□ 李 斌 □ 張江偉 □ 馬清妍

中國航發(fā)西安航空發(fā)動機(jī)有限公司 西安 710021

1 分析背景

航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)性能的衰退主要受各種操作和環(huán)境因素的影響。航空發(fā)動機(jī)可能會吸入腐蝕性鹽霧、灰塵顆粒、風(fēng)沙、燃燒產(chǎn)生物,甚至火山灰,航空發(fā)動機(jī)部件會被不斷侵蝕破壞。對于航空發(fā)動機(jī)自身而言,材料生銹或剝落,燃油泄漏,甚至不干凈的燃油,均會腐蝕流道表面,產(chǎn)生的積垢會堵塞系統(tǒng)。以上衰退源以不同的方式影響航空發(fā)動機(jī)的性能,風(fēng)扇處于航空發(fā)動機(jī)的最前端,外界微粒容易在風(fēng)扇葉片表面沉積,積垢和侵蝕會增大葉片表面粗糙度值,從而影響航空發(fā)動機(jī)的工作性能,風(fēng)扇葉片表面質(zhì)量對航空發(fā)動機(jī)性能影響的研究已經(jīng)較為迫切[1-3]。

國內(nèi)外針對風(fēng)扇葉片表面粗糙度變化造成航空發(fā)動機(jī)性能下降開展了大量研究,研究結(jié)果均表明,葉片表面粗糙度變差會造成風(fēng)扇性能衰退,從而降低航空發(fā)動機(jī)的使用性能[4-11]。某航空發(fā)動機(jī)三次修理后,主機(jī)性能偏低,推力和空氣流量偏小,在噴口放大的情況下,低壓工作線仍偏高,造成航空發(fā)動機(jī)性能不合格。分解發(fā)現(xiàn),這臺航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片由于使用時間較長,葉片表面粗糙度差。筆者針對三次修理后由于葉片表面粗糙度差導(dǎo)致的航空發(fā)動機(jī)性能衰退問題展開研究,采用計算流體動力學(xué)數(shù)值仿真方法,計算分析不同風(fēng)扇葉片表面粗糙度對航空發(fā)動機(jī)性能的影響,確定不同葉片狀態(tài)無極風(fēng)扇性能曲線,并通過航空發(fā)動機(jī)試車予以驗證。

2 研究對象

筆者的研究對象為某航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片,由進(jìn)口導(dǎo)流葉片、五級轉(zhuǎn)子葉片、五級靜子葉片組成,第一級、第五級轉(zhuǎn)子葉片帶阻尼臺。第一級、第五級轉(zhuǎn)子葉片材料為鈦合金,其余轉(zhuǎn)子、靜子葉片材料為鋁合金,鋁合金葉片表面覆蓋有防腐漆。低壓轉(zhuǎn)子最大連續(xù)轉(zhuǎn)速為7 952 r/min,慢車轉(zhuǎn)速為2 660 r/min。風(fēng)扇結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)修理航空發(fā)動機(jī)實際統(tǒng)計情況,風(fēng)扇葉片表面粗糙度Ra粗糙表面為1.5 μm,光滑表面為0.6 μm。將表面粗糙度分為四種狀態(tài)進(jìn)行分析。

(1)光滑。所有轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片均設(shè)置為光滑表面。

(2)一類粗糙。僅第一級、第五級轉(zhuǎn)子葉片設(shè)置為粗糙表面,其它葉片均為完全光滑表面。

(3)轉(zhuǎn)子粗糙。所有轉(zhuǎn)子葉片設(shè)置為粗糙表面,靜子葉片設(shè)置為光滑表面。

(4)粗糙。所有轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片均設(shè)置為粗糙表面。

▲圖1 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

3 數(shù)值模擬方法

筆者采用NUMECA軟件中的AUTOGRID5模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用C型網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并采用Fine/Turbo模塊進(jìn)行數(shù)值求解。采用Spalart-Allmaras湍流模型,時間推進(jìn)采用四階龍格-庫塔方法,并采用多重網(wǎng)格技術(shù)、當(dāng)?shù)貢r間步長、殘差光順技術(shù)加速收斂。邊界條件中,進(jìn)口總溫設(shè)定為288.6 K,總壓力設(shè)定為101 325 Pa,進(jìn)口氣流設(shè)定為軸向進(jìn)氣,出口設(shè)定為靜壓力,通過調(diào)整出口壓力獲得風(fēng)扇特性。

在NUMECA軟件中,考慮氣流在粗糙壁面上流動時的影響,需要使用壁面函數(shù)法,通過調(diào)整當(dāng)量表面粗糙度和卡門常數(shù)來調(diào)整表面粗糙度。

4 結(jié)果分析

最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片不同表面粗糙度時風(fēng)扇效率隨氣流流量變化曲線如圖2所示,風(fēng)扇壓比隨氣流流量變化曲線如圖3所示。由圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn),葉片表面變粗糙,使特性曲線整體左移,氣流流量相同時,風(fēng)扇壓比、效率均有下降趨勢。

▲圖2 最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片不同表面粗糙度時風(fēng)扇效率隨氣流流量變化曲線

▲圖3 最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片不同表面粗糙度時風(fēng)扇壓比隨氣流流量變化曲線

最大及最小氣流流量時風(fēng)扇性能分別見表1、表2。最大氣流流量時,在相同計算條件下,一類粗糙狀態(tài)使最大氣流流量降低0.104 kg/s,所有轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片表面均變粗糙,最大氣流流量降低可達(dá)0.283 kg/s。最小氣流流量時,氣流流量降低情況變得更加明顯,一類粗糙狀態(tài)使最小氣流流量降低0.212 kg/s,所有轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片表面均變粗糙,最小氣流流量降低達(dá)0.8 kg/s。

表1 最大氣流流量時風(fēng)扇性能

表2 最小氣流流量時風(fēng)扇性能

當(dāng)風(fēng)扇計算條件相同時,葉片表面粗糙度變化所導(dǎo)致的風(fēng)扇效率和壓比變化較小。最大氣流流量時,風(fēng)扇效率和壓比變化幾乎可以忽略。最小氣流流量時,葉片表面粗糙度影響增大,一類粗糙狀態(tài)時風(fēng)扇效率下降0.11個百分點,所有轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片表面均變粗糙,風(fēng)扇效率下降0.5個百分點。

最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片不同表面粗糙度時風(fēng)扇各級效率變化如圖4所示。由圖4可以看出,隨著葉片表面變粗糙,風(fēng)扇各級效率出現(xiàn)下降趨勢,粗糙狀態(tài)時風(fēng)扇效率下降0.51個百分點。風(fēng)扇中間三級效率隨葉片表面粗糙度變化相對較小,在粗糙狀態(tài)下,風(fēng)扇中間三級效率下降在0.4個百分點以內(nèi)。風(fēng)扇第一級和第五級效率隨葉片表面粗糙度變化相對明顯,下降均大于0.6個百分點。由于阻尼臺的影響,第一級和第五級效率明顯低于中間三級效率。

▲圖4 最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片不同表面粗糙度時風(fēng)扇效率變化

最小氣流流量時風(fēng)扇葉片表面粗糙度為光滑及粗糙狀態(tài)葉片表面氣流極限流線和熵分布云圖如圖5所示。由圖5可以看出,比較光滑和粗糙狀態(tài)風(fēng)扇葉片表面氣流極限流線和熵分布,兩者并無過大區(qū)別,由此可以認(rèn)為,即使為最小氣流流量,在所研究的葉片表面粗糙度范圍內(nèi),葉片表面變粗糙并未使氣流狀況發(fā)生較大變化。

▲圖5 最小氣流流量時風(fēng)扇葉片表面氣流極限流線和熵分布云圖

慢車轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片不同表面粗糙度時風(fēng)扇效率與壓比隨氣流流量變化曲線分別如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn),第一級、第五級轉(zhuǎn)子葉片頁片表面粗糙時,葉片表面粗糙度對風(fēng)扇性能的影響極其微小,可以忽略。

5 試驗驗證

某臺航空發(fā)動機(jī)三次大修后性能偏低,為驗證上述仿真計算得到的風(fēng)扇葉片表面粗糙度對風(fēng)扇性能的影響,對這臺航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇第一級、第五級轉(zhuǎn)子葉片精拋,進(jìn)行對比試驗。

▲圖6 慢車轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片不同表面粗糙度時風(fēng)扇效率隨氣流流量變化曲線

▲圖7 慢車轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片不同表面粗糙度時風(fēng)扇壓比隨氣流流量變化曲線

對風(fēng)扇第一級、第五級轉(zhuǎn)子葉片精拋前后進(jìn)行試車,風(fēng)扇壓比與航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖8所示,風(fēng)扇效率與航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖9所示,航空發(fā)動機(jī)推力與航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖10所示。從試車結(jié)果可以看出,相同航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下,風(fēng)扇壓比提高最大約1.5%,風(fēng)扇效率提高最大約2個百分點,航空發(fā)動機(jī)推力增大最大約1 200 N。對于這臺航空發(fā)動機(jī)而言,精拋風(fēng)扇第一級、第五級轉(zhuǎn)子葉片可以達(dá)到提高推力、改善航空發(fā)動機(jī)性能的目的。

▲圖8 風(fēng)扇壓比與航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

實際試車時精拋風(fēng)扇第一級、第五級轉(zhuǎn)子葉片效果相比數(shù)值模擬計算更為明顯。分析原因可能為航空發(fā)動機(jī)使用時間長,工況惡劣,數(shù)值模擬計算模型只改變?nèi)~片表面粗糙度,其余均為理想狀況,部件性能處于較優(yōu)的狀態(tài)。

▲圖9 風(fēng)扇效率與航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

▲圖10 航空發(fā)動機(jī)推力與航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

6 結(jié)束語

筆者采用數(shù)值模擬方法對航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行研究,對比分析風(fēng)扇葉片不同表面粗糙度時的風(fēng)扇性能及流場。結(jié)合修理航空發(fā)動機(jī)試車驗證,表明葉片表面粗糙度值增大會導(dǎo)致風(fēng)扇效率和壓比下降,最大氣流流量減小。

在最大連續(xù)轉(zhuǎn)速時,葉片表面粗糙的度影響相對較大。在慢車轉(zhuǎn)速時,葉片表面粗糙度的影響可以忽略。與風(fēng)扇中間三級相比,風(fēng)扇第一級和第五級轉(zhuǎn)子葉片表面粗糙度對風(fēng)扇性能的影響更大。通過精拋風(fēng)扇第一級、第五級轉(zhuǎn)子葉片,可以達(dá)到改善航空發(fā)動機(jī)性能的目的。