叶尖间隙对压气机中低转速气动性能影响的数值研究

2022-06-10高国荣李旦望

装备制造技术 2022年1期

强艳，李游，高国荣，李旦望

（中国航发商用航空发动机有限责任公司研发中心，上海 200241）

0 引言

压气机作为航空发动机的主要部件，对总体性能有重要的影响，而叶尖间隙是造成压气机内部流动损失的主要因素之一[1]。由加工及装配精度、机匣的变形、轴承的活动量、弹性支撑的变形量、腐蚀和磨损等带来的叶尖间隙变化，使轴流压气机产生了额外的工作问题[2]。此外，机动飞行中的负载对发动机间隙的瞬态变化的影响不可忽视，特别是在爬升、反推力、机动飞行状态下，由于飞机机动造成转子振动响应较快，经常引起非对称的间隙变化，容易造成碰摩、气流激振等[3]。

从20世纪50年代起，国内外许多研究机构都先后在关于叶尖间隙的不同领域开展了大量的试验和分析工作。WISLER等人[4]的研究认为叶顶间隙带来的影响主要体现为产生泄漏损失和堵塞，前者会降低压气机效率，后者会降低压气机的压升能力和稳定工作范围。高国荣等[5]在高转速压气机试验器上详细开展了叶尖间隙对压气机非设计转速性能特性与稳定边界影响的试验研究，结果表明间隙对气动稳定性有显著影响，间隙影响主要集中在叶高80%截面以上。

本文以某高负荷六级轴流高压压气机作为研究对象，采用NUMECA软件对转子叶尖分别作三种不同大小的间隙布局，分别进行不同转速下的全三维定常数值模拟，对比分析了各算例的性能和流场差异，初步预估间隙对不同转速气动性能的影响。

1 研究对象及数值方法

所研究的六级轴流高压压气机三维模型如图1所示，六级压气机连同进口导叶共13排叶片，静叶7排（标记为S0～S6），动叶6排（标记为R1～R6）。为了研究间隙对非设计转速压气机性能的影响，各转子叶片设置了三种不同的叶尖间隙，具体数值见表1。其中A方案间隙最小，方案C间隙最大，方案A为基准间隙，A和B的各转子间隙之差分别等于B和C的各转子间隙之差。针对三种间隙分别计算了相对换算转速95%、90%和70%的压气机特性线，相同转速的三个算例除间隙外其他设置均保持一致。

表1 三种方案的叶尖间隙设置

图1 三维计算模型

1.1 计算网格

计算网格由NUMECA软件的Auto-grid5模块生成。在进、出口段是H型网格，围绕叶片是O型结构化网格，靠近壁面网格加密，第一层网格间距为0.001 mm，保证网格近壁间距满足y+＜5。计算为单通道定常计算，全计算域网格数目为475万，每一排的网格数见表2，其中动叶考虑叶顶间隙，网格数多于相应静叶。图2中给出了第一级的网格拓扑结构。

表2 各排叶片网格数（单位：万）

图2 计算域网格示意图

1.2 计算设置

采用NUMECA软件的FINE/Turbo模块对高压压气机气动性能进行三维定常数值模拟，控制方程采用雷诺平均Navier-Stokes方程组，湍流模型选择一方程S-A模型，空间离散为中心差分格式。计算交界面采用Non Reflecting 1D method，时间离散采用四阶Runge-Kutta方法，为了提高计算效率，采用多重网格法、局部时间步长和残差光顺等加速收敛措施。

进口轴向进气，给定总温为288.15 K，总压为101325 Pa；固壁为绝热、无滑移边界条件。出口根据计算工况给定出口叶中半径处静压，并通过调节数值模拟不同工况点及逼近数值边界点。计算至收敛状态时，考察流量、效率、压比等性能参数波动规律不再变化为止，取数值发散前的最后收敛解作为边界点，即为喘振边界点。

2 数值模拟结果及分析

2.1 性能分析

2.1.1 总特性分析

图3～图5分别为三种间隙方案在换算转速为95%、90%、70%时的气动性能。由图3、4、5可知，随着转子叶尖间隙的增大，压气机的进口流量、最高效率和喘振裕度均逐渐降低。分析图3中95%ND的计算结果，间隙从A方案增大至B方案，堵点流量降低了2.5%，但从B方案增大至C方案，虽然间隙增大的数值是相同的，但堵点流量降低6.8%，远大于前者，最高效率和喘振裕度亦是如此，表明压气机的性能与间隙的关系非线性，间隙越大，压气机的性能损失越剧烈。

图3 95%ND气动性能对比

图5 70%ND气动性能对比

图4 90%ND气动性能对比

分析各转速最大间隙和最小间隙算例，在95%ND堵点流量之差为9.3%，最高效率差值为7.4%；在90%ND堵点流量差值为6.5%，最高效率差值为5.6%；在70%ND堵点流量差值仅为2.5%，最高效率差值仅为2.7%，由此可见间隙的大小在低转速时对气动性能影响较小，随着转速的提高，间隙值对气动性能的影响越来越大。

2.1.2 单级特性分析

图6和图7分别为95%ND三种间隙方案第一级和第六级的单级气动性能对比。由图6可知，随着间隙的增大，压气机的进口级特性变化较大，做功能力和效率明显降低，由图7可知，压气机的出口级特性变化较小，但大间隙使其工作在偏堵点的状态下。

图8和图9分别为70%ND三种间隙方案第一级和第六级的单级气动性能对比。分别对比图6和图8、图7和图9，可以看到70%ND压气机进口级和出口级特性随间隙变化的趋势与95%ND一致，但同样量级的间隙变化，对低转速的单级特性影响远小于高转速。

图6 95%ND第一级性能对比

图7 95%ND第六级性能对比

图8 70%ND第一级性能对比

图9 70%ND第六级性能对比

2.2 流场分析

2.2.1 近工作点流场分析

为了分析间隙大小对近工作点流场的影响，主要以最大间隙和最小间隙的算例结果进行对比。图10为95%ND近工作点A方案和C方案前两级在90%截面的马赫数云图对比，可以看到A方案的流场状态良好，C方案在R1和R2的压力面有较大范围的低速区，主要是叶尖泄露流造成的，该区域沿弦向方向向主流扩散，是间隙泄漏流与叶片通道主流掺混的结果，传递至下游的静子，导致静子的叶尖截面进口攻角发生变化，从而引起静子叶片S1和S2吸力面较大的分离区。图11中给出了C方案在近工作点R1尾缘处截面熵图，由于叶尖泄露流的存在，在叶尖流场内存在熵增的区域，在周向方向上泄漏流在叶顶处由于压力差从压力面向吸力面泄漏，在通道内由吸力面向压力面扩散，并且在下一个叶片的压力面形成明显的熵增区。

图10 95%ND近设计点前两级叶尖截面马赫数云图

图11 95%ND C方案近设计点R1尾缘处截面熵图

图12为70%ND近工作点A方案和C方案前两级在90%截面马赫数云图对比，可以看到C方案的两级静子叶片分离区明显减小了，A方案和C方案的流场差异明显小于95%ND。

图12 70%ND近设计点前两级叶尖截面马赫数云图

2.2.2 近喘点流场分析

为了分析间隙大小对近喘点流场的影响，仍然以最大间隙和最小间隙的算例结果进行对比。图13为95%ND近喘点A方案和C方案在90%截面前两级的马赫数云图，二者的差异与近工作点类似，均是C方案的流场存在较大的分离区。图14为95%ND近喘点A方案和C方案在10%截面末三级的马赫数云图，由图可知，A方案在近喘点时出口级的叶根流场恶化，而C方案在近喘点时出口级仍工作在较好的状态。综上认为，随着间隙的增大，六级高压压气机近喘点的流场分离区由出口级根部转为进口级的尖部。