吞雨对航空发动机风扇气动性能的影响

2021-08-04陈岩康傅文广

中国民航大学学报 2021年3期

白杰，陈岩康，傅文广，孙鹏

（中国民航大学a.适航学院；b.航空工程学院，天津 300300）

飞机在雨天环境飞行时，雨滴会被吸入发动机中，雨滴的吸入会影响发动机各部件的工作状态，严重情况下会使发动机进入不稳定工作状态，甚至导致空中熄火停车[1-3]。因此，国内外颁布的适航规章均要求发动机在使用前要通过一定的喷水测试。CCAR-33-R2.78 条款[4]规定，当发动机遭遇的雨浓度达到附件B中规定的合格审定标准的大气雨浓度时，在其整个规定的工作范围内仍有可接受的工作能力，即在任何连续3 min 的降雨周期内，发动机不熄火、不降转、不发生持续或不可恢复的喘振或失速，不失去加速或减速的能力，还必须保证吸入之后没有不可接受的机械损坏，不可接受的功率或推力损失以及其他不利的发动机异常情况。雨滴进入发动机后最先影响的是压缩部件，因此，国内外进行了大量关于压气机吞雨的研究。

国外：Day 等[5]通过研究发现，雨滴进入压气机会在叶片上形成水膜，水膜会改变叶片叶型进而改变叶栅流场，且叶片水膜在离心力的作用下运动到叶片顶部，对叶顶间隙的二次涡等造成影响，从而影响压气机的气动性能；Roumeliotis 等[6]利用单级轴流压气机进行吞水实验，结果表明，在2%吞水量下，压比的变化较小，同时喘振裕度降低；Roumeliotis 等[7]还与Neupert等[8]对水滴的蒸发、破碎和运动进行大量研究，同时分析了叶片水膜的形成过程及水膜的影响。

国内：李淑英等[9]利用近相似理论对喷水后压气机特性进行研究；马宇晨[10]通过研究发现，吞雨会使压气机扭矩增大，效率和增压比降低，并分析了液滴喷射位置及液滴喷射角度对压气机的影响；樊双明[11]利用Harika 程序对多级轴流压气机进行吞雨分析发现，压气机吞雨会改变叶栅攻角，导致压气机不稳定运行；杨璐等[12]利用Fortran 程序对压气机吞雨后的性能进行分析计算，结果表明，吞雨对压气机压比、稳定工作范围、各级温比均有影响；郑洪涛等[13]利用仿真软件对某压气机的干、湿压缩过程进行数值模拟。

目前，关于吞雨对压气机气动性能影响的相关研究较多，但关于雨滴对动叶、静叶通道流场影响的分析较少。通过上述分析提出基于两相流动原理构建风扇模型，利用数值模拟分析雨滴对风扇效率、压比、稳定裕度等性能参数的影响，为衡量压缩部件的稳定性与安全性提供参考；同时分析了不同雨量下动、静叶流场的变化，在一定程度上解释了雨滴对风扇气动性能的影响方式，为改善风扇流场，提高风扇在恶劣环境下工作能力提供思路与参考。

1 数值模拟方法

1.1 计算模型

以小型高涵道比发动机DGEN380 中的风扇为研究对象。DGEN380 为齿轮传动双转子发动机，涵道比为7.6，风扇设计压比为1.17，14 个动叶，40 个静叶，设计点转速为13 069 r/min，叶尖间隙为0.5 mm。采用TurboGrid 进行网格划分，第一层网格厚度0.003 5 mm，对近壁面网格及叶片前后缘等区域进行网格加密，以满足壁面y+值（壁面湍流边界层的一个经验参数）要求，动叶通道网格数约为7.5×105，静叶通道网格数约为7.2×105，动、静叶网格分别如图1 所示。

图1 DGEN380 网格Fig.1 Grid of DGEN380

目前，常用的两相流模型有两种，即欧拉-欧拉模型与欧拉-拉格朗日模型。欧拉-欧拉模型主要适用于两相之间体积分数差别不大的情况，且两相均为连续相；欧拉-拉格朗日模型适用于体积分数差别较大的情况，体积分数大的为连续相，体积分数小的为离散相。由于在吞雨过程中雨滴和空气体积分数差别较大，因此，两相流模型选用欧拉-拉格朗日模型。

1.2 数值模型

雨滴在运动过程中受到多种复杂力的共同作用：由于雨滴与气流间存在相对运动，雨滴会受到拖曳力的作用；动叶旋转时雨滴会受到较大的离心力作用；在压气机中沿流向方向压力在不断增大，雨滴会受到压力梯度力作用；雨滴还会受到重力等作用。在众多作用力中拖曳力FD、离心力FR、压力梯度力FP为主要作用力，其他力可忽略，即

其中

式中：mp为雨滴质量；up为雨滴速度；Cd为拖曳力系数；dp为雨滴直径；ρ 为气流密度；us为气流与雨滴间滑移速度；ω 为旋转速度；r 为位置向量；Δp 为作用在雨滴上的压力梯度；p 为静压。

雨滴在运动过程中会与叶片、机匣等壁面发生碰撞，Bai 等[14]通过研究发现，雨滴与壁面碰撞后形态的变化与韦伯数We有关，其关系可表示为

式中：un为雨滴撞击壁面的法向速度；σ 为湍流系数。

1.3 边界条件设定

针对100% 转速下风扇吞雨过程进行研究，进口总温为288.15 K，进口总压为101 325 Pa，通过改变出口背压调节风扇工况，壁面设置为绝热、无滑移，给定雨滴进口速度为90 m/s。

1）吞雨量选取

在吞雨过程中，吞雨量定义为喷入的雨滴质量与压气机干压缩时进口空气质量的比值。对DGEN380发动机而言，发动机设计流量为14.635 kg/s，进口直径为570 mm，在2%吞雨量下发动机进口雨滴含量为12.8 g/m3，载有DGEN380 发动机的飞机申报的飞行区域限于至少25 000 ft（1 ft=0.304 8 m）。考虑到CCAR-33 附件B 中规定的合格审定标准的大气雨浓度，在26 300 ft 下空气中雨滴含量为15.2 g/m3，因此，在2%吞雨量条件下接近发动机实际中的大气雨浓度。

在4%吞雨量下发动机进口雨滴含量为25 g/m3，接近于在海平面下大气雨水含量（20 g/m3）。同时，国外航空管理局根据发动机吞雨实验中“scoop effect”的影响，提出吞雨实验中吞雨量应超过4%，且吞雨量一般不超过10%。因此，在进行数值计算时设定的吞雨量为干工况（0%）、2%、4%、6%、8%。

2）雨滴直径选取

Moravec 等[15]通过数据分析得出，72%的雨滴直径集中在0.5 ～2.0 mm 之间，马庆祥[16]认为在吞雨实验中，吞雨量至少为发动机空气流量的4%，且雨滴直径不超过2.0 mm。因此，在吞雨量4%时，研究0.5、1.0、2.0 mm 的雨滴直径对风扇性能的影响。

1.4 可行性分析

图2 给出了100%转速无吞雨条件下实验结果与数值模拟结果的风扇效率和压比对比图，可看出：数值仿真与实验结果存在一定误差，但总体来看数值仿真结果与实验结果变化趋势相同且误差在可接受范围内。因此，可认为数值仿真模型及计算方法符合要求。

图2 数值仿真与实验结果对比图Fig.2 Comparison between numerical simulation and experimental results

2 计算结果分析

2.1 不同吞雨量下的性能分析

图3 为不同吞雨量下风扇效率和压比特性对比图，可看出：同一雨滴直径（1.0 mm）、不同吞雨量下风扇效率与压比特性曲线的变化趋势与干工况条件下基本相同；当逐渐提高出口背压时，空气流量降低，风扇效率和压比先升高后降低，由于空气流量降低，风扇会逐渐进入喘振状态；随着吞雨量增加，风扇性能产生恶化，风扇效率和压比不断降低，且吞雨量越大，风扇效率和压比下降的幅度越大；吞雨对风扇效率的影响较大，对风扇压比的影响较小，在风扇效率特性曲线上，风扇效率下降的幅度最大可达7.17%，而在风扇压比特性曲线上最大仅为0.86%。

图3 不同吞雨量下风扇特性对比图Fig.3 Comparison of fan characteristics under different rainfall ingestion volumes

吞雨后风扇气动性能产生恶化主要原因有：吞雨量越大，雨滴撞击叶片产生的动量交换越大，消耗的轴功越多，风扇效率下降的幅度也就增大；雨滴会与流场掺混，增加流场的不稳定性，加大流动损失；雨滴在通道中与壁面碰撞、破碎，破碎的雨滴会影响叶栅通道中气流的流动，叶栅通道中出现低速区，使得叶栅通道流通能力变差，可以看到图3（b）中同一背压下，随着吞雨量的增加，空气流量减小，风扇压比降低。

此外，雨滴的吞入会对风扇的稳定裕度造成影响。稳定裕度是用来衡量工作部件稳定工作范围的参数，具体表示为

式中：π*为风扇压比；m 为空气流量；下标s 表示喘振边界；下标o 表示设计工况。

通过计算，干工况和不同吞雨量下的稳定裕度和稳定裕度变化量如表1 所示。

表1 不同吞雨量下的稳定裕度Tab.1 Stability margins under different rainfall ingestion volumes

从表1 可看出，2%吞雨量下的稳定裕度略大于干工况下的稳定裕度。由于在吞雨过程中，雨滴与空气之间存在速度差使得雨滴加速，加速后雨滴具有的惯性增大，具有较大惯性的雨滴可带动叶栅通道中低速区气体流动，通道中堵塞程度下降，使得稳定裕度有一定升高[17]。随着吞雨量增加，雨滴对流场的恶化程度急剧增加，低速区面积增大，雨滴惯性增大所造成的影响减弱。因此，在一定条件下，适当吞雨可以加大风扇的稳定裕度，提高风扇稳定工作的能力，但超出一定条件，吞雨会使风扇稳定裕度下降，吞雨量越大，下降幅度越大。

2.2 不同雨滴直径下的性能分析

图4 给出了4%吞雨量和干工况下不同雨滴直径对风扇效率和压比的影响。由图4（a）可知：在近失速边界时，小直径雨滴条件下风扇效率略高于大直径雨滴下，但差别不大；在靠近堵塞边界时，大直径雨滴条件下风扇效率高于小直径雨滴下。由图4（b）可知，吞雨会使风扇压比降低，但在同一吞雨量下，雨滴直径对压比的影响较小。

图4 不同雨滴直径下风扇特性对比图Fig.4 Comparison of fan characteristics under different raindrop diameters

通过计算，同一吞雨量（4%）、不同雨滴直径下，风扇的稳定裕度和稳定裕度变化量如表2 所示。

表2 不同雨滴直径下的稳定裕度Tab.2 Stability margins under different raindrop diameters

2.3 流场分析

2.3.1 动叶通道

图5 为风扇处于设计工况时，同一雨滴直径（1.0 mm）、不同吞雨量下，动叶通道出口截面效率径向分布曲线图（图中曲线从右至左依次为干工况、2%、4%、6%和8%吞雨量下效率曲线），可看出：不同吞雨量下动叶通道出口截面效率的变化趋势与干工况条件下基本相同；在叶根区域，效率较低；在叶根至20%叶高区域内，效率开始逐渐增加；在20%～80%叶高区域内，效率略有波动，但总体上相比叶根区域，效率呈增加趋势；在80%叶高至叶尖区域内，效率刚开始时缓慢降低，到90%叶高附近时，效率急剧降低，越靠近叶尖区域效率下降越快，在叶尖处效率达到最低值；此外，不同吞雨量下，效率差距主要在20%～90%叶高区域，叶根至20%叶高区域内效率差距较小。

图5 动叶通道出口截面效率径向对比图Fig.5 Radial comparison of cross section efficiency of rotor blade passage

选取干工况、4%和8%吞雨量3 种吞雨条件下进行流场的对比分析，文中的研究对象为亚音速风扇（风扇内气流马赫数小于1），因此，通道中造成的损失主要有尾迹损失、叶尖泄漏涡造成的损失及通道中各种涡流相互掺混造成的损失等。

图6 为不同吞雨量下动叶通道S3 面静熵云图，其中，黑色箭头表示叶片旋转方向，即从吸力面向压力面处旋转。在叶根至叶尖区域中带状轨迹为尾迹区，可以看到不同吞雨量下尾迹变化基本相同。在叶根区域，轮毂附面层在横向压力梯度驱使下由压力面向吸力面横向迁移，并与吸力面附面层汇聚，堆积于吸力面角区，因此，叶根区域熵值较大，流动损失相应较大。在叶根至90%叶高区域，尾迹区面积逐渐增大，熵值先减小后增大，尾迹造成的流动损失整体上相比叶根区域是减少的，因此，这一区域的效率相比叶根区域整体上是增加的。在90%叶高至叶尖区域内，可看到这一区域存在明显的高熵值区，损失急剧增加，效率明显降低，这种现象主要是由于叶尖泄漏涡引起的。

图6 不同吞雨量下动叶通道S3 面静熵云图Fig.6 Static entropy nephogram on S3 surface of rotor blade passage under different rainfall ingestion volumes

对比3 种条件下静熵云图，还可看到在图6 中方框区域，熵值较叶片中部有所增加。随着吞雨量的增加，方框中高熵区的面积在不断增加，且逐渐向叶片中部延伸。造成这一现象的原因可能是当雨滴在离心力的作用下运动到叶片上半叶高区域时，较多的雨滴会堆积在叶片压力面，叶片吸力面上雨滴较少。此后，一部分雨滴会在离心力的作用下运动到叶片顶端区域，对顶端区域的流场造成影响；一部分雨滴会向叶片尾缘处运动，与尾缘处流场的掺混加剧，且吞雨量越大越明显。因此，3 种吞雨条件下，上半叶高红色方框区域中尾迹损失随吞雨量增加而增加。

图7 给出不同吞雨量下随吞雨量增加而增加动叶通道S3 面压比云图，可看出：在叶片前缘泄漏涡涡核区面积较小，涡核区压比极小，泄漏涡造成的流动损失较大；之后在叶栅通道中泄漏涡发生扩散，尺寸变大，且涡核区压比逐渐增大，此时的流动损失较叶片前缘处有所降低。对比3 种条件下叶尖区域压比云图可看到，随着吞雨量的增加，在动叶叶片前缘，同一截面上泄漏涡涡核区压比值和面积变化不明显，但之后沿泄漏涡运动方向，涡核区面积在缓慢增大，可认为随着吞雨量的增加，泄漏涡引起的损失在增加，这是造成叶尖区域在不同吞雨量下效率存在差距的原因之一。

图7 不同吞雨量下动叶通道S3 面压比云图Fig.7 Pressure ratio nephagram on S3 surface of rotor blade passage under different rainfall ingestion volumes

图8 为不同吞雨量下动叶通道99%叶高区域S1面静熵云图，其中，虚线为泄漏涡轨迹，箭头表示泄漏涡运动方向。由图8 可知：随着吞雨量的增加，泄漏涡涡核区熵值略微增加，泄漏涡在叶栅通道中引起的高熵区面积在不断增大，使叶栅下游中由其他涡流或雨滴掺混引起的损失区域（方框区域）面积在不断减小；泄漏涡轨迹随着吞雨量的增加在叶栅通道中不断延伸，吞雨量越大越靠近相邻叶片尾缘，与相邻叶片尾缘处的流场掺混更加剧烈。

图8 不同吞雨量下动叶通道99%叶高区域S1 面静熵云图Fig.8 Static entropy nephogram of S1 surface at 99%blade height region of rotor blade passage under different rainfall ingestion volumes

2.3.2 静叶通道

图9 为同一雨滴直径（1.0 mm）、不同吞雨量下静叶通道出口截面总压损失系数径向对比图，总压损失系数表示为

式中：P*in为静叶通道进口截面平均总压；P*out为静叶通道出口截面平均总压；Pin为静叶通道进口截面平均静压。

由图9 可知，在静叶通道出口处：叶根至80%叶高的区域，总压损失系数在逐渐减小；在通道80%叶高至叶尖区域，总压损失系数在急剧增大；总压损失系数在叶根至60%叶高区域相差较小，从60%叶高区域开始，同一叶高处，吞雨量越大，总压损失系数越大。由于雨滴在动叶通道运动时会受到离心力的作用，当雨滴进入到静叶通道时，雨滴大部分会聚集在静叶通道上半叶高区域（图10），使静叶通道上半叶高区域的流场发生恶化，进而使得流动损失增加。

图9 不同吞雨量下静叶通道出口截面总压损失系数径向对比图Fig.9 Radial comparison diagram of total pressure loss coefficient at outlet section of stator blade passage under different rainfall ingestion volumes

图10 雨滴运动示意图Fig.10 Schematic diagram of raindrop movement

以90%叶高区域为例分析，图11 为不同吞雨量下静叶通道90%叶高区域S1 面静熵云图，可看出：干工况条件下，高熵区主要处于叶片尾缘及通道下游区，且沿轴向方向熵值在不断减小，面积在逐渐增大；随着吞雨量的增加，高熵区在叶栅通道中的面积逐渐增大，熵值也在不断增大，在4%吞雨量下，叶栅下游高熵区面积在增大，且开始往叶栅通道中延伸，在8%吞雨量下高熵区已经逐渐扩散至整个叶栅通道。

图11 不同吞雨量下静叶通道90%叶高区域S1 面静熵云图Fig.11 Static entropy nephogram of S1 surface at 90%blade height region of stator blade passage under different rainfall ingestion volumes

由于雨滴在离心力的作用下运动到上半叶高区域时，雨滴会与叶片表面和机匣壁面发生碰撞、破碎，使得雨滴数目增加，与空气的接触面积增加，这种情况下雨滴与气流之间的阻力增加，雨滴与流场掺混造成的损失也随之增多，吞雨量越大这种现象越明显，这是造成静叶通道中损失主要集中在上半叶高区域的主要原因。