高國榮， 強 艷

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司研發(fā)中心，上海 200241)

隨著壓氣機不斷向高負荷和低展弦比的方向發(fā)展[1]，葉尖間隙造成的損失占總損失的比例越來越高; 同時間隙會影響端壁區(qū)域的流動，進而影響到壓氣機的級間匹配，因此研究間隙損失對研制大涵道比渦扇發(fā)動機高壓壓氣機至關重要。目前一般在靜子機匣內(nèi)壁上噴涂易磨涂層[2-3]，允許發(fā)動機工作時葉片不至于刮磨到機匣的鋼基，控制了葉尖間隙又不使葉片損壞。但在實際服役過程中，由于高壓壓氣機的工作環(huán)境比較惡劣，高溫、葉片刮削、外部顆粒及氣體沖蝕都會使機匣涂層失效[4]，導致葉尖間隙發(fā)生改變，壓氣機的喘振裕度降低，這對航空發(fā)動機高壓壓氣機的工作穩(wěn)定性十分不利。以CFM56-3發(fā)動機為例，試驗表明，高壓壓氣機葉片尖部間隙增加0.25 mm，排氣溫度裕度(exhaust gas temperature margin, EGTM)降低5 ℃[5]。

中外學者針對壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖端區(qū)復雜二次流動、流動失穩(wěn)、間隙尺寸效應、泄漏渦系結(jié)構(gòu)等開展了大量的數(shù)值計算及試驗研究。Boristav等[6]研究了前排導葉尾跡對葉頂間隙泄漏流動的影響，流動特征發(fā)生變化，導致?lián)p失和阻塞減少，壓升比增加。Kang等[7]通過數(shù)值模擬得到全周方向上的氣流軸向變化，認為設計點時主流區(qū)能夠顯著影響尖部流場，而當偏離設計點時會顯示出流場周向不均勻性。Kazutoyo等[8]通過試驗和數(shù)值模擬方法闡述了葉頂間隙對軸流壓氣機轉(zhuǎn)子失速開始和形成歷程以及渦結(jié)構(gòu)。Sakulkaew等[9]詳細研究了壓氣機效率隨轉(zhuǎn)子間隙的變化規(guī)律，分析了壓氣機效率對不同間隙的敏感度及其產(chǎn)生原因。

胡延青等[10]量化間隙對發(fā)動機性能的影響，摸清葉尖間隙隨飛行里程的變化規(guī)律。孫海鷗等[11]分別對不同大小的均勻及非均勻間隙情況進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明動葉葉頂間隙增大時壓氣機的效率、壓比等出現(xiàn)了衰退，且不同間隙情況對性能衰退程度的影響也不同。何成等[12]對不同工況下葉尖間隙流動的特點進行了分析，討論了壓氣機轉(zhuǎn)子葉頂兩個低速區(qū)的形成機理，以及該轉(zhuǎn)子在多種換算轉(zhuǎn)速下的失速機制。李書明等[13]針對壓氣機長期運行引起的葉片積垢及葉尖間隙增大等典型衰退機理，引入衰退因子，從壓氣機原理角度構(gòu)建不同轉(zhuǎn)速下葉片積垢和葉尖間隙增大的壓氣機性能衰退定量分析模型。王立等[14]采用數(shù)值模擬方法對一臺典型軸流壓氣機進行提升效率和喘振裕度的葉尖間隙處理研究，除了采用斜溝槽和梯狀間隙外，還設計了一種新穎的斜坡槽結(jié)構(gòu)。陳健等[15]采用數(shù)值模擬研究了葉尖間隙高度對跨聲速及亞聲速壓氣機動葉的影響，結(jié)果表明葉尖間隙對對亞聲速動葉的影響可以忽略，但對跨聲速葉片影響很大。張俊紅等[16]以采用數(shù)值模擬的方法研究了起飛工況、不同脫落厚度下的葉柵通道內(nèi)的流動特性。陳歡歡等[17]研究了葉尖間隙對級環(huán)境下小流量超音壓氣機氣動性能的影響，認為間隙增大導致轉(zhuǎn)子葉尖處激波向上游移動。

當前的研究大多采用數(shù)值模擬的手段進行分析，試驗研究主要圍繞較少級數(shù)的壓氣機開展，因此有必要針對間隙在多級環(huán)境中的影響進行試驗探索。在大涵道比渦扇發(fā)動機的高壓壓氣機氣動性能試驗研究中，以轉(zhuǎn)子葉尖間隙為關注點，深入探索不同大小的葉尖間隙對高負荷多級軸流壓氣機內(nèi)部流場與氣動性能的影響機理，獲取有工程實用價值的完整試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗設備和測量方法

1.1 壓氣機試驗器

試驗在某單、多級壓氣機試驗器進行，示意圖如圖1所示。壓氣機試驗器主要包括動力系統(tǒng)(電機、增速器、測扭器及聯(lián)軸器)、進排氣系統(tǒng)、前輔助支撐系統(tǒng)、輔助供氣系統(tǒng)、引氣系統(tǒng)，液壓滑油系統(tǒng)、設備控制系統(tǒng)、閥門控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗器為敞開式，由電機驅(qū)動。設備傳動系統(tǒng)通過齒輪箱、測扭器和聯(lián)軸器將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和扭矩傳遞到試驗臺后驅(qū)動軸。

圖1 壓氣機試驗器示意圖

1.2 試驗件

試驗件為一臺高負荷十級軸流高壓壓氣機，由進氣轉(zhuǎn)接段、前支承、壓氣機轉(zhuǎn)子、壓氣機靜子、調(diào)節(jié)機構(gòu)和出口轉(zhuǎn)接段組成。試驗件轉(zhuǎn)子為簡支結(jié)構(gòu)，前支點采用滾珠軸承，后支點采用滾棒軸承，通過進口段和后軸頸分別與試驗臺穩(wěn)壓箱和驅(qū)動軸連接。試驗件進口段前承力機匣設置鵝脖段，排氣段設置模擬燃燒室，模擬高壓壓氣機進出口流場，盡量保證試驗件流場與整機流場的一致性。對應于各級轉(zhuǎn)子葉尖的機匣內(nèi)表面均噴涂非金屬可磨耗涂層，以保證較小的葉尖徑向間隙，同時確保轉(zhuǎn)子安全、可靠工作。

1.3 測試系統(tǒng)

為安全獲取壓氣機性能特性，試驗件布置了包含流程參數(shù)測試、空氣系統(tǒng)測試、脈動壓力測試、振動測試、動應力、軸向力、角位移、葉尖間隙、信號傳輸及葉尖振幅測試等近千個測點。

流程參數(shù)包含進氣段及壓氣機進出口總溫總壓測試，采用插入式流道受感部測量；級間總溫總壓及靜壓測試，利用壓氣機靜子葉片加工葉型受感部，減少受感部支桿對氣流影響，同時在每排葉片進出口布置壁面靜壓以準確測量各級單級特性。脈動參數(shù)包含進出口脈動靜壓測試、級間脈動靜壓測試、出口脈動總壓測試及轉(zhuǎn)子葉尖脈動測試，進口區(qū)域脈動測點傳感器直接安裝于待測流道機匣表面，后端由于溫度超出傳感器需用溫度范圍，使用引氣管將氣流引至低溫位置測量，同時利用半無線長管技術(shù)消除引氣管路帶來的測量誤差，以獲取壓氣機出口壓力的波動變化，用于喘振監(jiān)測。

試驗件沿軸向共布置13個測量截面，示意圖如圖2所示。圖3給出了進口截面(0-0)總壓測量示意圖，周向均布4支探針，徑向8點按等環(huán)面積布置?？倻乜倝簻y量值的處理過程中，其徑向的平均值以環(huán)面積為權(quán)重系數(shù)，而總溫總壓的布點均按照等環(huán)面積布點，因此其徑向測點的環(huán)面積權(quán)重系數(shù)的平均值為各測點的代數(shù)平均值。針對試驗件總溫總壓以及壁面靜壓的測點，其周向的測量平均值為其代數(shù)平均值。由于葉型探針布置在靜子前緣，此處定義前一排靜子和后一排轉(zhuǎn)子(S-R)為一級。壓氣機總性能參數(shù)測量精度為：質(zhì)量流量±0.5%、壓比±0.4%、絕熱效率±1%。

0～12表示各測量截面的位置

圖3 進口截面總壓測量示意圖

1.4 試驗過程

試驗共分兩個階段進行，第一階段為壓氣機初始性能錄取，試驗件上臺后首先在涂層完好的情況下錄取94%ND(ND為相對換算轉(zhuǎn)速)特性至最高效率點，錄取85%ND特性至喘點，葉尖間隙實時測量顯示試驗運行中最小間隙均處于安全狀態(tài)，試驗后孔探檢查確認轉(zhuǎn)子葉片尖部無刮磨，機匣涂層無刮磨； 隨后進行的高轉(zhuǎn)速進喘試驗中，壓氣機進入深度失速狀態(tài)，整個過程經(jīng)歷了26 s后才成功退喘，試驗后孔探檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片與機匣涂層出現(xiàn)較大刮磨，葉尖有涂層黏附物和葉尖燒蝕的情況，如圖4所示，典型機匣涂層刮磨情況如圖5所示。經(jīng)歷該過程造成了葉尖間隙變大等壓氣機狀態(tài)的變化，導致了壓氣機的氣動性能衰退，因此在第二階段試驗中開展性能衰退試驗，錄取了85%ND和94%ND特性至喘點。具體的涂層刮磨情況在試驗件下臺分解后檢測，表1中給出了各級涂層刮磨的周向平均值，由于衰退前未發(fā)生葉尖刮磨，因此該平均值即為衰退前后壓氣機各級轉(zhuǎn)子葉尖間隙的變化量，其中前面級的刮磨量較大，后面級的刮磨量較小。圖6為典型機匣涂層周向刮磨情況，是第3級轉(zhuǎn)子葉片(R3)，轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)一定的偏心狀態(tài)。

圖4 典型葉尖黏附物

圖5 典型機匣涂層刮磨情況

表1 各級涂層周向平均刮磨量

圖6 下臺分解檢測典型級機匣涂層周向刮磨量

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 間隙對總性能的影響

通過繪制試驗特性曲線可觀察衰退后間隙增大對壓氣機總體性能的影響，圖7和圖8分別為85%ND和94%ND衰退前后的壓氣機特性試驗結(jié)果對比，流量和壓比數(shù)值均進行無量綱化處理，各條特性線中壓比最低的點為近設計點，即壓氣機特性線與共同工作線的交點。由圖7可知，在85%ND間隙增大后壓氣機的流量-壓比和流量-效率特性線均整體下移，且間隙對氣動穩(wěn)定性有顯著影響，其中近設計點的流量下降0.5%，近設計點的效率下降0.47%，壓氣機的峰值效率下降0.69%，由于兩條特性線均已錄取至喘點，計算可得壓氣機的綜合裕度下降4%。此外性能衰退后的特性顯得“更趴”，具有更大的流量裕度。由圖8可知，在94%ND間隙增大后壓氣機的總體性變化趨勢與85%ND一致，但幅值變化不盡相同，近設計點的流量下降0.2%，近設計點的效率下降0.45%，壓氣機的峰值效率下降0.86%，峰值效率點由較高的壓比點降低至近設計點壓比附近，推測是由級間匹配的變化導致的，衰退后的流量裕度也明顯增大。由于94%ND衰退前的特性線未錄取喘點，因此不對其作氣動穩(wěn)定性分析。

圖7 85%ND總性能對比

圖8 94%ND總性能對比

2.2 間隙對單級特性的影響

分析可知，衰退后轉(zhuǎn)子葉尖間隙增大對壓氣機的氣動性能產(chǎn)生了較大影響，而且性能衰退后壓氣機內(nèi)部的級間匹配發(fā)生變化，不同轉(zhuǎn)速下的各級性能變化也不完全一致。利用各級靜子前緣總溫和總壓葉型探針的實測數(shù)據(jù)，處理獲得每一級的壓比特性線與效率特性線。圖9～圖14給出了85%ND和94%ND的前、中、后典型級的特性線，流量和壓比數(shù)值均進行無量綱化處理。由圖9～圖11可知，在85%ND衰退后第1級的壓比特性向左邊平移，流量整體減小，流量的變化范圍增大，堵點壓比明顯降低，最高壓比略微降低，效率整體降低2%以上；第3級的流量整體減小，流量的變化范圍基本一致，做功能力有所提升，效率整體提高1.5%左右；第8級的流量減小，且流量的變化范圍也減小，做功能力明顯下降，效率基本不變。由圖12～圖14可知，在94%ND衰退后，第1級的壓比特性向左上方移動，流量整體減小，流量的變化范圍明顯增大，做功能力明顯提升，效率整體降低1%以上；第3級的流量整體減小，流量的變化范圍增大，做功能力有所提升，效率整體提高1.5%左右；第8級的流量減小，特性線向左下方平移，流量的變化范圍增大，做功能力明顯下降，效率基本不變。綜上，衰退后壓氣機各級的負荷均發(fā)生了變化，后面級做功能力明顯降低，雖然前面級的間隙變化絕對值更高，但間隙與葉高之比小，因此前面級未出現(xiàn)壓比降低的現(xiàn)象，反而做功能力有所提升。

圖9 85%ND第1級性能對比

圖10 85%ND第3級性能對比

圖11 85%ND第8級性能對比

圖12 94%ND第1級性能對比

圖13 94%ND第3級性能對比

圖14 94%ND第8級性能對比

2.3 間隙對靜壓比的影響

為了進一步驗證間隙對各級負荷的影響，圖15、圖16分別為85%ND和94%ND的前、中、后典型級的級靜壓比隨全臺壓氣機總壓比的變化對比，級靜壓比和全臺壓氣機總壓比數(shù)值均進行無量綱化處理。由圖15可知，對比85%ND衰退前后的實測數(shù)據(jù)，隨著全臺壓氣機總壓比的提升，衰退后第1級和第8級的靜壓比均低于原始狀態(tài)，且過早的出現(xiàn)拐頭，衰退后而第3級的靜壓比高于原始狀態(tài)。由圖15可知，對比94%ND衰退前后的實測數(shù)據(jù)，隨著全臺壓氣機總壓比的提升，衰退后第1級和第3級的靜壓比均高于原始狀態(tài)，衰退后而第8級的靜壓比低于原始狀態(tài)，且出現(xiàn)拐頭。該結(jié)果從側(cè)面驗證了間隙在各轉(zhuǎn)速對壓氣機前后級負荷匹配的影響不同，且對后面級的性能影響較大，間隙增大后壓氣機后面級增壓能力嚴重下降，因此衰退后壓氣機更容易進入喘振狀態(tài)。

圖15 85%ND典型級的級靜壓比隨總壓比變化對比

圖16 94%ND典型級的級靜壓比隨總壓比變化對比

2.4 間隙對流場的影響

為深入揭示轉(zhuǎn)子葉尖間隙對壓氣機氣動性能的影響機理，對85%ND和94%ND的級間總壓葉型探針測量數(shù)據(jù)進行了處理，圖17、圖18為兩個轉(zhuǎn)速下典型級靜子進口的總壓剖面。圖17、圖18中縱坐標為葉高截面百分比，0為葉根處，1為葉尖處，在S3前緣設置了7個截面的總壓探針，在S8前緣設置了3個截面的總壓探針；橫坐標為級間總壓，對總壓數(shù)值均進行無量綱化處理；標號為1的線為近設計點，標號為2的線為峰值效率點，標號為3的點為喘點，其中94%ND衰退前的特性線未錄取喘點。由圖17、圖18可知，兩個轉(zhuǎn)速下衰退后S3進口的總壓剖面形狀均未發(fā)生明顯變化，近設計點、峰值效率點和喘點的總壓絕對值要高于初始狀態(tài)，說明將前3級作為整體，它工作在更高負荷的狀態(tài)；而在兩個轉(zhuǎn)速下，S8進口各狀態(tài)點的總壓剖面均隨間隙的增大而發(fā)生變化，間隙對喘點總壓剖面的影響程度要大于近設計點，葉尖間隙對總壓剖面的影響主要集中在80%葉高以上的區(qū)域，該區(qū)域是葉尖泄漏流作用區(qū)域，在葉尖區(qū)域通道內(nèi)卷吸形成泄漏渦，從而導致葉片尖部的做功能力下降。

圖17 85%ND典型截面進口總壓剖面對比

圖18 94%ND典型截面進口總壓剖面對比

3 結(jié)論

基于大涵道比渦扇發(fā)動機高壓壓氣機衰退前后85%ND和94%ND的試驗結(jié)果分析，初步掌握了衰退后間隙增大對高負荷多級軸流壓氣機非設計轉(zhuǎn)速氣動性能的影響。得出如下主要結(jié)論。

(1)間隙增大后壓氣機的流量-壓比和流量-效率特性線均整體下移，且間隙對氣動穩(wěn)定性有顯著影響，衰退后的特性顯得“更趴”，具有更大的流量變化范圍。

(2)間隙增大改變了壓氣機的級間匹配，各級負荷均發(fā)生了變化，后面級做功能力明顯降低，因此衰退后壓氣機更容易進入喘振狀態(tài)，前面級未出現(xiàn)壓比降低的現(xiàn)象，反而有所提升。

(3)間隙增大后進口級的總壓剖面形狀未發(fā)生明顯變化，出口級的總壓剖面形狀有顯著變化，間隙影響主要集中在葉高80%截面以上，使得壓氣機更容易進入失速狀態(tài)。