2种进气畸变流道结构对航空发动机进口流场的影响

2013-07-07芮长胜邱明星王传宝

航空发动机 2013年5期

关键词：插板周向畸变

芮长胜，谷君，邱明星，王传宝

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

2种进气畸变流道结构对航空发动机进口流场的影响

芮长胜，谷君，邱明星，王传宝

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

基于某型航空发动机插板式进气总压畸变试验，重点分析了进气段采用收敛形和直线形2种进气流道结构对发动机进口总压畸变流场的影响，并对3维数值模拟结果进行了研究。结果表明：在收敛形进气流道结构下，当插板相对插入深度大于45%后，发动机进口总压畸变流场稳态周向畸变指数逐渐减小，且随插板深度增加，发动机进口畸变流场逐渐趋向均匀；直线形进气流道结构在插板深度逐渐增加时，进口畸变指数平稳增大，流场不均匀性增强，能较好地表征发动机进口畸变流场形态。

总压畸变；流道结构；畸变指数；畸变流场；航空发动机

0 引言

航空发动机进口流场畸变是气动稳定性研究的重要内容。Person等首先提出平行压气机理论, 随后激盘/半激盘模型、级叠加、2维不可压缩等模型的发展，使得模拟进气总压、总温及组合畸变和旋转进气畸变对发动机/压气机性能、稳定性影响的理论方法得到了迅速发展[1-5]；同时利用畸变模拟网、模拟板和发生器装置等开展的部件及整机试验积累了一定的试验结果数据[6-9]。国外已开展了大量进气畸变对发动机气动稳定性影响方面的研究，并建立了具体的评定方法和标准；国内在参考国外相关研究成果基础上，提出了在航空发动机工程设计中进行气动稳定性检查的考核要求，并逐步开展了航空发动机压力畸变稳定性评定技术的研究[10]。

本文基于某型航空发动机插板式进气总压畸变试验，重点论述了收敛形和直线形进气流道结构下进气总压畸变对发动机进口流场的影响，并开展了3维数值模拟计算分析，其研究结果可供航空发动机气动稳定性工程研究时参考。

1 进气流道结构

在某型发动机插板式进气总压畸变首次试验时，为了利用原有的大直径进气畸变试验装置，并在发动机进口前加装了与其进口直径相同的转接段，由此在大尺寸进气畸变试验装置与转接段之间形成了收敛形进气流道结构，插板位于收敛段前，如图1所示。但首次试验结果没有达到预期效果，为进一步分析评估试验数据，去掉收敛段，重新改用与发动机进口直径相同的进气畸变试验装置，构成直线形进气流道结构，如图2所示。2种进气流道结构的各构件中心线在同一水平轴线上，其但二者的轴向布局略有不同，收敛形流道的插板位置到AIP截面的距离为3.29D （D为发动机进口流道直径），直线形流道相对去掉了收敛段，插板位置到AIP截面的距离缩短为3D，2种进气流道结构下1-1截面和AIP截面距发动机进气机匣前安装边的位置相同。

图1 收敛形进气流道结构

图2 直线形进气流道结构

试验用进气畸变发生装置采用可移动式插板进气畸变发生器，主要由插板阀、液压缸、位移传感器和支架等组成。定义插板相对插入深度H=H/D，其中H为插板插入流道深度，其位置如图3所示。

图3 插板相对插入深度

2 进气畸变指数测量

发动机进口流场的畸变程度用综合压力畸变指数评估，综合压力畸变指数定义为

式中：△σ0为稳态周向畸变指数；εav为面平均紊流度。

在发动机进口流道1-1截面的0.9R（R为截面半径）外环面处周向均匀布置6支压力脉动测量耙，用于测量发动机进口流场的面平均紊流度；在进口AIP截面上周向均布、径向等环面分布6支×5点的30个稳态压力测点，用于测量发动机进口流场的稳态周向畸变指数。脉动压力和稳态压力测点的周向布局及测量结果按文献[10]中方法处理。

3 试验结果分析

在发动机试车台上分别对2种进气流道结构进行了进气畸变试验，并对试验结果进行分析。

3.1 畸变指数变化

发动机在低压相对换算转速为95%状态时，收敛形流道和直线形流道下各畸变指数随插板相对插入深度的变化情况分别如图4、5所示。从图4中可见，收敛形流道结构随插板插入深度的增加，在H≤45%之前，△σ0、εav和W均随插板深度增加而逐渐增大；但当H＞45%之后，△σ0开始逐渐减小，流场也逐步趋于均匀，εav增速变缓，综合效应使得W逐渐减小，其原因是由于收敛段的存在，加剧了没有插板一侧的气流向有插板一侧流动，造成与插板后的分离气流掺混增强，使得流场趋向均匀化，畸变程度减弱。插板插入越深，收敛段起到的作用越明显，当插板深入到H=45%后，掺混强度增幅超过了畸变的增加速度，此时稳态畸变指数不增反减，在H=50%时△σ0减小到3.1%，εav增大到7.7%，W减小到10.8%。从图5中可见，各畸变参数△σ0、εav和W均随插板深度增加而增大，且在相同的插板插入深度位置，各畸变参数都比图4中参数增大明显，进一步说明了收敛段的存在加强了高、低压区的气流掺混；在H=23%位置时发动机进入不稳定状态，△σ0、εav和W分别为10.4%、5.9% 和4.5%。

图4 收敛形流道畸变指数随插板深度变化

图5 直线形流道畸变指数随插板深度变化

3.2 AIP截面流场不均匀性

插板深入流道后，气流在经过插板后会形成低压区，没有插板的流道部分气流则是相对的高压区，AIP截面高、低压区气流压力周向分布，反映了流场的不均匀性。发动机在低压相对换算转速为95%状态下不同插板位置时，收敛形流道和直线形流道AIP截面气流压力的周向分布情况如图6、7所示。从图6中可见，收敛形流道结构中H从10%增加到43%，在AIP截面气流高压区和低压区形成的压力差别逐渐增大，当插板深度H增加到50%、54%时，高压区和低压区的压力差别又逐渐减小，此时AIP截面流场的不均匀性也减弱，该流场不均匀性的变化过程与△σ0变化过程一致；且插板深度较大时低压区的范围变化并不明显。对比图7可见，直线形流道结构中H从10%增加到25%，在AIP截面气流高压区和低压区形成的压力差别均逐渐增大，且低压区范围随插板深度增加也明显扩大。

图6 收敛形流道AIP截面压力周向分布

图7 直线形流道AIP截面压力周向分布

4 畸变流场模拟计算

从上述发动机进气畸变试验可见，收敛形和直线形流道结构下发动机进口畸变流场存在较大差异，尽管收敛形流道的工程应用较少，但为了进一步细致地了解2种流道结构下气流在整个进气流道内的具体流动情况，本文利用建立的发动机低压转速100%设计状态下进气流道段3维模拟收敛网格，计算了2种流道结构下发动机设计状态的进气流场沿轴向压力变化和AIP截面压力周向分布的情况，进而从侧面定性分析2种进气流道对发动机进口流场的影响，以补充说明不同流道和插板位置下的发动机进口流场形态。

4.1轴向压力变化

2种流道结构在H=30%、40%和50%状态下进气流道轴向压力变化计算结果分别如图8～10所示。从图中对比可见，在相同的插板位置下收敛形流道高压区气流经收敛段后有向流道中部流动的趋势，加强了与插板后低压区气流的掺混，使流场相对变均匀，且相对直线段的气流附面层也明显增厚；当H=30%时，插板后收敛段形成的低压区还较明显，H=50%时，收敛段后的气流掺混作用更加显著，沿轴向流场畸变程度逐渐减弱，使得△σ0相对减小；而直线形流道在插板后始终可形成相对明显的低压区，且随插板深度增加，低压区的范围逐渐变大。

4.2 AIP截面压力分布

图8 H=30%气流压力沿轴向变化

图9 H=40%气流压力沿轴向变化

图10 H=50%气流压力沿轴向变化

H=30%、40%和50%状态下模拟计算得到的2种流道结构在AIP截面压力周向分布分别如图11～13所示。对比图中2种流道结构下AIP截面周向压力分布可见，在相同的插板深度下直线形流道AIP截面形成的低压区压力明显低于收敛形流道的，且低压区形成的角度范围更接近于插板插入流道后堵塞流道的角度；而且随插板深度的增加，直线形流道AIP截面高、低压区之间的区分更显著，高、低压区压力差别也较收敛形流道的明显增大，其展现的流场形态与发动机进气畸变试验结果相一致，可见直线形流道结构可以较好地保持发动机进口高、低压区的流场形态。

图11 H=30%时AIP截面周向压力分布

图12 H=40%时AIP截面周向压力分布

图13 H=50%时AIP截面周向压力分布

5 结论

（1）通过发动机进气总压畸变试验和理论模拟计算表明，收敛形和直线形流道结构对发动机进口畸变流场影响程度明显不同，直线形流道结构可以更好地表征发动机进口存在高、低压区的畸变流场形态。

（2）收敛形流道结构在插板深度大于45%后，畸变气流在插板后的掺混作用加强，稳态周向畸变指数开始出现下降，且随插板深度增加，稳态周向畸变指数明显减小，发动机进口流场趋向均匀。

（3）线形进气流道结构随插板深度增加，各畸变畸变指数均逐渐增大，不同插板位置下形成的高、低压区划分清晰，相同插板深度下进口流场畸变程度相对于收敛形流道结构明显增大。

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Influence of Two Distortion Channel Configurations on Aeroengine Inlet Flow Filed

RUI Chang-sheng,GU Jun,QIU Ming-xing,WANG Chuan-bao
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Based on an engine inlet total-pressure distortion experiment in an inserted-board,the influence of convergent and straight inlet channel configurations on the engine inlet total pressure distorted flow field was analyzed,and 3-D numerical simulation was studied. The results show that engine inlet steady circumferential total pressure distortion descriptor declines when inserted-board inserting depth is greater than 45%in the convergent channel configuration,and engine inlet flow field becomes uniform with further increasing insertedboard depth.Engine inlet distortion descriptor increases steadily and flow field in inhomogeneous enhancement in the straight channel configuration.The engine inlet distorted flow field is characterized better with straight channel configuration.

total pressure distortion；channel configuration；distortion descriptor；distorted flow field;aeroengine