葛仁超

(海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)第一軍事代表室， 哈爾濱 150036)

壓氣機(jī)有兩種典型的不穩(wěn)定的流態(tài)，分別是旋轉(zhuǎn)失速和喘振。由于附面層承受逆壓力梯度的能力有限，當(dāng)進(jìn)氣氣流攻角超過某個(gè)值，由于吸力面氣流分離，折轉(zhuǎn)角和靜壓升系數(shù)均不隨攻角的增大而變大，總結(jié)來說失速是附面層分離的結(jié)果。一般壓氣機(jī)失速指的都是旋轉(zhuǎn)失速，而對(duì)于旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)展傳播機(jī)理，Emmnos[1]是這樣解釋的：當(dāng)某個(gè)或某組葉片發(fā)生失速時(shí)，該葉片通道產(chǎn)生堵塞情況(失速先兆或失速團(tuán))，使得進(jìn)口氣流向該葉片通道的兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了順著旋轉(zhuǎn)方向的葉片攻角減小，而逆旋轉(zhuǎn)方向攻角增大，使該葉片退出堵塞狀態(tài)，后方的葉片由于攻角增大導(dǎo)致堵塞，于是失速團(tuán)以這種接力的方式在相對(duì)坐標(biāo)下逆時(shí)針傳遞。

喘振是以由壓氣機(jī)及其進(jìn)出口管道和下游節(jié)流裝置等構(gòu)成的整個(gè)壓縮系統(tǒng)的一種氣流中斷為特征的不穩(wěn)定流態(tài)[2]。旋轉(zhuǎn)失速與喘振是兩種不同的流態(tài)，但一般來講，喘振的內(nèi)因是壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速，或者說旋轉(zhuǎn)失速是造成喘振的根本原因和必要條件。國外對(duì)于喘振研究較早，預(yù)測(cè)到了失速與喘振存在先兆擾動(dòng)。1900年初，Garnier等[3]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了壓氣機(jī)失速之前存在一定先兆擾動(dòng)；以一個(gè)4級(jí)壓氣機(jī)為研究對(duì)象，測(cè)量一個(gè)喘振周期內(nèi)速度變化，Day[4]發(fā)現(xiàn)喘振的初始是失速所導(dǎo)致的，并且經(jīng)歷了失速、喘振和恢復(fù)三個(gè)階段。

旋轉(zhuǎn)失速這種不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)能對(duì)壓氣機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，甚至?xí)斐蓢?yán)重危害。它不但使壓氣機(jī)的性能大大降低，而且會(huì)引起強(qiáng)烈的葉片振動(dòng)和熱端超溫，最嚴(yán)重的后果會(huì)使葉片斷裂，進(jìn)而會(huì)損壞整個(gè)壓氣機(jī)[3]。所以為了避免失速，改善壓氣機(jī)的工作特性，增大其失速裕度，使整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)具有良好的啟動(dòng)性能、加速性能，我們更需加深了解壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特別是近失速點(diǎn)附近的流場(chǎng)，采取主動(dòng)控制推遲失速的發(fā)生，比如本文提到的可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉。

1 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉介紹

1.1 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的作用

所謂防喘措施，旨在擴(kuò)大穩(wěn)定工作點(diǎn)與不穩(wěn)定邊界的距離，換句話說，就是提高失速裕度和喘振裕度，使壓氣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的范圍變得寬廣。對(duì)于防喘這個(gè)重要課題，主要有兩種方式：一是當(dāng)葉型進(jìn)口正攻角過大導(dǎo)致葉背分離十分嚴(yán)重時(shí)起到作用(雙轉(zhuǎn)子除外)，我們稱之為“被動(dòng)式”；二是從設(shè)計(jì)過程中出發(fā)，從不同的角度來擴(kuò)大穩(wěn)定邊界，化“被動(dòng)”為“主動(dòng)”。“被動(dòng)式”主要有中間級(jí)放氣、進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉與靜子和多轉(zhuǎn)子技術(shù)等，各有其優(yōu)缺點(diǎn)?？烧{(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉目前在工程壓氣機(jī)中應(yīng)用十分廣泛，優(yōu)點(diǎn)突出，它在非設(shè)計(jì)工況下的高效率時(shí)起到防喘作用，改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)加速性，也可用在高增壓比上，所以在80年代以后受到廣泛應(yīng)用，雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)多個(gè)靜葉難以起到作用，且對(duì)葉片的三維流動(dòng)不能兼顧全部，但是瑕不掩瑜，仍然有較大發(fā)展。

圖1為某一種壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉示意圖[4]。由氣缸、聯(lián)動(dòng)齒輪、搖臂等構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使進(jìn)口導(dǎo)葉按照一定規(guī)則同步轉(zhuǎn)動(dòng)，可以保證燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)時(shí)和在給定工況下工作時(shí)壓氣機(jī)穩(wěn)定工作。原理是在壓氣機(jī)第一級(jí)動(dòng)葉前安裝可以進(jìn)行調(diào)整角度的導(dǎo)流葉片，通過控制導(dǎo)流葉片的出氣角來調(diào)節(jié)一級(jí)動(dòng)葉的進(jìn)口攻角，使其后面的葉片處于合理的工作范圍，也可以在非設(shè)計(jì)工況下避免喘振正常工作。

1—固定環(huán)；2—導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)；3—軸套；4—導(dǎo)葉；5—進(jìn)氣機(jī)匣；6—聯(lián)動(dòng)齒輪；7—小齒輪；8—外罩；9—?dú)飧祝?0—搖臂；11—卡圈。圖1 壓氣機(jī)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉示意圖

1.2 國內(nèi)外研究成果

與本文結(jié)果類似，Broichhausen K D[5]以某兩級(jí)壓氣機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過對(duì)結(jié)果處理后發(fā)現(xiàn)，可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉對(duì)后面一級(jí)動(dòng)葉部分的流場(chǎng)影響較大，而對(duì)之后靜葉葉柵的氣動(dòng)性能影響較小。

Okiishi T H[6]等人做了關(guān)于無彎度可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量。他們對(duì)基本葉片型線后面70%到尾緣進(jìn)行測(cè)量，角度范圍為從軸向測(cè)量0至50°。通過設(shè)置不同組的環(huán)形葉柵試驗(yàn)，確定了進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的氣動(dòng)性能。Tsalavoutas A[7]研究了多級(jí)軸流壓氣機(jī)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉系統(tǒng)故障對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的影響,利用自適應(yīng)模型，識(shí)別不同工況的流場(chǎng)類型并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉起到應(yīng)有的作用。Cesar C[8]等人對(duì)可變進(jìn)氣導(dǎo)葉VIGVs(Variable Inlet Guide Vanes)也做了相關(guān)研究，其中一個(gè)重要作用就是功率控制，包括進(jìn)氣流量和恒轉(zhuǎn)速輸出功率控制,通過改變VIGVs對(duì)下游流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整達(dá)到優(yōu)化的目的。

國內(nèi)學(xué)者也漸漸開始對(duì)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉感興趣。范非達(dá)[9-10]等西北工業(yè)大學(xué)學(xué)者發(fā)現(xiàn)端彎技術(shù)對(duì)壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下提升效果明顯。崔凝和王兵樹等人[11-13]在全工況下采用逐級(jí)疊加法開發(fā)出了靜葉可調(diào)的變幾何多級(jí)軸流壓氣機(jī)預(yù)測(cè)模型。在低速下模擬出各級(jí)的壓氣機(jī)特性線，在每一級(jí)的基礎(chǔ)上，依據(jù)動(dòng)葉的速度三角形以及動(dòng)力計(jì)算公式導(dǎo)出IGV對(duì)各級(jí)乃至整臺(tái)壓氣機(jī)性能的影響。這樣有助于預(yù)測(cè)大型燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)裝IGV對(duì)壓氣機(jī)性能調(diào)整的影響。

本文主要研究不同的可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉角度對(duì)近失速點(diǎn)的影響，不同的調(diào)整方式會(huì)對(duì)不同工況下的失速邊界以及內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生作用。

2 計(jì)算模型

2.1 數(shù)值模擬方案

本文使用UG進(jìn)行葉片與流道建模，并采用ICEM生成三維網(wǎng)格，如圖2和圖3所示。在該軟件中分析幾何模型，理清分塊思路，前后延伸段采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉片通流部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最后生成網(wǎng)格數(shù)量都在500萬以上。

圖2 整體單通道UG建模

圖3 計(jì)算模型一級(jí)靜葉網(wǎng)格示意圖

前處理(CFX-Pre)用于建立計(jì)算域、選擇物質(zhì)及湍流模型、設(shè)置初場(chǎng)、設(shè)置邊界條件和關(guān)于求解器的處理，確定模型尺寸、計(jì)算精度和殘差目標(biāo)、迭代步數(shù)和監(jiān)測(cè)面數(shù)據(jù)等[14]。求解器(CFX-Solver)是軟件模擬的核心部分，它使用有限元思想下的有限體積法，具有多種對(duì)流項(xiàng)的離散格式，壓力和速度的耦合方式使用SIMPLE系列算法[15]。后處理(CFD-Post)能得出數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和顯示圖像，能將計(jì)算結(jié)果數(shù)值處理，也能生成某個(gè)具體位置的矢量圖、云圖和流線等。在CFX-Pre中進(jìn)行模型的邊界條件設(shè)置，在CFX-Solver求解器中進(jìn)行計(jì)算，具體邊界條件如表1所示。

表1 系統(tǒng)初始參數(shù)

2.2 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉模型

本文使用2.5級(jí)跨音速軸流壓氣機(jī)，所謂半級(jí)指的就是進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉，如圖4所示。

圖4 進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉示意圖

圖5中黃色葉片為原安裝角葉片，箭頭為所轉(zhuǎn)方向，逆時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)檎嵌?，順時(shí)針為負(fù)角度，在軟件UG中完成調(diào)整角度。按照本文調(diào)整可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉，當(dāng)轉(zhuǎn)角為正時(shí)，會(huì)引導(dǎo)氣流使進(jìn)入一級(jí)動(dòng)葉的氣流攻角增大，反之，轉(zhuǎn)角為負(fù)時(shí)會(huì)使一級(jí)動(dòng)葉的攻角減小。理論上來說動(dòng)葉進(jìn)口攻角的減小有助于延遲失速的發(fā)生。

圖5 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角示意圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 全工況計(jì)算結(jié)果

壓氣機(jī)特性線主要有兩種，一種是流量壓比特性線，另一種是流量效率特性線，通過坐標(biāo)系曲線的方式將壓氣機(jī)部分重要的參數(shù)和不同工況下的性能變化體現(xiàn)出來。本章節(jié)主要畫出在原安裝角下(0°)如上文列出的50%～100%轉(zhuǎn)速中的七種工況的特性線，包括設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，如圖6所示。

(a) 壓比-質(zhì)量流量特性線

由圖6(a)可以看出各個(gè)轉(zhuǎn)速下，隨著流量的減小壓比隨之升高，當(dāng)減小到一定值時(shí)壓比無法升高。若將每個(gè)工況最左側(cè)的點(diǎn)連接起來，便形成了不穩(wěn)定邊界，超過該邊界可能發(fā)生失速甚至喘振，若將右側(cè)流量基本不變的點(diǎn)也連接成線，則中間所夾區(qū)域就是壓氣機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，也就是失速裕度。對(duì)比不同工況，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，也就是大于90%工況時(shí)，能看出曲線明顯變得陡峭，到達(dá)不穩(wěn)定邊界之前，在連續(xù)增壓過程后突然進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域。

由圖6(b)可以看出，與單級(jí)軸流壓氣機(jī)不同，效率最高點(diǎn)并不將曲線一分為二，兩邊效率都下降得很迅速，多級(jí)軸流壓氣機(jī)的特點(diǎn)是在效率最高點(diǎn)左側(cè)效率會(huì)略微下降，右側(cè)效率則隨著流量增大到某個(gè)值迅速減小，在高轉(zhuǎn)速下，效率下降得更為明顯、迅速，這與壓比流量曲線類似。形成這樣的原因是壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，各級(jí)的通流面積、氣流速度和密度大小是相互協(xié)調(diào)的。當(dāng)降低流量時(shí)，第一級(jí)葉片的軸向分速度變小，導(dǎo)致進(jìn)口攻角增加，從而氣流密度變小，通流面積與設(shè)計(jì)點(diǎn)相比過大，這也加劇了后面幾級(jí)軸向速度減小或通流面積變大，葉片攻角過大導(dǎo)致附面層分離產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)失速，就這樣達(dá)到近失速點(diǎn)后迅速進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。另外，在設(shè)計(jì)工況的設(shè)計(jì)點(diǎn)右側(cè)，各級(jí)的速度都非常大，若持續(xù)增大流量，則極易在某個(gè)截面發(fā)生阻塞，所以呈現(xiàn)出迅速下降的狀態(tài)。

近失速點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)背壓得到，不斷提高背壓，當(dāng)微調(diào)至某個(gè)背壓導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果發(fā)散，那么上一個(gè)計(jì)算收斂的點(diǎn)我們看作近失速點(diǎn)。近阻塞點(diǎn)是隨著壓比減小流量增大，當(dāng)流量基本不隨壓比變化時(shí)也就是突然進(jìn)入阻塞工況。近堵塞點(diǎn)是隨著壓比減小流量增大，當(dāng)流量基本不隨壓比變化時(shí)也就是突然進(jìn)入堵塞狀態(tài)，我們近似地認(rèn)為那個(gè)轉(zhuǎn)折的點(diǎn)為近堵塞點(diǎn)。

圖7是設(shè)計(jì)工況下對(duì)壓氣機(jī)葉片近失速點(diǎn)吸力面極限流線的計(jì)算結(jié)果，注意的是由于動(dòng)葉的吸力面與靜葉的吸力面并不在同一側(cè)，所以在圖中動(dòng)葉前緣在后。

圖7 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)近失速點(diǎn)吸力面的極限流線

圖8是設(shè)計(jì)工況下近失速點(diǎn)與近堵塞點(diǎn)下一級(jí)動(dòng)葉的99%葉高的速度矢量圖。從速度的軸向變化可以看出在一級(jí)動(dòng)葉吸力面前緣開始形成了一道明顯的弧線，它是一級(jí)動(dòng)葉接近前緣的吸力面附近發(fā)生泄漏造成的，該泄漏流與主流交匯，并且隨著向近失速點(diǎn)發(fā)展，這條交匯線也向著葉片吸力面前緣移動(dòng)。

圖8 一級(jí)動(dòng)葉99%葉高速度矢量圖

如圖7和圖8可見，近失速點(diǎn)一級(jí)動(dòng)葉在葉片中間偏后的位置出現(xiàn)明顯的一道分離線，在分離線后葉根處的壓力大于葉頂處的壓力，來流產(chǎn)生了徑向的速度。二級(jí)動(dòng)葉與一級(jí)動(dòng)葉流線類似，原因相同，但是斜率明顯更大，且基本完全到達(dá)了葉頂處。一級(jí)靜葉受上游流動(dòng)的影響在葉根與葉頂?shù)奈簿壧幊霈F(xiàn)了較大的旋渦，而二級(jí)靜葉在葉根部分的旋渦迅速增長起來，表明出口導(dǎo)葉受上游旋渦的影響發(fā)生了嚴(yán)重的流動(dòng)分離。

3.2 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的影響

圖9為中高轉(zhuǎn)速下不同可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉安裝角下的壓氣機(jī)流量-轉(zhuǎn)速特性曲線。

由圖9可見，隨著轉(zhuǎn)速的升高，不同安裝角的可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉特性線平行距離越遠(yuǎn)，也就是轉(zhuǎn)速越小，導(dǎo)葉角度的變化造成的影響越小。在較低轉(zhuǎn)速下，無論是順時(shí)針調(diào)節(jié)還是逆時(shí)針調(diào)節(jié)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉，對(duì)不穩(wěn)定邊界的影響都不大，即使在負(fù)角度下造成的不良影響也比較輕微。在較高轉(zhuǎn)速時(shí)，負(fù)角度的可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉都對(duì)失速的推遲起到了良好的作用，而正角度使失速邊界提前，這也印證理論推導(dǎo)。

圖10是100%轉(zhuǎn)速下-5°、0°、+5°安裝角近失速點(diǎn)一級(jí)動(dòng)葉葉片的吸力面極限流線對(duì)比圖。

圖10 三種進(jìn)口安裝角下一級(jí)動(dòng)葉葉片極限流線圖

如圖10可見，在近失速點(diǎn)導(dǎo)葉角度的變化對(duì)一級(jí)動(dòng)葉的影響最大，對(duì)后續(xù)一級(jí)靜葉、二級(jí)動(dòng)葉、二級(jí)靜葉影響較小，甚至有部分基本沒有影響，這是因?yàn)閷?dǎo)葉安裝角變化直接導(dǎo)致一級(jí)動(dòng)葉的進(jìn)氣攻角發(fā)生改變，所以變化集中在一級(jí)動(dòng)葉。相比0°安裝角，-5°安裝角的一級(jí)動(dòng)葉極限流線開始分離的位置要晚，并且傾斜角度也少很多，流線變得比較平穩(wěn)；+5°安裝角變化較為劇烈，從葉根到80%葉高處的尾緣部分，流線變得極為不平穩(wěn)，說明向正角度旋轉(zhuǎn)反而會(huì)加劇附面層的分離，向負(fù)角度旋轉(zhuǎn)會(huì)推遲不穩(wěn)定邊界的到來。

圖11為100%轉(zhuǎn)速下三種安裝角下近失速點(diǎn)的一級(jí)動(dòng)葉的進(jìn)口氣流角對(duì)比圖。

圖11 三種安裝角不同位置進(jìn)口氣流角對(duì)比

如圖11可見，在50%葉高以上進(jìn)口氣流角是大致相同的，但是在50%葉高以下逐漸產(chǎn)生了區(qū)別，安裝角向負(fù)向旋轉(zhuǎn)進(jìn)口氣流角變大，正向旋轉(zhuǎn)進(jìn)口氣流角變小，印證了上文的理論；安裝角負(fù)向旋轉(zhuǎn)會(huì)使一級(jí)動(dòng)葉的進(jìn)口攻角減小，從而達(dá)到抑制附面層分離的效果，使失穩(wěn)邊界向左移動(dòng)，達(dá)到擴(kuò)穩(wěn)的效果。

4 結(jié)論

本文以2.5級(jí)跨音速軸流壓氣機(jī)為研究模型，運(yùn)用軟件CFX對(duì)其進(jìn)行單通道穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬計(jì)算。改變進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的安裝角，研究對(duì)壓氣機(jī)整體性能的作用，比較-5°、+5°安裝角下的流場(chǎng)的各種參數(shù)與原安裝角(0°)流場(chǎng)的不同。得出的結(jié)論如下：

(1) 由極限流線圖可得當(dāng)壓氣機(jī)運(yùn)行至近失速點(diǎn)附近時(shí)，一級(jí)動(dòng)葉開始發(fā)生流動(dòng)分離；一級(jí)靜葉尾緣部分的葉頂與葉根均出現(xiàn)了旋渦；二級(jí)動(dòng)葉相較于一級(jí)動(dòng)葉流動(dòng)分離的現(xiàn)象更加明顯，分離趨勢(shì)更劇烈；二級(jí)靜葉尾緣處葉根部分的旋渦大大增強(qiáng)，并且出口導(dǎo)葉的葉根處也出現(xiàn)了大面積的流動(dòng)分離。配合特性曲線就驗(yàn)證了失速機(jī)理：由于附面層承受逆壓力梯度的能力有限，當(dāng)進(jìn)氣氣流攻角超過某個(gè)值，由于吸力面氣流分離，折轉(zhuǎn)角和靜壓升系數(shù)均不隨攻角的增大而變大。

(2) 改變可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的安裝角，負(fù)安裝角(向葉背方向旋轉(zhuǎn))使失速邊界向左移動(dòng)，基本能起到增大壓氣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍、推遲失速和防喘的作用?？赊D(zhuǎn)角度的變化對(duì)一級(jí)動(dòng)葉的內(nèi)部流場(chǎng)影響是最大的，進(jìn)口氣流角的增加可以擴(kuò)大失速裕度。