莊皓琬，李 斌，滕金芳*，羌曉青

(1.上海交通大學航空航天學院,上海 200240；2.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司設計研發(fā)中心,上海 200240)

進氣畸變對航空發(fā)動機的性能和氣動穩(wěn)定性有非常大的影響[1]。雖然發(fā)動機的氣動設計通常是在均勻進氣條件下進行的,但在實際工作中,進氣畸變無法避免,因此發(fā)動機內部氣流所流經(jīng)的壓縮部件流道,實際上都在進氣畸變的條件下工作[2-4]。進氣畸變引出了航空發(fā)動機壓縮系統(tǒng)的相容性問題,降低了航空發(fā)動機的性能和穩(wěn)定工作裕度,威脅飛機的飛行安全,因而對進氣畸變問題學術界與工業(yè)界都開展了廣泛研究。其中影響最大的是《燃氣渦輪發(fā)動機進口流場畸變評定指南》ARP1420[5]，以及《燃氣渦輪發(fā)動機進氣總壓畸變評定方法》AIR1419[6]。ARP 1420為各方面人士提供了連接的紐帶并指明了共同發(fā)展的方向[1],AIR 1419則全面概括了流場畸變方面的重要內容。

近年來開展的進氣畸變的實驗研究[7-9]以及數(shù)值模擬研究[10-12]重點關注的是畸變對風扇、壓氣機葉片的氣動性能和失速的影響。目前,中國民用大涵道比渦扇發(fā)動機已經(jīng)立項并開始研制,在大涵道比渦扇發(fā)動機的壓縮系統(tǒng)中,大半徑的風扇和小半徑的高壓壓氣機之間的S型過渡段即中介機匣承接了上下游的流場。為了降低耗油率,目前先進的民用發(fā)動機的涵道比已經(jīng)超過10,由此帶來的大折轉角和擴散度,使得中介機匣內流動分離損失和出口流場畸變度已經(jīng)成為重要的研究課題[13]。在沒有轉子葉片的壓氣機中介機匣流道中,進氣畸變會對出口流場造成何種影響,這是急待解決的問題。本文將針對大涵道比渦扇發(fā)動機壓氣機的中介機匣流道,選取根據(jù)AIR 1419[6]進氣畸變區(qū)位于根部的空間位置,在流道進口前的下壁面增加擾流器以形成根部進氣畸變,通過實驗研究進氣畸變對中介機匣流道氣動性能的影響。

1 實驗方法

實驗在上海交通大學航空航天學院葉柵實驗風洞中進行,氣源由羅茨風機提供,其功率500 kW,進口流量343 m3/min,最大壓升為68.6 kPa。風機導管出口連接擴張段和穩(wěn)壓箱,穩(wěn)壓箱直徑800 mm,內裝三道阻尼網(wǎng)和一道蜂窩器；穩(wěn)壓箱后連接1/4扇形轉接段。實驗時將實驗件裝在扇形轉接段上,后面接扇形節(jié)流段和出口節(jié)流錐。實驗風洞示意圖如圖1(a)所示。插板擾流器廣泛用于航空發(fā)動機的進氣畸變實驗中,利用插板擾流器模擬進氣畸變流場是一種相對經(jīng)濟、方便實用的實驗方法。實驗為了模擬進口徑向流場畸變,將擾流器安裝于扇形轉接段距離中介機匣實驗件進口150 mm處的內壁面根部,擾流器截面為矩形,高20 mm,占中介機匣進口20%葉高范圍,寬10 mm,如圖1(b)所示。

圖1 實驗風洞和根部擾流器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the wind tunnel and spoiler at the hub

實驗對象為中介機匣的1/4通道(扇形段),如圖2(a)所示。實驗件由內、外壁流道型面,左、右側壁,前、后安裝邊,中間1個厚支板葉片,左、右間隔30°各1個薄支板葉片組成。圖2(b)展示了實驗件進出口截面測點軸向位置的示意圖。利用裝在位移機構上的總溫和總壓氣動探針,對中介機匣實驗件的進、出口截面進行流場測量,得到進、出口截面的總溫和總壓參數(shù)的分布。截面的測量位置可以通過探針位移機構調整,軸向位置有三個:進口總溫、總壓測量位置位于進口安裝邊前25 mm截面,出口位于實驗件出口安裝邊后170 mm處,徑向位置位于實驗件上、下壁間等間距測量,并離開上、下壁面各1 mm。在上、下壁沿大、小支板之間中間法向距離的流線位置各均勻布置30個靜壓測孔。數(shù)據(jù)采集用PSI 9116智能型壓力掃描閥,測量精度可達到±0.05%全量程。

為了量化分析中介機匣的性能,引入了總壓恢復系數(shù)δ和表面壓力系數(shù)Cp,分別定義為

(1)

(2)

圖2 中介機匣實驗件和進出口測量截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the intermediate duct test sample and measuring points of inlet and outlet section

圖3 實驗件有無進氣畸變的進、出口總壓、總溫及馬赫數(shù)分布Fig.3 Radial distributions of total pressure, total temperature and Ma at the inlet and outlet

2 實驗結果與討論

2.1 進、出口總溫、總壓和馬赫數(shù)分布

圖3給出了實驗件安裝擾流部件前后的進、出口總壓、總溫及馬赫數(shù)的分布圖。

圖3(a)、3(b)給出了不同進氣條件下中介機匣實驗件進口總壓和總溫的徑向分布,相對于均勻進氣條件,在實驗件進口前安裝擾流器,使得中介機匣的進口截面流場發(fā)生了很大變化。均勻進氣條件下的總壓恢復系數(shù)為0.980 2,總壓損失系數(shù)為0.049 7；而進氣畸變后的總壓恢復系數(shù)僅有0.973 5,總壓損失系數(shù)增加到0.147 1,相對于均勻進氣分別變化了0.684%和9.74%。進口的總溫總壓在徑向上振蕩明顯,尤其是通道整體高度40%以下區(qū)域,由于擾流器阻礙氣流正常通過,使氣流產(chǎn)生分離,在根部靠近壁面處總壓顯著降低。而由于根部氣流發(fā)生堵塞,使得主流區(qū)氣流通流面積減小,流速加快,總壓增加,但在上壁面接近端壁區(qū)由于黏性作用導致總壓降低。進口總溫分布在通道高度40%以下開始加速下降,接近端壁處達到最低。由圖3(a)、圖3(b)可以看出進口氣流存在徑向總壓和總溫的畸變。

圖3(c)、圖3(d) 給出了不同進氣條件下中介機匣實驗件出口總壓和總溫的徑向分布?？梢钥闯?均勻進氣條件下出口總壓比較均勻,在靠近上端壁部分損失不明顯,而在下端壁部分損失相對較大?？倻胤植稼厔葺^平緩。在畸變進氣條件下,可以明顯看到出口總壓波動幅度加大；但相較于進口總壓約30%的波動量,在出口處已經(jīng)減小到了約10%；出口中部葉高以上區(qū)域總壓依舊高于通道高度40%以下區(qū)域,但差異較進口顯著減小?？倻卦诔隹趲缀鯎交炀鶆?但溫度更高,這表明進氣總溫的畸變度經(jīng)過中介機匣流道后得到了很好的改善。

圖3(e)顯示了馬赫數(shù)(Ma)的變化。可以看到進氣畸變導致進口處的Ma發(fā)生了較大的變化,尤其是40%葉高以下的區(qū)域。出口的流動特征也發(fā)生了較大的變化,Ma在畸變條件下20%高度下減小較明顯,速度分布不均勻度加大。

2.2 上、下端壁壓力系數(shù)分布

圖4 有無進氣畸變條件下上、下壁面沿流道靜壓分布對比Fig.4 The static pressure distributions along streamline of inner and outer wall with/without inlet distortion

實驗利用壓力掃描閥對均勻進氣和畸變進氣兩種條件下中介機匣實驗件上下壁面沿流線分布的靜壓進行了測量,并對數(shù)據(jù)進行了無量綱化,如圖4所示。由圖4可見,在支板存在區(qū)域內兩種進氣條件下上下壁面壓力發(fā)展趨勢相同；在上壁面,靜壓沿流向在靠近前后端均出現(xiàn)拐點后大部分呈下降趨勢；在下壁面,靜壓均是逐漸增大；在支板前36.7%弦長的軸向位置處,有無進氣畸變的流動都存在一個加減速的臨界點。在進口附近,由于進氣畸變的影響,使得下壁面靜壓要大于上壁面,隨著流動的發(fā)展,上壁面靜壓迅速增大,并在20%流道長度處出現(xiàn)拐點,之后靜壓逐漸降低,上下壁面壓力發(fā)展與均勻進氣條件保持相同趨勢。圖4中上下壁面壓差即為流道內的徑向壓力梯度(由上壁面到下壁面為正),可以看出壓力梯度呈先增大后減小至零后又反向增大的趨勢。畸變條件下壓力梯度變化更為激烈:初期為負壓力梯度,然后迅速減小為零后反向增加,在支板前即突擴處正壓力梯度最大,之后逐漸減小繼而再反向增大。

2.3 出口截面速度場分布

圖5 進氣均勻和畸變下的出口截面速度場分布Fig.5 Measured velocity distribution of different radius at outlet section with/without inlet distortion

為了進一步說明進氣畸變對中介機匣出口流場的改變,采用三孔探針和熱線風速儀對出口截面流場進一步測量。圖5給出了進氣均勻和畸變兩種條件下的出口截面速度場分布。由圖5可以直觀地看出,在均勻進氣條件下尾跡區(qū)在出口截面上較為明顯,主流區(qū)速度較為均勻,支板兩側流動對稱性較好；畸變進氣條件下支板葉片尾跡與主流氣體已明顯摻混；相比于均勻進氣條件,主流速度明顯降低。

3 結論

選取大涵道比渦扇發(fā)動機的壓氣機中介機匣作為實驗研究對象,在實驗件進口前的轉接段內壁面根部安裝占20%徑向高度的擾流器,以模擬進氣的根部流場畸變,通過實驗測量并對實驗結果進行分析,得出如下主要結論。

(1)進氣畸變導致進口截面的總壓恢復和總壓損失系數(shù)相較于均勻進氣分別下降了0.684%和增加了9.74%；總壓和總溫在通道整體高度40%以下區(qū)域虧損嚴重。在出口截面,進氣畸變導致總壓波動幅度較均勻進氣更大,出口中部葉高以上區(qū)域總壓遠高于通道高度40%以下區(qū)域；出口總溫由于氣流的摻混明顯高于均勻進氣條件,出口速度明顯降低。

(2)中介機匣對進口徑向畸變沿流向的發(fā)展有明顯改善作用。機匣上、下壁面沿流線分布的靜壓在畸變開始時差異最大,隨后沿流向有所改善；畸變氣流通過中介機匣后,總溫和總壓分布較進口的畸變度下降且分布更加均勻；相較于進口畸變總壓約30%的波動量,在出口處已經(jīng)減小到了約10%；總溫在出口幾乎摻混均勻；支板葉片尾跡與主流氣體的摻混較均勻進氣更為充分。