邱道彬 劉西武 曹四
(1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所,湖南株洲 412002;2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南株洲 412002)
隨著壓氣機(jī)壓比及其平均級(jí)負(fù)荷的不斷提高,采用篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的靜子根部容腔泄漏流對(duì)高壓壓氣機(jī)的性能影響不容忽視。通過文獻(xiàn)調(diào)研可知,篦齒間隙占葉片展高的比例每增加1%,可導(dǎo)致壓比下降3%,效率下降1%~1.5%[1]。Shabbir等人[2]的研究表明,壓升的降低是由于根部堵塞發(fā)生變化而非攻角的變化。Demargne等人[3]通過壓氣機(jī)平面葉柵研究了靜子間隙流對(duì)主流的影響,其試驗(yàn)結(jié)果表明泄漏流量越大,越容易導(dǎo)致葉柵流動(dòng)惡化,同時(shí)隨著間隙流切向速度的增加,葉片排的流動(dòng)會(huì)變好,由文獻(xiàn)調(diào)研可知靜子間隙泄漏流的影響不可忽視。本文以某軸流離心組合壓氣機(jī)的軸流靜子根部容腔為研究對(duì)象,研究靜子根部間隙泄漏流對(duì)此壓氣機(jī)性能的影響。
本文對(duì)某帶靜子根部篦齒封嚴(yán)容腔結(jié)構(gòu)高壓壓氣機(jī)進(jìn)行三維氣動(dòng)仿真,其高壓壓氣機(jī)及靜子根部容腔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖1所示。根部容腔結(jié)構(gòu)采用ICEM進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,見圖2,總網(wǎng)格單元約為75.4萬。高壓壓氣機(jī)采用AutoGrid進(jìn)行網(wǎng)格劃分,總網(wǎng)格量約為56.8萬。此外,本文計(jì)算所采用的篦齒間隙為0.3mm,約占軸流靜子葉高的0.76%。
圖1 高壓壓氣機(jī)+根部容腔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分
進(jìn)行數(shù)值模擬所用的軟件為CFX 17.2,湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)K-epsilon模型,Modified Linear Profile二階精度的離散格式。進(jìn)口邊界設(shè)置在過渡段支板的進(jìn)口,此處的氣流條件按照標(biāo)準(zhǔn)大氣設(shè)置,給定總溫、總壓和氣流方向。其中容腔結(jié)構(gòu)與軸流靜子的交界面定義為Frozen Rotor,如圖2所示。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)靜子之間采用Stage(Mixing-Plane)設(shè)置;高壓壓氣機(jī)出口給定靜壓邊界條件。
圖2 根部容腔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分
在100%轉(zhuǎn)速條件下,對(duì)帶有靜子根部篦齒封嚴(yán)容腔結(jié)構(gòu)高壓壓氣機(jī)進(jìn)行三維氣動(dòng)仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖3給出了該壓氣機(jī)在100%轉(zhuǎn)速條件下的流量-壓比特性,從圖中可以看出帶篦齒和不帶篦齒計(jì)算其對(duì)壓比的影響較小,僅在近喘點(diǎn)附近壓比有略微的下降,而喘點(diǎn)流量所受的影響更加明顯,計(jì)入篦齒泄漏的影響后,壓氣機(jī)的綜合裕度下降了1.5%。圖4給出了該壓氣機(jī)在100%轉(zhuǎn)速條件下的壓比-效率特性,從圖中可以看出帶靜子根部篦齒計(jì)算以后,近設(shè)計(jì)點(diǎn)的效率變化并不明顯,而近喘點(diǎn)的效率出現(xiàn)了明顯的下降,下降約0.46%,這與近喘點(diǎn)壓比高,篦齒泄漏損失大相關(guān)。總體而言,效率的降幅與壓比呈正相關(guān)的關(guān)系。
圖3 流量-壓比特性
圖4 壓比-效率特性
為了進(jìn)一步分析帶靜子根部篦齒容腔結(jié)構(gòu)對(duì)高壓壓氣機(jī)的影響,下面對(duì)峰值效率點(diǎn)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析。圖5給出了峰值效率點(diǎn)軸流靜子極限流線對(duì)比圖,從圖中可以明顯看出,考慮篦齒結(jié)構(gòu)后,靜子根部的二次流變化非常明顯,二次流所影響的區(qū)域明顯增大,因此壓力損失也將增大,從而影響壓氣機(jī)的效率和裕度。
圖5 峰值效率點(diǎn)軸流靜子吸力面和輪轂表面極限流線圖
圖6對(duì)比了峰值效率點(diǎn)的靜子進(jìn)口氣流角,20%以內(nèi)展高的氣流角均受到了影響,氣流與軸向的夾角增大,即靜子的攻角增大,進(jìn)而影響裕度。Aungier在文獻(xiàn)[4]中對(duì)靜子篦齒的泄漏影響進(jìn)行了分析并給出了計(jì)算公式,氣流從篦齒腔泄漏到主流道時(shí)帶有一定的切向速度,且與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同。因此靜子根部附近的攻角都將有所增大,CFD結(jié)果顯示輪轂壁面的攻角增大了約3°。
圖6 靜子進(jìn)口氣流角
圖7對(duì)比了峰值效率點(diǎn)靜子10%展高的表面靜壓分布,考慮篦齒結(jié)構(gòu)以后,吸力面的靜壓基本不受影響,而壓力面的靜壓則有略微下降,即葉片的負(fù)荷有輕微的下降。說明篦齒泄漏既影響靜子的攻角,同時(shí)還影響靜子的靜壓升能力,而這2個(gè)因素都將影響壓氣機(jī)的裕度。
圖7 靜子10%展高表面靜壓
圖8給出了峰值效率點(diǎn)靜子根部容腔極限流線和靜壓分布示意圖,從圖中可以看出此泄漏流主要由靜壓驅(qū)動(dòng),即靜子出口壓力較高,靜子進(jìn)口壓力較低,使得靜子后容腔內(nèi)的流體沿篦齒間隙向前容腔泄漏,這種泄漏必然會(huì)帶來一定的泄漏損失。圖9給出了峰值效率點(diǎn)軸流靜子總壓恢復(fù)系數(shù)沿展向分布,從圖中可以看出帶靜子根部容腔的總壓恢復(fù)系數(shù)明顯比不帶靜子根部容腔的總壓恢復(fù)系數(shù)低,和圖4中其峰值效率點(diǎn)效率降低相一致。此外對(duì)于圖3中峰值效率點(diǎn)壓比變化較小的原因和篦齒泄漏流的流量較小相關(guān),其泄漏流量只有0.012kg/s,約占喘點(diǎn)進(jìn)口流量(約4.83kg/s)的0.25%,其所帶來的靜子根部總壓損失較小。
圖8 根部容腔泄流線圖
圖9 靜子總壓恢復(fù)系數(shù)沿展向分布
從壓氣機(jī)總體特性可以看出,采用篦齒計(jì)算以后,特性差異最顯著的位置出現(xiàn)在近喘點(diǎn),因此對(duì)近喘點(diǎn)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析。
圖10給出了近失速點(diǎn)S5吸力面和輪轂表面極限流線對(duì)比圖,與峰值效率點(diǎn)趨勢(shì)類似,篦齒泄漏使得軸流靜子根部的流動(dòng)狀況惡化,受二次流影響的區(qū)域增大。從特性對(duì)比可知,篦齒結(jié)構(gòu)的影響在近失速點(diǎn)有所增大。因?yàn)榇藭r(shí)壓比、流量和效率的變化都更加明顯。
圖10 近失速點(diǎn)S5吸力面和輪轂表面極限流線圖
圖11對(duì)比了近失速點(diǎn)靜子進(jìn)口氣流角的展向分布,90%展高以下的區(qū)域都受到了影響:在10%展高以下的區(qū)域,靜子的攻角增大,而在10%展高以上的區(qū)域,靜子的攻角略微減小。說明此時(shí)篦齒的泄漏不僅影響軸流靜子的根部,同時(shí)還影響整個(gè)徑向的平衡。
圖11 靜子進(jìn)口氣流角
圖12對(duì)比了近失速點(diǎn)軸流靜子10%展高的表面靜壓分布,與峰值效率點(diǎn)相比,壓力面的靜壓下降幅度更大,同時(shí)吸力面的靜壓也略微下降。此外,篦齒泄漏還導(dǎo)致出口靜壓的下降,靜壓升能力受到的影響更加明顯。
圖12 靜子10%展高表面靜壓
圖13給出了近失速點(diǎn)軸流靜子總壓恢復(fù)系數(shù)沿展向分布,從圖中可以看出20%展高以下帶靜子根部容腔的總壓恢復(fù)系數(shù)明顯比不帶靜子根部容腔的總壓恢復(fù)系數(shù)低,和圖4中其近失速點(diǎn)效率降低相一致。
圖13 靜子總壓恢復(fù)系數(shù)沿展向分布
利用三維數(shù)值仿真的方法對(duì)某軸流離心組合壓氣機(jī)靜子葉根間隙流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。得出如下結(jié)論:
靜子葉根間隙流導(dǎo)致壓氣機(jī)近喘點(diǎn)效率、壓比及喘振裕度均有所下降,設(shè)計(jì)點(diǎn)效率、壓比基本不變,在篦齒間隙一定的條件下,靜子葉根篦齒泄漏的影響隨著壓比的增大而增加。篦齒泄漏在導(dǎo)致靜子攻角增大的同時(shí)導(dǎo)致靜子的靜壓升能力減弱,根部附近的總壓恢復(fù)系數(shù)降低。