葉型的變化，然后在葉片表面增加較小的隨機(jī)尺寸高度模擬軸流葉片表面粗糙度的變化。

本文選取的軸流壓氣機(jī)靠近壓氣機(jī)入口，限于研制時(shí)技術(shù)水平，進(jìn)氣道內(nèi)未設(shè)置空氣過(guò)濾系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)工作60 h后的壓氣機(jī)第1級(jí)轉(zhuǎn)子表面有大量積垢，如圖4所示。壓氣機(jī)葉片在中度污染情況下積垢的厚度數(shù)量級(jí)為10μm，重度污染時(shí)增加為100μm。

積垢在葉片表面主要分布在葉片的前緣部位或壓力面和吸力面,為降低研究的復(fù)雜性，假定葉片表面積垢是沿葉高均勻分布的。研究積垢主要分布在葉片前緣部位時(shí)，選取積垢厚度為100μm的葉片（前緣半徑的20%左右，模擬重度污染）與積垢厚度為50 μm的葉片（前緣半徑的10%左右，模擬中度污染）進(jìn)行壓氣機(jī)特性仿真計(jì)算。由于葉型數(shù)據(jù)是沿氣流流動(dòng)方向并且沿葉根到葉尖方向設(shè)置的，因此在仿真平臺(tái)中對(duì)徑向各截面葉片前緣區(qū)（弦長(zhǎng)的5%）的葉型數(shù)據(jù)沿軸向和周向各做一定的增減，使葉型沿前緣圓心（坐標(biāo)位置已知）方向延伸100μm以模擬葉片受到重度污染后的葉型，用同樣方法模擬葉片受中度污染后的葉型。受污染前、后葉片的前緣形狀如圖5所示；研究積垢主要分布在葉片壓力面和吸力面時(shí)，根據(jù)葉型數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，假定葉型的徑向和軸向坐標(biāo)不變，周向坐標(biāo)分別加厚100μm和50μm。為了更真實(shí)地模擬積垢在葉片表面后葉型的變化，再增加1組0～10μm的隨機(jī)數(shù)來(lái)模擬葉片表面粗糙度的變化。

根據(jù)模擬積垢沉積在葉片表面而修改的葉型數(shù)據(jù)，建立Numeca/Autogrid專用的GeomTurbo幾何文件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終建立帶積垢的壓氣機(jī)模型。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

1.3.1 同一轉(zhuǎn)速下積垢對(duì)壓氣機(jī)性能的影響

在最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，從設(shè)計(jì)點(diǎn)開(kāi)始，通過(guò)逐漸增加背壓向失速點(diǎn)推進(jìn)，得到壓氣機(jī)的特性曲線。第一計(jì)算點(diǎn)的初場(chǎng)為給出入口處?kù)o壓的估計(jì)值，其余計(jì)算點(diǎn)取前一工況的計(jì)算結(jié)果為初場(chǎng)，數(shù)值失速前的最后1個(gè)收斂解對(duì)應(yīng)近失速工況。積垢分布在葉片前緣和吸力面與壓力面時(shí)壓氣機(jī)的特性曲線如圖6、7所示。

從圖6、7中可見(jiàn)，積垢使壓氣機(jī)特性曲線下移，減小了壓氣機(jī)的喘振裕度，當(dāng)壓氣機(jī)受到污染后，流量和效率顯著下降，并且在效率最高點(diǎn)附近效率和流量下降幅度較小，而偏離效率最高點(diǎn)時(shí)效率和流量則急劇降低，增壓比則由于流量的改變而變化得不明顯。壓氣機(jī)在中度污染時(shí)，增壓比和效率顯著降低，當(dāng)污染程度繼續(xù)增加時(shí)，增壓比和效率變化幅度減小，充分說(shuō)明了及時(shí)清洗壓氣機(jī)的必要性。

1.3.2 不同轉(zhuǎn)速下積垢對(duì)壓氣機(jī)性能的影響

為研究不同轉(zhuǎn)速下積垢對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，假定積垢分布在葉片的前緣。在相同進(jìn)、出口條件下，改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)壓氣機(jī)性能進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比分析不同轉(zhuǎn)速下積垢對(duì)壓氣機(jī)空氣流量的影響，如圖8所示；保持入口條件和轉(zhuǎn)速不變，改變出口平均靜壓，得到污染前、后壓氣機(jī)的特性曲線。從圖中可見(jiàn)，空氣流量隨著壓氣機(jī)入口流量的增加而減小，而隨著轉(zhuǎn)速的提高而增大。

1.3.3 壓氣機(jī)性能參數(shù)對(duì)積垢的敏感性

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)積垢清理方法是發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)后，通過(guò)目視、內(nèi)窺鏡等檢查葉片表面積垢情況，進(jìn)而對(duì)其成分進(jìn)行分析，選取適當(dāng)?shù)那逑磩┮蕴岣咔逑葱Ч?。這種方法的缺點(diǎn)是需要等發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)?yán)鋮s且費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，通過(guò)觀察對(duì)積垢變化敏感的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，對(duì)葉片表面積垢情況做出估計(jì)，可達(dá)到視情維修的目的，節(jié)約大量維護(hù)時(shí)間和維修成本。

研究表明積垢對(duì)空氣流量影響很大，而入口壓差ΔP（即壓氣機(jī)進(jìn)口總壓與壓氣機(jī)進(jìn)口靜壓的差值）與空氣流量密切相關(guān)，該參數(shù)便于測(cè)量且不易受外界干擾。為了估計(jì)壓氣機(jī)的污染程度，選取反映壓氣機(jī)工作狀況的性能參數(shù)為：增壓比 πc、效率 ηc、增溫比 τc、空氣流量ma和入口壓差ΔP，對(duì)比分析找出對(duì)積垢變化最為敏感的參數(shù)，為確定壓氣機(jī)清洗時(shí)機(jī)提供參考。此外，本文對(duì)積垢在葉片表面的不同分布位置和壓氣機(jī)的不同轉(zhuǎn)速即不同工況下的性能參數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)比分析壓氣機(jī)各性能參數(shù)對(duì)積垢的敏感性。在計(jì)算過(guò)程中，入口條件保持不變，依次提高出口背壓，空氣流量逐漸減少，得到壓氣機(jī)工作的特性曲線。通過(guò)計(jì)算壓氣機(jī)葉片在潔凈狀態(tài)與不同污染程度狀態(tài)下各性能參數(shù)的相對(duì)變化量分析其對(duì)積垢的敏感性。

1.3.3.1 性能參數(shù)對(duì)不同分布位置積垢的敏感性

積垢主要分布在葉片的前緣和葉片的壓力面與吸力面，在壓氣機(jī)起飛狀態(tài)轉(zhuǎn)速下，入口條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣，出口條件為給定半徑處(0.115 m)的靜壓值，分別對(duì)這2種情況進(jìn)行了仿真計(jì)算。5個(gè)測(cè)量點(diǎn)出口的靜壓值分別 125、130、133、135 和 137 kPa，出口壓力依次提高，空氣流量逐漸減少，基本涵蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛狀態(tài)轉(zhuǎn)速下空氣流量的變化范圍。壓氣機(jī)受到中度污染和重度污染后，與潔凈狀態(tài)相比，各性能參數(shù)對(duì)積垢的敏感性如圖9、10所示。

從圖9、10中可見(jiàn)，隨著出口壓力的增加，壓氣機(jī)出口氣流總溫小幅度升高；隨著空氣流量的減少，增壓比πc增大，而葉片受污染后，空氣流量也隨之減少，二者綜合作用的結(jié)果使增壓比πc變化很不明顯；空氣流量ma是根據(jù)入口處總溫、總壓和靜壓計(jì)算出來(lái)的，假定入口處和不變，則空氣流量ma與靜壓Pin是一一對(duì)應(yīng)的，在相同條件下，由空氣流量的計(jì)算公式可以推導(dǎo)出入口壓差ΔP的變化量大于空氣流量ma的變化量；入口壓差ΔP在不同的污染程度和積垢分布在不同位置下均有不同程度降低，在壓氣機(jī)的性能參數(shù)中變化最明顯，且隨著壓氣機(jī)污染程度的增加，入口壓差ΔP的變化量也逐漸增加。因此，入口壓差ΔP是所選參數(shù)中對(duì)積垢的變化最敏感的。

1.3.1.2 不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)性能參數(shù)對(duì)積垢的敏感性

為了分析不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)性能參數(shù)對(duì)積垢的敏感性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛轉(zhuǎn)速和最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下各性能參數(shù)對(duì)積垢的敏感性如圖11、12所示。

從圖11、12中可見(jiàn)，壓氣機(jī)葉片被污染后，在最大連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)速下各性能參數(shù)的變化趨勢(shì)與在起飛狀態(tài)轉(zhuǎn)速下的趨勢(shì)基本一致。在最大連續(xù)工況下，入口壓差ΔP在壓氣機(jī)的性能參數(shù)中對(duì)積垢最敏感。因此，對(duì)軸流壓氣機(jī)而言，入口壓差ΔP在壓氣機(jī)不同轉(zhuǎn)速和不同污染情況下是評(píng)估積垢污染程度的參數(shù)中比較準(zhǔn)確和敏感的，另外，該參數(shù)不但便于測(cè)量而且不易受外界因素干擾，可用于確定壓氣機(jī)的清洗時(shí)機(jī)。

2 結(jié)論

本文根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)第1級(jí)軸流壓氣機(jī)葉片和幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建立了壓氣機(jī)模型，模擬了積垢在葉片表面的分布情況，并對(duì)污染前、后壓氣機(jī)的性能進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析了積垢對(duì)軸流壓氣機(jī)性能的影響?？梢钥闯觯e垢黏附在葉片表面改變了葉片的幾何形狀和進(jìn)入壓氣機(jī)氣流的攻角，增加了葉片的表面粗糙度，降低了氣流通道的流通能力，最終使壓氣機(jī)的壓比、效率下降。壓氣機(jī)在中度污染時(shí)，增壓比和效率顯著下降，當(dāng)污染程度繼續(xù)增加時(shí)，增壓比和效率變化幅度減??；壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和不同污染程度下，性能參數(shù)中入口壓差對(duì)積垢最敏感。研究結(jié)果可為確定壓氣機(jī)清洗周期和預(yù)防葉片積垢提供借鑒。

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