陳云永， 萬科， 楊小賀， 丁建國

中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司， 上海 200241

大涵道比風(fēng)扇/增壓級葉尖間隙影響研究

陳云永*， 萬科， 楊小賀， 丁建國

中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司， 上海 200241

以某大涵道比風(fēng)扇/增壓級為例，分析風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙對風(fēng)扇/增壓級性能的影響。通過風(fēng)扇外涵計算及試驗結(jié)果對比，表明在各轉(zhuǎn)速流量、壓比下吻合良好，其中高轉(zhuǎn)速試驗效率略高于計算結(jié)果，失速裕度基本相當(dāng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時試驗效率偏高更為明顯，失速裕度略高于計算結(jié)果。分別分析1.0轉(zhuǎn)速、0.85轉(zhuǎn)速以及0.6轉(zhuǎn)速風(fēng)扇葉尖間隙對風(fēng)扇/增壓級性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，隨著間隙的增加，激波-邊界層干涉與間隙泄漏流摻混導(dǎo)致了大間隙狀態(tài)二次流損失增加，外涵設(shè)計點壓比、流量、效率均有所降低，當(dāng)間隙增加到一定程度時，失速裕度迅速降低；對低轉(zhuǎn)速狀態(tài)的分析結(jié)果表明，隨著間隙的增加，設(shè)計點效率下降幅度相比高轉(zhuǎn)速狀態(tài)有所降低，失速裕度隨著間隙的增加而增大，風(fēng)扇外涵特性對間隙的敏感性降低。在各轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙的大小對內(nèi)涵性能影響不大。

風(fēng)扇/增壓級； 大涵道比； 葉尖間隙； 氣動性能； 數(shù)值模擬

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)是現(xiàn)代民用飛機(jī)的主要動力裝置，目前正不斷向著高推重比、低油耗、低噪聲等方向發(fā)展，作為關(guān)鍵部件之一的風(fēng)扇/增壓級對效率及失速裕度有著越來越嚴(yán)苛的要求。在現(xiàn)代風(fēng)扇/增壓級設(shè)計中，普遍采用全三維彎掠葉片流動控制技術(shù)，以保證其性能指標(biāo)得以實現(xiàn)[1-5]。在此過程中，葉尖間隙的影響不可忽視。過去幾十年，國內(nèi)外對轉(zhuǎn)子葉尖間隙開展了大量研究工作。Smith[6]對某低速壓氣機(jī)的研究表明，葉尖間隙的增加會導(dǎo)致壓氣機(jī)流量裕度降低。Moore[7]對某跨聲風(fēng)扇以及Wisler[8]對某低速試驗件的研究也給出了類似的結(jié)論。Denton[9]利用熵增來反映損失，其研究表明葉輪機(jī)損失主要來源于三部分，分別為葉型損失、端壁損失以及泄漏損失。這三部分的流動損失在量級上大體相當(dāng)，且絕大多數(shù)壓氣機(jī)都存在葉尖處基元葉型吸力面邊界層率先失速的流動現(xiàn)象。Smith和Cumpsty[10]對某輪轂比為0.4的低速轉(zhuǎn)子研究顯示，當(dāng)葉尖間隙高度由1%弦長增大到6%弦長時，最 大壓升降低23%，失速流量系數(shù)增加15%，采用機(jī)匣處理可以使其失速裕度增加22%。Adamczyk等[11]的研究表明，葉尖泄漏渦和通道激波對于風(fēng)扇失速起著決定性作用，具體表現(xiàn)為風(fēng)扇前端間隙泄漏渦穿過通道激波產(chǎn)生的堵塞導(dǎo)致了失速。Wadia等[12]對徑向葉片和前掠葉片進(jìn)行了深入研究，比較了不同掠型對間隙敏感性的差異，前掠可以降低葉尖負(fù)荷，從而降低激波-邊界層干涉并削弱低能流體在葉尖壓力面的堆積。鄧寶洋等[13-14]對某高負(fù)荷跨聲壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的間隙研究表明，在設(shè)計轉(zhuǎn)速隨著葉尖間隙增加，級壓比和絕熱效率均存在明顯降低，而低轉(zhuǎn)速情況下變化不大。

通過上述分析研究可知，轉(zhuǎn)子葉尖間隙區(qū)域內(nèi)的流動非常復(fù)雜，理論上轉(zhuǎn)子葉尖間隙越小，其效率及失速裕度將會越高。而實際工作過程中，隨著進(jìn)口工況及試驗轉(zhuǎn)速的變化，葉尖間隙有可能會偏離設(shè)計值，在試驗過程中不斷變化[15-16]。由于試驗測量難以得到所有的流動細(xì)節(jié)，隨著計算流體力學(xué)研究和計算機(jī)水平的飛速發(fā)展，三維數(shù)值模擬技術(shù)作為復(fù)雜流動研究和葉輪機(jī)設(shè)計的重要輔助工具已經(jīng)被廣泛采用[17-18]。對于目前的大涵道比風(fēng)扇，考慮到氣動、強度、噪聲等多方面因素，普遍采用小輪轂比、寬弦、彎掠設(shè)計，同時考慮到鈦合金葉片以及復(fù)合材料葉片等不同材料伸長量亦有不同，因此研究風(fēng)扇葉尖間隙變化對風(fēng)扇/增壓級性能的影響，是保證其穩(wěn)定工作不可忽略的一個環(huán)節(jié)。

1 研究對象

本文所研究的風(fēng)扇/增壓級通過流線曲率法及任意中弧線造型方法設(shè)計得到[19-20]，流道形式如圖1所示。其中包括風(fēng)扇轉(zhuǎn)子RF，外涵靜子SF，內(nèi)涵增壓級S0、R1、S1、R2、S2、R3、S3。采用NUMECA三維數(shù)值模擬軟件對該風(fēng)扇/增壓級進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計算域示意圖如圖2所示。

邊界條件設(shè)定如下：計算域進(jìn)口給定總溫、總壓和進(jìn)口氣流角(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，軸向進(jìn)氣)，內(nèi)外涵分別給定出口平均靜壓，固壁為絕熱、無滑移邊界條件。在計算過程中通過調(diào)整出口靜壓獲取設(shè)計點，此后固定內(nèi)涵出口平均靜壓改變外涵出口平均靜壓，獲取風(fēng)扇/增壓級外涵特性曲線，同樣固定外涵出口平均靜壓改變內(nèi)涵出口壓力獲取風(fēng)扇/增壓級內(nèi)涵特性分布。計算網(wǎng)格采用AU-TOGRID進(jìn)行劃分，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子RF和外涵靜子SF的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為O4H，增壓級葉片的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為HOH，葉片表面第一層網(wǎng)格的距離為5×10-6m，y+值基本保持10以下。風(fēng)扇葉片的葉尖間隙為 1.0 mm，增壓級葉片葉尖間隙為0.1 mm，計算網(wǎng)格與試驗條件保持一致。其中，風(fēng)扇葉片的間隙展向網(wǎng)格數(shù)目設(shè)置為33，增壓級設(shè)置為13。最后生成的總網(wǎng)格數(shù)為688萬。

圖1 風(fēng)扇/增壓級流道Fig.1 Flow path of fan/booster

圖2 風(fēng)扇/增壓級計算網(wǎng)格Fig.2 Mesh of fan/booster

2 風(fēng)扇/增壓級數(shù)值模擬分析

2.1 特性分析對比

圖3和圖4分別給出了風(fēng)扇外涵無量綱壓比及絕熱效率特性(本文對流量、壓比、效率及總壓恢復(fù)系數(shù)均采用1.0轉(zhuǎn)速設(shè)計值進(jìn)行無量綱化，圖中1.0_CFD表示1.0轉(zhuǎn)速三維計算結(jié)果，1.0_EXP表示1.0轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果，OPline_Air和OPline_Ground分別表示空中共同工作線和地面共同工作線)。試驗時在1.0轉(zhuǎn)速、0.85轉(zhuǎn)速和0.6轉(zhuǎn)速狀態(tài)錄取至風(fēng)扇外涵喘點，1.037轉(zhuǎn)速和0.939 轉(zhuǎn)速僅錄取至工作點附近，可見三維計算所得風(fēng)扇外涵各轉(zhuǎn)速壓比、流量與試驗結(jié)果吻合較好，試驗測得的效率較計算結(jié)果偏高，主要是由于風(fēng)扇/增壓級試驗采用溫升效率，風(fēng)扇外涵溫比較低，在小溫升狀況下容易引起較大的試驗誤差。表1給出了1.0轉(zhuǎn)速、0.85轉(zhuǎn)速及0.6轉(zhuǎn)速近設(shè)計點三維計算特性參數(shù)與試驗數(shù)據(jù)的對比，可以看出試驗測得的各轉(zhuǎn)速設(shè)計點流量、壓比與計算結(jié)果吻合良好，偏差不超過1.0%。試驗測得的效率略有偏高，其中在低轉(zhuǎn)速由于溫比相對更低導(dǎo)致效率偏差越為明顯。對于1.0轉(zhuǎn)速，喘點流量相比計算結(jié)果偏小同時壓比偏低，從而使得二者綜合裕度也較為一致。以下將詳細(xì)分析比較1.0轉(zhuǎn)速、0.85轉(zhuǎn)速及0.6轉(zhuǎn)速下間隙對大涵道比風(fēng)扇/增壓級性能的影響。

圖3 風(fēng)扇外涵壓比特性圖Fig.3 Bypass performance characteristic of total pressure ratio

圖4 風(fēng)扇外涵絕熱效率特性圖 Fig.4 Bypass performance characteristic of adiabatic efficiency

表1 外涵無量綱特性對比Table 1 Comparison of normalized bypass performance

TypeMassflowTotalpressureratioAdiabaticefficiencyStallmargin/%1.0_CFD0.9970.9960.99715.651.0_EXP0.9891.0041.01915.860.85_CFD0.8030.8960.96812.800.85_EXP0.8020.8971.00415.560.6_CFD0.5490.7730.93618.200.6_EXP0.5540.7731.03518.73

2.2 間隙對性能的影響研究

通過上述計算及試驗結(jié)果的對比可以看出，對大涵道比風(fēng)扇/增壓級三維數(shù)值模擬能較好地預(yù)測風(fēng)扇外涵特性，為進(jìn)一步研究風(fēng)扇葉尖間隙對風(fēng)扇/增壓級性能的影響，采用數(shù)值模擬方法選取不同的葉尖間隙進(jìn)行分析比較。在試驗時風(fēng)扇葉尖間隙約為葉片平均展高的0.3%，本文分別選取無間隙、0.1%葉高、0.2%葉高、0.3%葉高、0.5%葉高以及0.7%葉高開展分析研究，采用不同間隙時間隙內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)保持一致。

2.2.1 1.0轉(zhuǎn)速對比分析

圖5和圖6給出了1.0轉(zhuǎn)速不同間隙情況下風(fēng)扇外涵無量綱壓比及絕熱效率特性(圖中g(shù)ap_0表示無間隙，gap_0.1表示間隙為0.1%葉高)，從圖中可以看出，隨著間隙不斷增加，設(shè)計點壓比、流量、效率均有不同程度的降低，圖7給出了葉尖間隙與設(shè)計點絕熱效率及失速裕度之間的關(guān)系，失速裕度采用綜合裕度的定義，即以特性線與共同工作線的交點為設(shè)計點，計算其到喘點的壓比、流量綜合裕度。由圖可知風(fēng)扇設(shè)計點效率隨著間隙的增大而不斷下降，當(dāng)間隙較小時，對效率的影響不大，而當(dāng)間隙增加到一定程度時，效率迅速降低；對于失速裕度，當(dāng)間隙較小時，失速裕度與間隙的關(guān)系并不明確，當(dāng)間隙取為0.2%葉高時獲得最大的失速裕度，同樣當(dāng)間隙增加到一定程度時，失速裕度也會迅速降低。

圖8給出了不同間隙計算所得到的峰值效率點風(fēng)扇轉(zhuǎn)子無量綱絕熱效率沿展向的分布，由于間隙僅影響葉片中上部分的流動，因此此處僅給出60%以上葉高進(jìn)行對比分析。從圖中可見間隙的影響主要體現(xiàn)在80%以上葉高，隨著間隙的增加，風(fēng)扇效率在展向80%以上葉高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，分析原因是當(dāng)間隙增加時，間隙泄漏流隨之加劇，導(dǎo)致葉片尖部的堵塞加強，效率降低，而在80%～95%葉高處的流動情況則得以改善，使得效率偏高。

圖5 不同間隙下風(fēng)扇外涵壓比特性圖Fig.5 Bypass performance characteristic of total pressure ratio in different gaps

圖6 不同間隙下風(fēng)扇外涵絕熱效率特性圖 Fig.6 Bypass performance characteristic of adiabaticefficiency in different gaps

圖7 1.0轉(zhuǎn)速葉尖間隙敏感性 Fig.7 Tip clearance sensitivity at 1.0 corrected rotatingspeed condition

圖8 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子無量綱絕熱效率沿展向分布圖 Fig.8 Radial distribution of normalized adiabaticefficiency of RF

圖9給出了不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)子間隙情況下內(nèi)涵壓比特性，根據(jù)上述分析，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙僅影響葉片80%以上葉高部分的流動，因此不同間隙對內(nèi)涵幾乎不產(chǎn)生影響，各間隙下風(fēng)扇/增壓級內(nèi)涵特性幾乎重合。

為深入研究葉尖間隙對風(fēng)扇外涵流場的影響，選取0.1%葉高、0.3%葉高以及0.7%葉高間隙情況進(jìn)行分析比較。圖10給出了20%以上葉高設(shè)計點風(fēng)扇尾緣S3截面熵(Entropy，單位為J/(kg·K))分布，可以看出葉尖低能流動與間隙泄漏流導(dǎo)致葉尖熵增明顯，同時隨著間隙的增加，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖熵增量及影響范圍隨之加劇，這也反映了圖8中間隙較大時導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子尖部效率降低。

圖9 風(fēng)扇內(nèi)涵壓比特性圖 Fig.9 Core performance characteristic of total pressureratio

圖10 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子出口熵等值線圖Fig.10 Contours of entropy at RF trailing edge

圖11給出了風(fēng)扇轉(zhuǎn)子95%葉高設(shè)計點及喘點軸向速度(VelocityZ，單位為m/s)等值線圖，其中軸向速度小于零的區(qū)域(圖中黑色線條所包含的區(qū)域)意味著有回流，0.1_design表示間隙為0.1%葉高的設(shè)計點，0.1_stall表示間隙為0.1%葉高的喘點。從圖中可以看出，在設(shè)計點回流區(qū)主要集中在葉片吸力面激波后的位置，隨著間隙的增大，回流區(qū)的范圍也隨之增加，意味著間隙泄漏流在不斷加強。對喘點而言，由于三種間隙條件下喘點處的流量差異較大，使得回流區(qū)范圍變化趨勢與設(shè)計點相反，但不難看出三種情況下回流區(qū)均逐漸向前移動至葉片前緣，導(dǎo)致失速。對比圖11(c)和圖11(f)可知，當(dāng)間隙為0.7%葉高時，設(shè)計點回流區(qū)已經(jīng)存在向葉片前緣發(fā)展的趨勢，與喘點的回流區(qū)范圍相差不大，從而也導(dǎo)致了其失速裕度較低。

圖11 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子95%葉高軸向速度等值線圖Fig.11 Contours of velocity Z in RF at 95% span

2.2.2 0.85及0.6轉(zhuǎn)速對比分析

在完成高轉(zhuǎn)速狀況下間隙對性能的影響分析后，對0.85及0.6轉(zhuǎn)速狀態(tài)開展類似的分析工作。其中，內(nèi)涵特性與1.0轉(zhuǎn)速狀況一致，不同間隙對內(nèi)涵特性幾乎無影響。圖12和圖13分別給出了0.85及0.6轉(zhuǎn)速不同間隙情況下風(fēng)扇外涵無量綱壓比特性，圖14給出了1.0、0.85及0.6轉(zhuǎn)速葉尖間隙與設(shè)計點效率及失速裕度之間的關(guān)系(此處為了對比方便，將0.85及0.6轉(zhuǎn)速效率以其自身設(shè)計值進(jìn)行無量綱化，1.0_efficiency表示1.0轉(zhuǎn)速效率曲線，1.0_stall margin表示1.0轉(zhuǎn)速失速裕度曲線)。通過對比可以看出，與高轉(zhuǎn)速特征有所不同，在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)隨著間隙的增加設(shè)計點效率下降幅度明顯減小，甚至存在先升后降的現(xiàn)象，可見由于低轉(zhuǎn)速激波強度下降，減弱了激波與葉尖泄漏流之間的摻混，從而在一定程度上使得流場對葉尖間隙敏感性降低。同時可以看到，在低轉(zhuǎn)速隨著間隙的增加，失速裕度也不斷增大，這也解釋了0.85轉(zhuǎn)速狀態(tài)試驗裕度要高于計算值，由于計算采用的是1.0轉(zhuǎn)速熱態(tài)葉型，當(dāng)轉(zhuǎn)速為0.85狀態(tài)時，葉片伸長量相對較小，間隙偏大，計算表明失速裕度會有一定程度的增加。圖15 給出了0.85轉(zhuǎn)速狀態(tài)20%以上葉高設(shè)計點風(fēng)扇尾緣S3截面熵分布，與圖10相比，間隙對風(fēng)扇尾緣熵增的影響弱化程度十分明顯，隨著間隙的增大，風(fēng)扇尾緣熵增及其影響范圍變化很小，從而進(jìn)一步驗證了當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，間隙敏感性隨之下降。

圖12 0.85轉(zhuǎn)速風(fēng)扇外涵壓比特性圖Fig.12 Bypass performance characteristic of total pressure ratio at 0.85 corrected rotatingspeed

圖13 0.6轉(zhuǎn)速風(fēng)扇外涵壓比特性圖Fig.13 Bypass performance characteristic of total pressure ratio at 0.6 corrected rotating speed

圖14 葉尖間隙敏感性對比Fig.14 Comparison of tip clearance sensitivity

圖15 0.85轉(zhuǎn)速風(fēng)扇轉(zhuǎn)子出口熵等值線圖Fig.15 Contours of entropy at RF trailing edge at 0.85 corrected rotating speed

3 結(jié) 論

1) 某大涵道比風(fēng)扇/增壓級外涵計算特性與試驗結(jié)果吻合良好，在各轉(zhuǎn)速下流量和壓比偏差不超過1.0%，裕度基本相當(dāng)。對于試驗效率的測量由于是在小溫升狀況下，容易引起較大的試驗誤差，這在低轉(zhuǎn)速體現(xiàn)得更為明顯。

2) 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙僅對風(fēng)扇80%葉高以上流動有所影響，故而各轉(zhuǎn)速下不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙對風(fēng)扇/增壓級內(nèi)涵流場影響很小，特性線幾乎重合。

3) 對1.0轉(zhuǎn)速不同葉尖間隙的計算結(jié)果表明，隨著間隙不斷增加，設(shè)計點壓比、流量、效率均有不同程度的降低。當(dāng)間隙較小時，對效率及失速裕度的影響不大，而當(dāng)間隙增加到一定程度時，效率及失速裕度迅速降低。通過對流場的分析表明，激波-邊界層干涉與間隙泄漏流摻混導(dǎo)致了大間隙狀態(tài)二次流損失增加。

4) 對0.85及0.6轉(zhuǎn)速狀態(tài)不同葉尖間隙的計算結(jié)果表明，隨著間隙的增加設(shè)計點效率下降幅度相比1.0轉(zhuǎn)速有所降低，表明流場對葉尖間隙敏感性下降，失速裕度與間隙的關(guān)聯(lián)性也隨之降低，對流場分析的結(jié)果表明，由于激波強度的降低，間隙增大后對流場的影響程度減小。

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(責(zé)任編輯： 鮑亞平, 李世秋)

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170417.1812.008.html

*Corresponding author. E-mail: chenyy@acae.com.cn

Influence of tip clearance on high-bypass-ratio fan/booster

CHEN Yunyong*, WAN Ke, YANG Xiaohe, DING Jianguo

AECCCommercialAircraftEngineCo.,Ltd.,Shanghai200241,China

An analytical study of tip clearance flows in the high-bypass-ratio fan/booster is presented. The results reveal that for all kinds of corrected rotating speed, the flow and the total pressure ratio predicted by CFD is very close to the experiment result; for the high corrected rotating speed, the efficiency is lower in CFD and stall margin is almost equal to the experiment results; for the decreased corrected rotating speed, the efficiency of the experiment is obviously higher, and stall margin of the experiment is lower. Evaluations are conducted under 1.0, 0.85 and 0.6 corrected rotating speed conditions for multiple fan tip clearance levels to obtain clearance sensitivities. When the tip clearance increases, the shock wave-boundary interaction and tip leakage flow mixing lead to secondary flow loss at high corrected rotating speed, and the performance decreases at the design point. Stall margin will rapidly fall when the tip clearance rises to a certain level. Similar results are obtained at low corrected rotating speed while the decline of efficiency is slower and stall margin rises as tip clearance increases, revealing the reduction of tip sensitivity as the corrected rotating speed reduces. There is little influence of tip clearance on the core flow at all kinds of corrected rotating speed.

fan/booster; high-bypass-ratio; tip clearance; aerodynamic performance; numerical simulation

2016-11-18； Revised： 2017-01-11； Accepted： 2017-03-06； Published online： 2017-04-17 18:12

V231.3

A

1000-6893(2017)09-520951-08

2016-11-18； 退修日期： 2017-01-11； 錄用日期： 2017-03-06； 網(wǎng)絡(luò)出版時間： 2017-04-17 18:12

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170417.1812.008.html

*通訊作者.E-mail: chenyy@acae.com.cn

陳云永， 萬科， 楊小賀， 等． 大涵道比風(fēng)扇/增壓級葉尖間隙影響研究[J]． 航空學(xué)報, 2017, 38(9): 520951. CHEN Y Y, WAN K, YANG X H, et al. Influence of tip clearance on high-bypass-ratio fan/booster[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(9): 520951.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.620951