摘 要：本文針對(duì)某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)開展進(jìn)氣道與壓氣機(jī)一體化數(shù)值仿真研究。為了研究大S彎進(jìn)氣道復(fù)雜進(jìn)氣條件對(duì)軸流壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)性能、穩(wěn)定性的影響，采用了包含S彎進(jìn)氣道及低壓壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)的全通道定常計(jì)算方法。通過(guò)研究，揭示壓氣機(jī)在非均勻進(jìn)出口條件下的流動(dòng)機(jī)制，探索該環(huán)境下內(nèi)部流場(chǎng)與葉片載荷的分布規(guī)律，指導(dǎo)進(jìn)氣道、壓氣機(jī)的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高壓氣機(jī)穩(wěn)定性和可靠性.

關(guān)鍵詞：渦槳發(fā)動(dòng)機(jī);S彎進(jìn)氣道;軸流壓氣機(jī);畸變

提對(duì)飛機(jī)進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)（進(jìn)/發(fā)）相容性匹配問(wèn)題的研究主要包括兩個(gè)方面：一是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能方面的影響，即發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)進(jìn)氣畸變的氣動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題;二是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性方面的影響，即發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)進(jìn)氣畸變的結(jié)構(gòu)響應(yīng)問(wèn)題。進(jìn)氣畸變會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、可操縱性和耐久性，造成推力損失、穩(wěn)定裕度損失并伴隨著潛在的喘振、旋轉(zhuǎn)失速甚至熄火，還會(huì)因高循環(huán)疲勞（HCF）而導(dǎo)致風(fēng)扇和壓氣機(jī)壽命減少，進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的相容性匹配問(wèn)題是影響飛機(jī)研制周期的關(guān)鍵因素，而進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性評(píng)定中最核心的工作內(nèi)容是發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性的評(píng)定。本文開展渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道對(duì)壓氣機(jī)氣影響的研究，通過(guò)該研究，揭示進(jìn)氣畸變條件下壓氣機(jī)的性能變化規(guī)律。

1研究對(duì)象

如下圖1所示為本文研究對(duì)象，由S彎進(jìn)氣道及某多級(jí)軸流壓氣機(jī)的進(jìn)口級(jí)組成。本文研究的工況為進(jìn)氣道后方的出口處于封閉狀態(tài)。

1.1 計(jì)算網(wǎng)格

該進(jìn)氣道為環(huán)繞型S彎進(jìn)氣道，出口帶有導(dǎo)流板，后接某低壓壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)，由于該S彎進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是出口處的導(dǎo)流板不是周向均布的，且各導(dǎo)流板的安裝角度也不一樣，若采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法非常困難，因此決定采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成方法，后面的壓氣機(jī)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為盡可能模擬流場(chǎng)的細(xì)節(jié)特征，網(wǎng)格劃分時(shí)保證y+<2，整個(gè)進(jìn)氣道的總網(wǎng)格量約為1840萬(wàn)。

雖然目前的計(jì)算條件有了很大改善，但是仍受計(jì)算資源和硬件條件的限制，目前可用的計(jì)算資源僅能承受進(jìn)氣道+單級(jí)壓氣機(jī)全環(huán)仿真，該單級(jí)壓氣機(jī)帶有前導(dǎo)葉，保證y+<2，第一層網(wǎng)格厚度為0.001mm，單通道網(wǎng)格量約為100萬(wàn)，全環(huán)網(wǎng)格量為2150萬(wàn)。

1.2主要仿真設(shè)置

進(jìn)氣道/壓氣機(jī)一體化仿真的目的是模擬真實(shí)工作環(huán)境下的壓氣機(jī)工作狀態(tài)，而進(jìn)氣道往往會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋流和總壓畸變，雖然該S彎進(jìn)氣道帶有導(dǎo)流板，但是仍不能完全消除旋流和畸變的影響，而通常我們的數(shù)值計(jì)算時(shí)只在壓氣機(jī)進(jìn)口給定均勻的進(jìn)氣條件，這與實(shí)際是不符的，而進(jìn)氣道/壓氣機(jī)一體化仿真正是體現(xiàn)了這一模擬真實(shí)工作環(huán)境的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)口邊界條件按照標(biāo)準(zhǔn)大氣設(shè)置，考慮到流場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)一定的分離流，故而采用對(duì)逆壓梯度流場(chǎng)分離有較高準(zhǔn)確度的低雷諾數(shù)SST湍流模型。進(jìn)氣道出口與壓氣機(jī)進(jìn)口交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子連接。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)靜子交界面采用混合平面連接。

2 仿真結(jié)果分析

本文章對(duì)進(jìn)氣道/壓氣機(jī)一體化定常仿真并進(jìn)行了分析。模擬了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下從堵點(diǎn)到喘點(diǎn)過(guò)程中進(jìn)氣道與第一級(jí)壓氣機(jī)流場(chǎng)的變化情況，并與不帶進(jìn)氣道的單級(jí)壓氣機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖2所示為設(shè)計(jì)點(diǎn)不同截面位置處的總壓分布云圖，由圖可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣道進(jìn)口處的流場(chǎng)很均勻，到壓氣機(jī)進(jìn)口處就有很強(qiáng)的總壓畸變。由圖3所示速度流線圖也可以發(fā)現(xiàn)總壓畸變明顯的地方出現(xiàn)了明顯的渦。

圖4為計(jì)算結(jié)果與不帶進(jìn)氣道單通道計(jì)算結(jié)果特性圖對(duì)比。由特性圖可以發(fā)現(xiàn)S彎進(jìn)氣道對(duì)壓氣機(jī)的效率及裕度都有一定負(fù)面影響。下面對(duì)帶/不帶進(jìn)氣道壓氣機(jī)部分流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

帶進(jìn)氣道壓氣機(jī)的進(jìn)氣道出口截面即為導(dǎo)葉的進(jìn)口截面，在經(jīng)S型進(jìn)氣道后氣流發(fā)生畸變，進(jìn)氣道出口截面（導(dǎo)葉進(jìn)口）總壓、速度矢量分布和65%和95%截面周向氣流角分布分別如圖5、6所示?？梢钥吹浇?jīng)過(guò)S型進(jìn)氣道后氣流發(fā)生了畸變，導(dǎo)葉進(jìn)口總壓分布變得不均勻，進(jìn)氣道出口截面出現(xiàn)8個(gè)由支板尾跡導(dǎo)致的低壓區(qū)，產(chǎn)生較強(qiáng)的總壓畸變;進(jìn)氣道出口截面速度矢量分布也有明顯旋流畸變，尤其是頂部區(qū)域的畸變強(qiáng)度最大;如圖6所示（對(duì)應(yīng)圖5中九點(diǎn)鐘方向定義為0°，十二點(diǎn)鐘定義為90°，沿順時(shí)針?lè)较蛞来晤愅疲倪M(jìn)氣道出口65%和95%截面周向氣流角分布也可以明顯看出，周向角度為90度左右時(shí)氣流角波動(dòng)最明顯。由以上分析可以發(fā)現(xiàn)與進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，在90°位置處由于左右兩邊流道在此匯合，引起強(qiáng)烈的氣流非定常性，故而造成此處氣流角波動(dòng)最為強(qiáng)烈。而已知不帶進(jìn)氣道壓氣機(jī)的進(jìn)口條件是均勻分布的，顯然兩者的進(jìn)口條件出現(xiàn)很大差異，因而導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果存在顯著差異。

前三個(gè)圖從壓氣機(jī)進(jìn)口條件的差異角度進(jìn)行對(duì)比，下面進(jìn)一步對(duì)比帶/不帶進(jìn)氣道時(shí)壓氣機(jī)不同葉高處相對(duì)馬赫數(shù)分布對(duì)比，如下面7所示，其中左圖為帶進(jìn)氣道，右圖為不帶進(jìn)氣道計(jì)算結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)兩者差異明顯，不帶進(jìn)氣道時(shí)壓氣機(jī)導(dǎo)葉均勻進(jìn)氣，無(wú)分離現(xiàn)象;而帶進(jìn)氣道時(shí)壓氣機(jī)根部5%截面的部分周向位置出現(xiàn)了嚴(yán)重分離，50%和95%截面也類似，帶進(jìn)氣道的工況下，導(dǎo)葉出現(xiàn)了一定程度分離，而均勻進(jìn)氣工況的導(dǎo)葉則無(wú)分離。此外50%截面因?yàn)檩嗇炁c機(jī)匣面，較少受到邊界層干擾，故而導(dǎo)葉分離情況較5%及95%葉高輕微。

由上述分析可知，可以看到帶/不帶進(jìn)氣道的壓氣機(jī)特性差異非常明顯，說(shuō)明氣流經(jīng)進(jìn)氣道后產(chǎn)生旋流畸變，對(duì)壓氣機(jī)性能造成負(fù)面影響。

3結(jié)論

本文以某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道與壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)作為研究對(duì)象，對(duì)比研究了S彎進(jìn)氣道對(duì)壓氣機(jī)的性能影響，得出了以下結(jié)論：

（1）S彎進(jìn)氣道在來(lái)流均勻的情況下仍會(huì)造成壓氣機(jī)進(jìn)口的流場(chǎng)總壓畸變;

（2）S彎進(jìn)氣道在來(lái)流均勻的情況下仍會(huì)造成壓氣機(jī)進(jìn)口的氣流角畸變;

（3）S彎進(jìn)氣道會(huì)對(duì)壓氣機(jī)的效率以及裕度造成負(fù)面影響;

（4）在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的初始階段就應(yīng)該考慮進(jìn)氣道的影響，以避免后期性能退化及裕度不足。

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作者簡(jiǎn)介：

吳俊峰（1988—），男，漢族，湖北黃岡人，碩士，工程師，研究方向：壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性。