孫海鷗， 馬婧媛， 王忠義， 萬(wàn)雷， 王立松， 曲鋒

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

在高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，壓氣機(jī)是關(guān)鍵部件之一。壓氣機(jī)在提供高壓比的同時(shí)也限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。在給定的轉(zhuǎn)速下，隨著流量的不斷降低，最終將在壓氣機(jī)內(nèi)發(fā)生穩(wěn)定流態(tài)破壞，從而發(fā)生喘振或旋轉(zhuǎn)失速。對(duì)于單軸壓氣機(jī)，壓氣機(jī)與渦輪機(jī)負(fù)載共軸，壓氣機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)部件和渦輪一起工作時(shí)，它的工作范圍要受到渦輪的限制。此時(shí)，壓氣機(jī)的工作狀態(tài)只能沿著一條稱為“共同工作線”變化。當(dāng)共同工作線和不穩(wěn)定邊界相交時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)。對(duì)于多級(jí)軸流壓氣機(jī)，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速小于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，進(jìn)氣攻角增大，附面層分離導(dǎo)致失速，進(jìn)而出現(xiàn)“前喘后渦”的現(xiàn)象。近代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)中，共同工作線一般都非?？拷环€(wěn)定邊界，而且有幾處和不穩(wěn)定邊界相交甚至深入不穩(wěn)定區(qū)。因此，需要針對(duì)這些軸流式壓氣機(jī)實(shí)施擴(kuò)大穩(wěn)定區(qū)的措施，不只是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，同時(shí)要保證壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)也具有較好的穩(wěn)定性。

目前在現(xiàn)代大中型水面艦艇上使用的主要?jiǎng)恿ρb置是全工況燃?xì)廨啓C(jī)，典型的是美國(guó)GE公司的LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)，其在較高轉(zhuǎn)速時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)性，并且在轉(zhuǎn)速較低時(shí)依然具有良好的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，以便使艦船具有優(yōu)秀的高速追擊性能和良好的低速巡航性能。所以，對(duì)現(xiàn)代艦船燃機(jī)的壓氣機(jī)而言，其在追求更高的設(shè)計(jì)工況效率和穩(wěn)定裕度的同時(shí)，對(duì)低工況穩(wěn)定性也有一定要求，以便在較低工況時(shí)依然能穩(wěn)定工作，從而為全工況艦船燃?xì)廨啓C(jī)，穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。相比于航空用壓氣機(jī)，船用壓氣機(jī)普遍存在低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性差，低轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行易發(fā)生失速喘振的缺點(diǎn)。

近幾十年，各國(guó)學(xué)者針對(duì)這些軸流壓氣機(jī)進(jìn)行擴(kuò)穩(wěn)研究，一方面使得共同工作線不和不穩(wěn)定邊界相交，另一方面能夠改善前后各級(jí)的工作狀態(tài)。較為普遍的擴(kuò)穩(wěn)措施有中間放氣法、可轉(zhuǎn)進(jìn)口導(dǎo)葉和靜葉、多轉(zhuǎn)子法等。其中中間放氣法雖然能夠解除前喘后渦狀態(tài)，但是損失一部分機(jī)械能，并且放氣截面上氣流重組引起局部氣流分離和對(duì)葉片的激蕩?？赊D(zhuǎn)導(dǎo)葉或靜葉能改變動(dòng)葉的進(jìn)口氣流角，減小攻角，但主要改善中徑葉高，對(duì)葉頂處影響較小。多轉(zhuǎn)子法能夠使壓氣機(jī)在寬廣的范圍內(nèi)工作而仍保持較高的效率，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)法開(kāi)始被提出和采用。相比于其他擴(kuò)穩(wěn)措施，機(jī)匣處理方式有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，并且具有抗畸變能力較高的優(yōu)點(diǎn)，成為比較熱門的研究方向。機(jī)匣處理研究發(fā)展到目前，從結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的軸向縫式和周向槽式逐漸發(fā)展到自適應(yīng)式和組合機(jī)匣式[1]，試驗(yàn)證明，與實(shí)壁機(jī)匣相比，采用機(jī)匣處理后，壓氣機(jī)的不穩(wěn)定邊界都不同程度地向左上方移動(dòng)，從而使穩(wěn)定裕度提高。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果明顯的機(jī)匣處理技術(shù)已經(jīng)在一些發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了實(shí)際有效的應(yīng)用。每種機(jī)匣處理方式對(duì)壓氣機(jī)的性能影響不同，軸向縫式對(duì)壓氣機(jī)具有較好的擴(kuò)穩(wěn)效果，但同時(shí)對(duì)效率損失也較大[2-3]；周向槽式對(duì)效率損失小，但擴(kuò)穩(wěn)效率不高[4-7]。因此，部分學(xué)者認(rèn)為，提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性是以損失效率為代價(jià)的。直到Hathaway[8]提出一種新的處理機(jī)匣形式——自適應(yīng)機(jī)匣(self-recirculating casing treatment)，該機(jī)匣結(jié)合噴氣與引氣的方式來(lái)延遲壓氣機(jī)的失速，根據(jù)壓氣機(jī)的工況自我調(diào)整噴氣或吹氣量。其擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理張皓光等[9-11]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)式機(jī)匣處理在合理的參數(shù)設(shè)計(jì)下，能在實(shí)現(xiàn)擴(kuò)穩(wěn)的同時(shí)少量降低壓氣機(jī)的效率。

現(xiàn)有關(guān)于自適應(yīng)機(jī)匣處理的研究中，機(jī)匣處理模型主要由一個(gè)抽吸口、一個(gè)噴射口和一個(gè)橋體組成。關(guān)于多個(gè)自適應(yīng)機(jī)匣開(kāi)口的研究，目前還缺少研究。另外，船用燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)要求在各個(gè)轉(zhuǎn)速下，都具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性。但目前大多數(shù)關(guān)于機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)研究主要是針對(duì)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，因此，本文針對(duì)這2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探索研究。

本文以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有一臺(tái)2.5級(jí)壓氣機(jī)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的分析，根據(jù)現(xiàn)有自適應(yīng)機(jī)匣處理研究總結(jié)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)一種具有2個(gè)抽吸口的自適應(yīng)機(jī)匣處理。對(duì)比機(jī)匣處理前后壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度和峰值效率變化，并通過(guò)分析內(nèi)部流場(chǎng)變化，探索自適應(yīng)機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)方式。

1 模型

1.1 模型和網(wǎng)格

本文以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有一臺(tái)2.5級(jí)壓氣機(jī)作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖1)。表1為該壓氣機(jī)各個(gè)葉片的參數(shù)，壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為16 331 r/min，兩級(jí)轉(zhuǎn)子的葉頂間隙都為0.45 mm。通過(guò)UG建模，ICEM生成網(wǎng)格，葉片流道采用H型網(wǎng)格劃分，葉片近壁面采用O型網(wǎng)格加密(如圖2)，計(jì)算使用CFX, 湍流模型采用k-ω模型，第1層網(wǎng)格高度滿足y+小于2的要求。采用CFX-Post進(jìn)行后處理來(lái)分析流場(chǎng)參數(shù)。

圖1 2.5級(jí)壓氣機(jī)模型Fig.1 The model of 2.5 stage compressor

表1 壓氣機(jī)各部分葉片數(shù)Table 1 The number of blades in each part of compressor

圖2 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分Fig.2 The structure mesh of blade

1.2 邊界條件

本文采用ANSYA中CFX的CFX-Pre中設(shè)置壓氣機(jī)計(jì)算域的邊界條件，邊界條件與實(shí)驗(yàn)條件盡可能保持一致，進(jìn)口條件給定總溫、總壓，分別取296 K、101.66 kPa，出口給靜壓，并逐漸增大出口靜壓，由此得到計(jì)算壓氣機(jī)性能特性線，靜壓提升到一定程度時(shí)，計(jì)算會(huì)發(fā)散，將發(fā)散的前一個(gè)點(diǎn)記作近失速點(diǎn)，周向葉片間設(shè)置為周期性邊界，輪轂、機(jī)匣和葉片壁面為絕熱無(wú)滑移壁面，動(dòng)/靜葉片交界面采用Stage (frozen rotor)，同時(shí)下游速度的約束選取Constant Total Pressure，湍流模型采用k-ω模型，計(jì)算工質(zhì)為理想氣體。

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

首先進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，本文通過(guò)對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)的修改，得到3套不同網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格，分別是757萬(wàn)、905萬(wàn)、1 054萬(wàn)，如表2所示。分別對(duì)比在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，效率峰值工況點(diǎn)和近失速工況點(diǎn)下，3套網(wǎng)格計(jì)算出來(lái)的壓氣機(jī)壓比和效率，如圖3所示。在不同的背壓下，網(wǎng)格數(shù)達(dá)到905萬(wàn)和1 054萬(wàn)時(shí)，壓氣機(jī)的效率和壓比都基本不隨網(wǎng)格數(shù)量發(fā)生變化，因此，網(wǎng)格數(shù)達(dá)到905萬(wàn)時(shí)就滿足了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的條件，為了節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間，選擇第2套網(wǎng)格來(lái)對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬。

表2 網(wǎng)格數(shù)量Table 2 Mesh number

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果Fig.3 The calculation results of grid independence

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)的測(cè)量部分，包括對(duì)壓氣機(jī)的各種物理參數(shù)的測(cè)量，主要是流量、總溫、總壓、靜壓、轉(zhuǎn)速與扭矩等。

2.1.1 總溫總壓及靜壓測(cè)量

在總溫總壓以及靜壓的測(cè)量上，采用測(cè)量裝置對(duì)不同截面進(jìn)行了多點(diǎn)測(cè)量，如圖4。在壓氣機(jī)中，共測(cè)量了5個(gè)截面的物理參數(shù)，分別為進(jìn)口導(dǎo)葉前的0-0截面、第一級(jí)動(dòng)葉前導(dǎo)葉后1-1截面、第二級(jí)動(dòng)葉前與第一級(jí)靜葉后2-2截面、壓氣機(jī)的出口處截面3-3和圖中未標(biāo)出的排氣引射蝸殼4-4截面，其中0-0與3-3、4-4截面測(cè)量物理參數(shù)相同，為總溫、總壓和靜壓，1-1和2-2截面測(cè)量物理參數(shù)相同，為靜壓，具體測(cè)量位置如圖5。

圖4 壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量截面Fig.4 The parameter measurement position of compressor

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)在周向位置上分布Fig.5 Measure parameter points in circumferential direction

上述的總壓測(cè)量中，所采用的是梳狀探針進(jìn)行測(cè)量。探針共有5個(gè)探頭，并為上密下疏的分布方式，用來(lái)測(cè)量不同截面高度的總壓，測(cè)量精度為1%，總壓精度為0.10%。在對(duì)靜壓的測(cè)量中，如圖6所示。所采用的方式是直接在開(kāi)孔處進(jìn)行測(cè)量，靜壓測(cè)量精度為0.10%。

2.1.2 流量測(cè)量

在2.5級(jí)壓氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量流量測(cè)量中，采用的測(cè)量?jī)x器是雙扭線流量計(jì)進(jìn)行的流量測(cè)量，如圖6所示。所采用的雙扭線流量計(jì)的量程0.7～24.5 kg/s，精度0.20%。

2.2 實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

由于失速和喘振對(duì)壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)具有危險(xiǎn)性，會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)損傷并帶來(lái)安全隱患。在做憋喘實(shí)驗(yàn)時(shí)，一旦出現(xiàn)喘振的跡象，便立即打開(kāi)快開(kāi)閥放氣，使壓氣機(jī)迅速退喘，導(dǎo)致喘振的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有充足的時(shí)間記錄，導(dǎo)致近失速小流量工況的實(shí)驗(yàn)曲線缺失。由于本文側(cè)重研究近失速工況，在接近流量最小邊界時(shí)，數(shù)值模擬提高背壓的分辨率為200 Pa，這一點(diǎn)也是實(shí)驗(yàn)不可能達(dá)到的。對(duì)于大流量范圍實(shí)驗(yàn)值的缺少，是由于壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)出口有排氣渦殼和較長(zhǎng)的排氣通道的存在，使得壓氣機(jī)的出口背壓不能調(diào)節(jié)到如數(shù)值模擬設(shè)置的那樣低，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)值趨于阻塞工況端曲線的缺失。從整體看(圖7)，數(shù)值模擬結(jié)果基本符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化趨勢(shì)，因此認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

圖6 雙扭線流量計(jì)Fig.6 Double torsion line flowmeter

圖7 壓氣機(jī)特征線Fig.7 The characteristic line of the compressor

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的失速原因

從圖8可知，在3個(gè)轉(zhuǎn)速下，隨著背壓升高，在葉頂前緣附近約葉片弦長(zhǎng)前0.2區(qū)域，壓力面與吸力面之間的靜壓差增大，此處區(qū)域泄漏流增多(圖9)。在100%轉(zhuǎn)速下，在弦長(zhǎng)約0.4處出現(xiàn)較大的靜壓差，此處容易形成泄漏流[12-13](圖9)。

圖8 一級(jí)動(dòng)葉葉片表面靜壓Fig.8 The static pressure of first rotor

從圖9可知，在3個(gè)轉(zhuǎn)速下，隨著背壓升高，一級(jí)動(dòng)葉葉頂處二次泄漏流增加，泄漏渦流與軸向角度增大，傳播到上游壓力面，與沿著葉片表面流出葉片尾緣的渦流會(huì)合，對(duì)主流攔截能力增大，流場(chǎng)惡化。50%轉(zhuǎn)速下，吸力面根部渦流向葉頂傳播，這部分在在葉高約70%以下離開(kāi)一級(jí)動(dòng)葉。

圖9 一級(jí)動(dòng)葉葉頂泄漏渦流Fig.9 The vortex of R1

3.2 機(jī)匣處理

相比于其他幾種傳統(tǒng)機(jī)匣處理方式，自適應(yīng)機(jī)匣處理能降低更少的效率下，同時(shí)具備擴(kuò)穩(wěn)效果。本文在現(xiàn)有關(guān)于自適應(yīng)機(jī)匣處理研究的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)抽吸口，設(shè)計(jì)一種三開(kāi)口自適應(yīng)機(jī)匣處理，每個(gè)一級(jí)動(dòng)葉流道設(shè)置一個(gè)自適應(yīng)機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)，而其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均采用已有研究中的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)的參數(shù)[10,12,14]。采用定常計(jì)算研究分析其對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的影響。

3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

自適應(yīng)機(jī)匣處理由2個(gè)抽吸口、一個(gè)噴射口和連接兩者的橋路3部分組成。圖10給處理結(jié)構(gòu)示意圖。參考國(guó)內(nèi)外針對(duì)自適應(yīng)機(jī)匣處理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[14-15]，本文在合適的范圍選取了以下設(shè)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表3。

圖10 自適應(yīng)幾下處理的結(jié)構(gòu)示意Fig.10 The structure model of the self-circulating casing treatment

表3 自適應(yīng)機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 The structure parameters of the self-circulating casing treatment

3.2.2 機(jī)匣處理對(duì)壓氣機(jī)性能影響

本文通過(guò)擴(kuò)穩(wěn)裕度增量和峰值效率點(diǎn)變化量來(lái)衡量機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)效果和對(duì)峰值效率的影響。綜合擴(kuò)穩(wěn)裕度公式為：

(9)

式中：ΔSM是失速穩(wěn)定裕度變化量；πs,0為未做機(jī)匣處理時(shí)壓氣機(jī)的近失速壓比；πs,c為做機(jī)匣處理后壓氣機(jī)的近失速壓比；Ws,0為未做機(jī)匣處理的近失速換算流量；Ws,c為做機(jī)匣處理的近失速換算流量。

從表4可知，在100%和75%轉(zhuǎn)速下，穩(wěn)定裕度增量比較大，同時(shí)，峰值效率損失也較多。

表4 機(jī)匣處理在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)壓氣機(jī)性能影響量Table 4 The influences of the two casing treatments on compressor performance at different speeds %

做機(jī)匣處理之后，選取與未做機(jī)匣處理的近失速點(diǎn)同一質(zhì)量流量下的工況點(diǎn)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行比較。從圖11可知，機(jī)匣處理后，3個(gè)轉(zhuǎn)速下，葉頂前緣泄漏渦流強(qiáng)度減弱，泄漏渦流速度降低，渦流對(duì)主流的攔截作用降低，后在與主流的相互影響中擴(kuò)散。同時(shí)，二次泄漏渦流減少，100%和75%轉(zhuǎn)速較明顯，對(duì)應(yīng)的擴(kuò)穩(wěn)效果也更好。由此可見(jiàn)，機(jī)匣處理對(duì)壓氣機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)途徑，是抑制二次渦流的產(chǎn)生，從而達(dá)到延緩失速的目的[16]。

圖11 近葉頂處一級(jí)動(dòng)葉泄漏渦流Fig.11 The first rotor leakage vortex near tip

圖12可知，3種轉(zhuǎn)速在機(jī)匣處理后，在0～0.6弦長(zhǎng)處吸力面與壓力面的靜壓差減小，抑制了高速二次葉頂泄漏流的產(chǎn)生[17]，從而延緩了失速。

圖12 一級(jí)動(dòng)葉0.99葉高處葉片表面靜壓Fig.12 The pressure of the first rotor surface on 0.99 height

從表5可以看到，隨著背壓升高，3個(gè)轉(zhuǎn)速下的開(kāi)口質(zhì)量流量占通道入口百分比都增加，在弦長(zhǎng)40%處的抽吸口1作為抽氣的主要開(kāi)口，對(duì)壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)起到主要作用。

表5 開(kāi)口處質(zhì)量流量占通道入口質(zhì)量流量百分比Table 5 The percentage of the mass flow at the openings to the mass flow at the entrance of the passage %

4 結(jié)論

1)在葉片0.4弦長(zhǎng)處增加一個(gè)抽吸口有利于抑制此處附近的二次泄漏流的產(chǎn)生。

2)自適應(yīng)機(jī)匣處理，能夠改變?nèi)~頂前緣產(chǎn)生的泄漏渦流的發(fā)展方向，使其偏向軸向方向，減少對(duì)主流流動(dòng)的攔截作用，從而有效延緩了失速。

3)自適應(yīng)機(jī)匣處理改變了近葉頂處的葉片表面靜壓差分布，降低了0～0.6弦長(zhǎng)范圍的壓力面和吸力面的靜壓差，葉頂泄漏流產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力降低。