航空叶轮机先进扩稳及流动控制技术(下册)

第五章 轴流压气机组合型机匣处理扩稳技术 机匣处理已成为当今世界上用于扩大压气机稳定工作范围的重要技术之一。它以结构简单、扩稳效果显著而广泛应用于实际发动机中。对于现有的各种传统机匣处理结构，通常能扩大压气机的稳定工作范围，但同时能兼顾失速裕度改进量和效率的机匣处理形式很少。槽式机匣处理在不降低或略微降低压气机的原有效率的基础上，可提高压气机的稳定工作范围，获得的失速裕度改进量绝大部分在10％以内［1-4］。缝式机匣处理一般都能够获得15％～40％左右的失速裕度改进量（压气机不同，扩稳效果强弱不一样），但也伴随着较大的效率损失［5-10］。文献［11］等对轴向缝与周向槽组合的机匣处理研究表明，组合式前缝后槽机匣处理能够获得介于周向槽与轴向缝之间的裕度提升，效率损失远低于轴向缝机匣处理。相关研究均表明，在略微降低或不降低效率的基础上，自循环机匣处理能有效扩大轴流压气机稳定工作范围。文献［12］的研究也表明自循环机匣处理的扩稳能力强于周向槽机匣处理。文献［13］中在一中等转速压气机转子上进行的自循环机匣处理数值研究表明转子的稳定工作范围提高了60％左右，同时转子效率基本不变。文献［14］的数值研究结果表明，自循环机匣处理使NASA Rotor 67设计转速下的稳定工作范围扩大了近26.5％，但未提到对效率的影响。文献［15］至文献［17］针对同一压气机转子，在n＝0.708换算转速下分别进行了带周向槽机匣处理、自循环机匣处理及轴向倾斜缝机匣处理的数值研究，3种不同机匣处理获得的失速裕度改进量分别为6.81％［15］、12％［16］、38.9％［17］，同时周向槽机匣处理、自循环机匣处理对效率的影响在0.5％以内，而轴向倾斜缝机匣处理在2％～3％范围内降低压气机效率。 长期以来，国内外压气机研究者一直在寻找能兼顾效率及失速裕度的机匣处理形式，从上面的叙述可知，缝式机匣处理扩稳能力强，但对效率影响大。自循环机匣处理扩稳能力比周向槽强，影响效率的程度相当。为此，在综合自循环机匣处理、缝式机匣处理各自优点及特点的基础上，形成组合型机匣处理结构。 5.1亚声速轴流压气机组合型机匣处理研究 本节针对西北工业大学单级轴流压气机转子，设计了自循环机匣处理缝式机匣处理的组合型机匣处理，并对其进行带组合型机匣处理的全通道非定常数值模拟研究，以期揭示组合型机匣处理对轴流压气机性能及稳定性影响的机制。 5.1.1机匣处理结构与数值计算方法 组合型机匣处理结构如图5-1所示，自循环机匣处理由喷气、桥道及引气结构组成，沿着圆周方向均匀分布15个自循环装置，为使引气流更顺畅地从喷气装置流出，引气装置与喷气装置不在同一周向位置。喷气装置在转子叶顶前缘上游约17％轴向弦长处，引气装置与转子叶顶尾缘的*小轴向坐标基本相同。桥道的下端面到机匣面的平均距离为18.3％转子叶高，平均高度约为8.62％叶高。自循环机匣处理喷气装置、引气装置主要几何结构参数见表5-1，桥道宽度沿着轴向在33 ％～67％叶顶轴向弦长范围内变化。每隔一个叶片通道分布3个轴向倾斜缝，沿着整个圆周方向缝的数目为45，缝的径向倾斜角为60°，中心偏移度约为0.61，定义为机匣处理中心与转子叶排中心的轴向位置差与叶尖轴向弦长之比。 图5-1 组合型机匣处理结构图 表5-1 自循环机匣处理喷气装置、引气装置主要几何参数 计算结合BL湍流模型求解三维雷诺时均NS方程，采用中心差分格式进行空间离散。定常计算时采用显式四阶龙格库塔方法获得定常解。非定常计算采用隐式双时间方法，转子旋转一周设置600个物理时间步，每一物理时间步下的虚拟时间步为20，全通道计算，共30个叶片通道。为了节省计算时间，以收敛的定常计算结果或收敛的非定常计算结果为非定常计算的初场。 图5-2给出该压气机叶片通道子午面上计算网格图及机匣处理结构简图。计算中进口延伸段、组合型机匣处理设为静止域，转子通道及出口延伸段设为转动域。定常计算时转动域与静止域之间的动静交接面数据采用混合面方法处理，非定常计算时动静交接面数据采用区域缩放方法处理（两侧计算域面积相等）。实壁机匣、仅带自循环机匣处理、仅带轴向倾斜缝机匣处理及组合型机匣处理的全通道数值计算总网格数目分别约为710万、753万、758万及801万。 图5-2 叶片通道子午计算网格图 在所有工况计算中，固体壁面均为定绝热无滑移边界条件，压气机延伸段进口总压、进口总温分别为101325Pa、288.2K，进口气流方向为径向（图5-1）。压气机出口延伸段端面采用平均静压设置，近失速工况的出口静压*大，当转子进入失速工况时，流量、总压比及效率等参数呈发散趋势，*终计算无法进行。 5.1.2总性能分析 图5-3给出了该压气机在8130r/min转速下的性能曲线分布。由于是全通道模拟，为了节省计算时间，本书中仅对以下7个工况进行非定常计算，分别为实壁机匣近失速流量附近的3个工况，轴向倾斜缝机匣处理近失速流量对应的1个工况、自循环机匣处理近失速流量对应的2个工况及组合型机匣处理近失速流量对应的1个工况［在图5-3（b）中注明］，图5-3中其他工况点取定常计算值。在图5-3中可以看到实壁机匣计算得到的压气机特性线在变化趋势及范围上能与试验较好符合。网格数目、湍流模型、测点位置、测试误差等因素使数值与试验得到的特性线存在差异。 图5-3 压气机性能曲线 从图5-3可看到轴向倾斜缝、自循环及组合型机匣处理都扩大了压气机转子的稳定工作范围，获得的综合失速裕度改进量分别约为12.86％、16.47％及22.72％，综合失速裕度改进量定义详见第二章。从图5-3（a）可观察到三种不同机匣处理的总压比特性线在大部分流量范围内与实壁机匣在数值及变化趋势上差别很小，但轴向倾斜缝及组合型号机匣处理在小流量范围的总压比略微比自循环机匣处理的高。从效率曲线的对比可看出，与实壁机匣的比较，轴向倾斜缝、自循环机匣处理在一定流量范围内降低了转子效率且降低程度基本相同，效率降低的*大程度约为0.5％。从失速裕度改进量看，组合型机匣处理的扩稳能力分别是其他两种的1.77、1.38倍，但其对实壁机匣转子效率的降低程度较其他两种机匣处理的大，效率降低的*大值约为1.3％。同时从效率曲线可看到，机匣处理降低效率的程度都是在中等流量范围内较大，在大、小流量范围内降低程度较小，在更小流量下，轴向倾斜缝、自循环机匣处理效率基本与实壁机匣相当。 5.1.3压气机内部流场分析 在分析组合型机匣处理扩稳机制前，先对自循环机匣处理、轴向倾斜缝机匣处理如何影响压气机内部流场做一定的分析。图5-4为实壁机匣、轴向倾斜缝及自循环机匣处理时约99.2％叶高处三个转子通道内相对马赫数分布图、中间通道内相对速度矢量放大图，图5-4中还给出了喷气及轴向缝的位置。三种机匣的压气机流量差别不大，此时实壁机匣近失速工况。从图5-4中可看到，实壁机匣每个叶顶通道内都存在大范围的低能气体区，越往通道上游，低能气体区越靠近叶片压力面，而在通道上游近叶片吸力面处并未出现低能气体区。从图54（b）中也可看到，实壁机匣叶顶通道内靠近叶片压力面处前部出现了回流现象［图5-4（b）中圆形标示内］，并且部分区域的气流速度方向从下游指向或由叶片吸力面指向叶片压力面前缘［图5-4（b）中用箭头＋虚线标示］，这两种流动形式*终在叶片前缘处相汇形成了前缘溢流现象，迫使部分进口来流在近前缘处不能流入叶顶通道，气流方向发生转折，产生负的轴向分速，此时叶顶通道内堵塞情况恶劣，如转子出口静压继续增加，前缘溢流现象将会更严重，*后使转子发生失速。当分别采用轴向倾斜缝、自循环机匣处理后，叶顶通道内不再出现大面积的低能气体区，只在部分通道内有很小范围的低能区，这些低能区位于通道的中部或后部，其中自循环机匣处理消除低能流体区的效果*强。 图5-4 99.2％叶高相对马赫数分布及相对速度矢量放大图 在图5-4（d）、（f）中可观察到两种机匣处理后叶片通道内均无前缘溢流现象，制图时为了清楚地显示速度矢量，对速度矢量箭头等进行放大，所以图5-4（d）、（f）中叶片前缘处部分气流矢量看起来像前缘溢流。对比两种机匣处理通道内气流速度方向及大小可看到，轴向倾斜缝提高了处理缝覆盖范围处的部分气流速度，这是因为在缝的下游端感受到叶顶通道高静压与缝的上游端感受进口上游低静压所形成的静压差作用下，气流在缝后部被抽吸入缝，缝内部分气流在缝前部喷射入叶顶通道内，喷射流从叶顶上游处射入主流时带有切向动量，其切向速度分量的大小取决于径向倾斜角的大小，喷气流与通道主流相互作用，因此使进口上游处的气流速度增大。自循环机匣处理也提高了进口处部分气流速度大小，这是由于从喷气装置流出的喷射流具有较大的轴向分速，喷射流与通道主流相互作用，同样也增加了进口上游处部分气流的速度。这两种机匣处理形成的高速喷射气流对叶顶低能气体产生作用，抑制了前缘溢流现象的发生，使进口来流能顺利地流入/流出叶片通道。 图5-5给出了三种机匣气流进气角、进口轴向分速沿叶高的部分示意图［周向平均、时均值，气流角度定义为arctan（气流绝对速度轴向分量与相对速度切向分量之比），机匣处理施加影响范围主要位于叶顶，因此图5-5中仅列出靠近叶尖范围的曲线分布］，图5-5中工况与图5-4一致，纵坐标数值为叶顶半径与机匣半径之比。在图5-5（a）中都可看到在纵坐标数值处于0.97～1.0的叶尖区，相同叶高处自循环机匣处理的进气角*大，轴向倾斜缝次之，实壁机匣的*小，这说明自循环机匣处理改善进气角的程度比轴向倾斜缝的程度高，当然这可能与轴向倾斜机匣处理覆盖的周向范围比自循环机匣处理的范围小有关。并且这还意味着实壁机匣的攻角是*大的，气流容易在叶背处发生分离。在纵坐标数值处于0.99～1.0，实壁机匣进气角为负值，约在纵坐标数值为0.995处绝对值达到*大。从图5-5（b）也可知0.99～1.0叶高内，实壁机匣气流轴向速度是负值，这就造成该区域进气角度是负的，这也说明在该区域出现了间隙倒流现象（叶顶间隙处在纵坐标数值为0.995～1.0）。 图5-5 进口气流角和进口轴向速度分布图