翟志龍，曹傳軍，姜逸軒

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海 200241）

0 引言

民用大涵道比渦扇發(fā)動機在工作過程中，需要從壓氣機級間引氣用于飛機客艙供氣、飛機防冰、渦輪葉片冷卻、軸承腔封嚴、起動階段防喘等，從壓氣機級間引出的氣流流量達到主流空氣流量的8%～10%[1]。級間引氣改變了壓氣機引氣位置上下游的級間匹配，對壓氣機性能產生了較大影響[2]。

國內外研究人員采用數(shù)值模擬和試驗方法，針對引氣方式、引氣模型、引氣位置和引氣量進行了大量研究。Leishman 等[3-5]研究了引氣位置、引氣量和引氣槽結構等對性能的影響；Gummer 等[6]、Dobrzynski等[7]研究了高負荷帶導葉單級軸流壓氣機端壁上的最佳引氣位置，指出靜葉端壁引氣能夠有效控制葉背的流動分離；Merchant 等[8]對跨聲速風扇進行的引氣研究表明，適量的引氣能夠改善流場，提高級壓比；張皓光等[9]研究了引氣對雙級軸流壓氣機氣動性能的影響，指出在壓氣機進、出口條件不變時，引氣能夠增加進口流量；鄧皞等[10]、顧春偉等[11]對壓氣機級間引氣進行了數(shù)值模擬，揭示了引氣具有提高效率的潛力；趙斌等[12-13]研究了單級軸流壓氣機中引氣位置和流量對其性能的影響；沙心國等[14-15]針對多級軸流壓氣機進行引氣的數(shù)值模擬研究，表明級間引氣能夠提高壓氣機的總壓比和效率；陳哲等[16]研究了軸流壓氣機級間引氣槽引氣對下游葉排的級間壓力分布和葉片表面壓力分布的影響；周文嘯等[17]研究了不同的引氣槽在外機匣端壁處引氣對壓氣機總性能和局部流場的影響；顧楊等[18]通過試驗方法對多級高壓壓氣機進行部分轉速下引氣的研究，指出了壓氣機中間級引氣對其性能和穩(wěn)定工作范圍的影響；侯麗娜等[19]針對不同引氣方式對壓氣機性能的影響開展了研究，指出全周開縫引氣與具有真實幾何造型的圓孔引氣在各種性能參數(shù)的變化趨勢上一致，可定性反映引氣對壓氣機性能的影響；曹傳軍等[20]研究了源項引氣和引氣槽結構的引氣計算方法的差異，表明源項引氣可用于工程分析，節(jié)約計算時間。

以上對壓氣機引氣影響的研究大多集中在低負荷的單級環(huán)境或者級數(shù)較少的環(huán)境下開展，且研究多集中于數(shù)值模擬，試驗研究較少。本文針對某10 級軸流壓氣機開展了數(shù)值模擬和試驗研究，探究級間引氣對多級軸流壓氣機總性能、級間流場的影響。

1 數(shù)值模擬分析

本文研究對象為某10 級軸流壓氣機，總壓比在20 以上，引氣位置分別在第4、7 級靜子葉片后，包含進口導葉在內共21 排葉片，計算模型及網格y+值分布如圖1所示。計算采用商用NUMECA軟件，該軟件在葉輪機械領域應用廣泛，計算結果與試驗結果吻合較好[21]。該軟件自帶的源項引氣模型操作簡單，可以快速修改引氣量比例和引氣位置，且結果與引氣腔采用真實幾何結構的計算結果吻合較好[19-20]。計算網格采用Autogrid5 劃分，網格拓撲采用H-O-H 結構，保證最小網格正交性＞15°，最大網格長寬比＜5000，最大網格延展比＜5，計算時第1 層網格高度取值1E-5 mm，網格y+＜5。進口R1 轉子葉片通道網格數(shù)量約67 萬，出口R10 轉子葉片通道網格數(shù)量約47 萬。各排靜子葉片通道網格數(shù)量30～46萬，10級壓氣機網格總量約840萬。

圖1 計算模型及網格y+值分布

流場模擬采用Fine/Turbo 模塊，單通道定常計算，湍流模型采用S-A 模型，進口取試驗條件下的進口總溫總壓，在出口中徑處給定徑向平衡的靜壓，計算中通過改變出口靜壓獲得壓氣機的特性線。

1.1 引氣對總性能的影響

設計轉速不同引氣方案總特性計算結果如圖2所示。方案A 代表基準引氣方案，第4 級引氣率為2%，第7 級引氣率為5%；方案B 代表第7 級引氣不變，第4 級引氣相對于基準方案的增加2%；方案C 代表第7 級引氣不變，第4 級引氣相對于基準方案的減少2%；方案D 代表第4 級引氣不變，第7 級引氣相對于基準方案的增加2%。以上所述引氣百分比均為引氣量與壓氣機進口流量的比值。換算流量采用方案A堵點流量進行歸一化，總壓比采用方案A的最高壓比進行歸一化，效率采用方案A的峰值效率進行歸一化。

圖2 設計轉速不同引氣方案總特性計算結果

數(shù)值模擬結果表明，第4 級引氣增加2%，總流量增加0.1%；第4 級引氣減少2%，總流量減少約0.1%，增加或者減少相同比例的第4 級引氣量，堵塞點流量相對變化量一致。而第7 級引氣量的增加對總流量的影響極小。本文采用源項引氣模型計算的引氣對堵塞流量的影響量值，與文獻[20]中的結論一致，引氣量改變，壓氣機進口總流量變化較小。

第4、7級引氣增加，峰值效率均基本不變，而第4級引氣減少，峰值效率明顯降低。增加引氣可以提高引氣上游壓氣機流通能力，使得引氣上下游各級的流量發(fā)生改變，從而改變各級的匹配工作點的位置，需進一步從局部流場入手，深入研究引氣變化對多級軸流壓氣機級間匹配的影響。

1.2 引氣對各級匹配特性的影響

設計點不同引氣時各級壓比和效率分布如圖3所示。設計點定義為特性線靠近工作線的點，通常為特性線峰值效率點。本文中級的定義采用S-R 為1級，如第1 級由第0 級靜子和第1 級轉子組成，其余級以此類推，按此方式定義主要是為了與試驗結果進行對比。圖3（a）中可見，第4 級引氣增加，使得前面各級壓比降低，后面各級壓比升高，主要原因在于引氣增加使得引氣上游各級的流量增大，導致上游各級工作點向堵點移動，壓比降低；引氣增加使得下游各級的流量減小，導致下游工作點向喘點移動，壓比升高。對比第4 級引氣增加和第7 級引氣增加可見，第7 級引氣增加，僅導致后面級壓比升高，而前面各級壓比基本不變，主要原因在于高轉速下前面級處于堵塞工況，第7 級引氣增加并不會導致前面級流量明顯增大，進而前面級工作點位置基本不變。結合圖3（b）可知，第4級引氣增加，前面級壓比降低，效率降低，可以推斷工作點越過了單級特性峰值效率點，處于特性線右支，壓比降低的同時效率也會降低。后面級效率略有提升，主要原因在于各級匹配的工作點位置變化導致效率變化。圖3（b）中引氣級如第5級（S4R5），在引氣之后其效率突增，分析該級效率突增是不真實的，效率計算過程中采用溫升效率，假設該級進、出口流量守恒，沒有考慮引氣流量帶走的這部分等熵功的損耗，因此實際中增加引氣后該級的效率應比當前計算的效率值偏低，文獻[22-23]給出了引氣對級效率變化的影響分析。第7級引氣增加的效果和原因類似[24]。

圖3 設計點不同引氣時各級壓比和效率分布

1.3 引氣位置上下游流場分布

進一步分析引氣對上下游流場的影響，以第4 級引氣為例，設計點各引氣方案子午面相對馬赫數(shù)分布如圖4 所示（S4 和R5 分布云圖）。與基準引氣相比（圖4（a）），增加引氣后S4葉尖尾緣馬赫數(shù)提高，同時由于存在徑向摻混，該影響貫穿整個葉高，導致整個葉高氣流速度增大。對于S4 進口區(qū)域而言，引氣增加同樣導致馬赫數(shù)提高。而對于下游轉子葉尖進口而言，引氣口流量增加，導致該區(qū)域流量減小，馬赫數(shù)降低，表明引氣改變了引氣口附近的流場，在徑向摻混作用下影響了整個交界面區(qū)域上下游的流場。而第7 級引氣改變時，S4 和R5 的子午面馬赫數(shù)與基準引氣的基本一致，表明流場未發(fā)生明顯改變，與前文所述工作點位置不變的分析結論相符。

圖4 設計點各引氣方案子午面相對馬赫數(shù)分布

圖5 第4級靜子出口絕對氣流角

1.4 引氣位置上下游氣流角分布

圖6 第5級轉子進口相對氣流角

設計點不同引氣方案第4 級靜子出口絕對氣流角和第5 級轉子進口相對氣流角分別如圖5、6 所示（均為與發(fā)動機軸線方向的夾角）。從圖中可見，第4級引氣增加，第4級靜子出口氣流角最大變化僅0.1°，而第5 級轉子進口相對氣流角增大0.5°。靜子葉片對流過的氣流進行擴壓和導流，即使流量增加，出口氣流角的變化也不大，而引氣增加后，進入到下游轉子葉片前緣的氣流絕對速度減小，在葉片切線速度不變的情況下，轉子進口相對氣流角增大，因此轉子進口攻角增大，轉子負荷提高；反之第4 級引氣減小，轉子進口攻角減小，負荷降低。同時，第7 級引氣比例改變，第4級出口或者第5級進口氣流角基本不變，再次表明第7級引氣對較遠的上游流動影響較小。

2 試驗分析對比

為進一步驗證數(shù)值模擬得到的引氣影響規(guī)律，在中國航發(fā)商發(fā)壓氣機試驗臺開展了壓氣機試驗。該試驗臺驅動電機最大功率為25 MW，流量調節(jié)范圍為0～50 kg/s，最 高 轉 速 為20000 r/min。試驗裝置主要包括進口流量管、節(jié)流閥、穩(wěn)壓箱、試驗件本體、排氣系統(tǒng)等，試驗臺如圖7所示。

圖7 試驗臺

試驗中通過臺架進口流量管測量物理流量。壓氣機進口截面位于中介機匣支板通道中間，徑向分別布置總溫和總壓梳狀探針，測量壓氣機進口截面溫度和壓力，沿程靜葉前緣布置葉型探針，測量級間總溫和總壓；在壓氣機出口截面布置總溫、總壓探針，測量出口截面溫度和壓力。在試驗時通過閥門調節(jié)壓氣機引氣口流量，得到引氣對壓氣機總特性和級間流場的影響。基于級間總溫總壓計算各級單級特性，基于進出口測量值計算壓氣機總特性，其中效率根據(jù)試驗數(shù)據(jù)采用文獻[23]中的變比熱公式計算。

2.1 引氣對總性能的影響

在設計轉速下4 種引氣方案對壓氣機總特性的影響如圖8 所示。由于該試驗件負荷較高，喘振能量較大，出于安全考慮，各項引氣試驗均未進喘。各方案與數(shù)值模擬時的一致。換算流量采用方案A 堵點流量進行歸一化，總壓比采用方案A的最高壓比進行歸一化，效率采用方案A的峰值效率進行歸一化。

從圖8（a）中可見，引氣量變化對總流量和工作點匹配位置的影響很大；結合圖8（b）可見，第4 級引氣增加2%，總流量增加0.8%，峰值效率相對提高0.3%，4 級引氣減少2%，總流量減少1.3%左右，峰值效率降低1.1%。相比第4級引氣增大，引氣減少導致性能變化更為劇烈。第4 級引氣不變，衒7 級引氣增加2%，總流量基本不變，峰值效率相對降低0.4%，在上下游不同位置增加相同比例的引氣量，引氣位置越遠離壓氣機進口，總流量和峰值效率變化幅度越小，主要原因在于在設計轉速下，高壓壓氣機流通能力主要由前面級限制，下游引氣對壓氣機進口影響較弱，前面提到的相比增大第4 級引氣，減少引氣對性能的影響更大也與此因素相關。需要特別說明的是，本方案的高壓壓氣機級數(shù)為10 級，且流通能力主要由前面級限制，若對于級數(shù)、設計方案、流動狀態(tài)與本方案差異較大的多級壓氣機，影響規(guī)律不能一概而論。根據(jù)試驗結果得到的引氣對流量和效率的影響變化趨勢與計算結果的一致，但對流量、效率的影響，試驗結果大于計算結果，需要開展進一步研究。

2.2 引氣對各級壓比的影響

設計點不同引氣方案下的各級壓比分布如圖9所示。第4 級引氣增加，前面各級壓比降低，后面各級壓比升高；第4 級引氣減小，規(guī)律相反。第7級引氣增加，前面級壓比基本不變，后面級壓比升高。試驗獲得的各級壓比變化規(guī)律，與本文數(shù)值模擬結果一致。

圖9 設計點不同引氣方案下的各級壓比分布

2.3 引氣對級間匹配的影響

引氣對第1、4、7 級單級特性的影響分別如圖10～12 所示。由于試驗時級間總溫、總壓探針布置于各級靜子前緣，因此單級特性采用S-R 作為第1級。從圖10 中可見，第4、7 級引氣量變化不改變第1級特性線，不同引氣規(guī)律時特性線基本重合，引氣變化僅影響特性線上的工作點匹配的位置，這個結論可以推廣至其余級。從圖11、12 中可見，引氣變化對第4、7級特性有較小影響，特性線不完全重合，有2個原因：一是引氣改變了下游葉片攻角和負荷水平，導致特性線變化；二是引氣改變了上游匹配工作點，進而改變了級進口的總溫，從而該級的換算轉速發(fā)生了變化。對比第4、7 級引氣對各級的匹配影響，第4 級引氣顯著改變了第1、4 級的流量，第7 級引氣對進口級特性影響很小，再次表明多級軸流壓氣機總流量由進口級決定，引氣位置越遠離壓氣機進口，對總流量的影響越小，僅影響了引氣位置上下游的匹配。

圖10 第1級流量壓比特性

圖11 第4級流量壓比特性

圖12 第7級流量壓比特性

3 結論

（1）級間引氣對多級軸流壓氣機各級的單級特性影響較小，但引氣改變了引氣處上下游的流量分配，從而改變了基于流量的壓氣機級間匹配特性，進而影響了整個壓氣機的總特性。

（2）多級軸流壓氣機設計轉速前面級處于流量堵塞工況，相對第7級引氣，第4級引氣可顯著影響壓氣機的總流量，改變壓氣機匹配特性；引氣位置越遠離進口，對總流量的影響越小，僅影響了引氣附近上下游各級的匹配；相比第4級引氣增加，第4級引氣減小對壓氣機性能影響更為顯著。

（3）試驗得到的引氣對總性能、各級工作點匹配影響與數(shù)值模擬的一致，但對流量、效率的影響，試驗結果大于數(shù)值模擬結果，需要開展進一步研究。