两种不同静子结构对某组合压气机气动性能影响分析

赵振国 韦威 杨华斌

摘 要：本文以某组合压气机为研究对象，从轴流末级静子悬臂和带内环两种结构形式入手，数值研究了两种结构形式对组合压气机气动性能的影响。结果表明：悬臂和带内环两种结构形式对轴流末级静子性能的影响主要是叶尖间隙泄漏流。悬臂结构可使组合压气机稳定工作范围得到较大的扩展，对组合压气机总体性能的影响幅度不大。轮毂旋转对组合压气机的稳定工作范围的影响很小。

关键词：静子结构;组合压气机;气动性能;影响;分析

自上世纪五十年代成功地用于驱动直升机飞行以来，涡轴发动机因其独特的优点逐渐成为了现代军用和民用直升机的主要动力装置。经过了大半个世纪的发展，涡轴发动机的性能获得了巨大的改善[1，2]。作为涡轴发动机的核心部件之一，压气机性能的好坏直接影响了整台发动机的性能指标。目前中大功率和高压比涡轴发动机压气机的典型结构形式是轴流-离心组合压气机，这种结构形式结合了轴流级大流量、流道平缓、高效率的特点和离心级宽稳定工作范围、单级压比高、零件数少的特点[3-5]。为了保证轴流-离心组合压气机达到足够的增压比，离心级需要有较强的做功能力，这就要求轴流级末级流道下压，以降低离心叶轮进口轮毂半径。由于轴流级末级静子的附面层较厚，流道下压会进一步增大末级静子的扩压度，容易加剧末级静子的流动分离，导致压气机失稳。因此对于轴流-离心组合压气机，如何有效控制轴流末级静子内的流动和延缓端区流动分离，具有一定的研究意义。

轴流-离心组合压气机轴流末级静子的结构形式一般有悬臂和带内环两种结构形式。本文以某组合压气机为研究对象，从轴流末级静子结构形式入手，数值研究了两种不同的静子结构形式对组合压气机气动性能的影响，为今后类似组合压气机的设计提供一定的参考依据。

1研究对象与研究方法

本文研究对象为某三级轴流加一级离心（3A1C）組合压气机，末级静子分别采用悬臂结构和带内环结构，其示意图如图1所示。除了图示结构形式的不同外，末级静子的叶型和流道保持一致，组合压气机其余部分的叶型和流道也保持一致。

末级静子采用悬臂结构和带内环结构，尽管叶型和流道相同，但由于悬臂结构静子叶尖存在间隙，且轮毂面随着转子一起旋转，二者在端区流动上会存在较大的差异[6-8]。因此本文分别从叶尖间隙和轮毂旋转两个方面数值研究了两种结构形式对组合压气机流场和性能的影响。

本文数值模拟研究采用CFX13.0软件，计算域包括轴流级和离心级共十排叶片，采用TurboGrid13.0生成六面体结构化网格，定常计算求解三维Navier-Stokes方程组，差分格式采用高精度格式，湍流模型采用K-epsilon模型。为了使计算分析更具有可比性，本文各算例计算网格均采用相同的网格模板生成，网格拓扑结构和网格密度均保持一致，计算边界条件亦保持一致。

2数值计算结果与分析

2.1叶尖间隙对组合压气机气动性能的影响

本文首先数值模拟了末级静子叶尖无间隙和有间隙两种情况下组合压气机设计转速下多个工况的流场。图2为两种情况下末级静子总压恢复系数曲线，图3为组合压气机流量-压比特性，图中曲线右侧第一个点对应的工况为设计工况。为便于比较，本文均各性能参数均采用相对值表示，即计算值与设计指标的比值。

从图3可以看出，对于该3A1C组合压气机，叶尖有无间隙对末级静子总压恢复系数存在较大的影响，在设计点附近，叶尖有间隙以后末级静子总压恢复系数下降了0.22%。从图4可以看出，两种情况下组合压气机流量堵点流量基本重合，设计点流量和压比相差均在0.1%以内，因此可以认为组合压气机设计点性能基本相同。这是由于末级轴流压气机所承担的负荷在组合压气机总负荷中占比较小，末级静子总压恢复系数的改变对组合压气机的影响不大。但是叶尖有间隙以后，组合压气机喘振裕度提高了8.8个百分点，因此可以认为，末级静子对裕度的贡献比对性能更显著，采用悬臂结构的末级静子由于叶尖间隙的存在，使组合压气机稳定工作范围得到了扩展。

图4-图5为两种情况下组合压气机末级静子叶尖无间隙的近喘点、末级静子叶尖有间隙在相同压比下的叶片尖部流场和叶片吸力面极限流线图。图中可以看出，叶尖有间隙时，在间隙区形成了由叶片压力面流向叶片吸力面的间隙泄漏流，这股气流吹散了静子角区堆积的低能流体团，缓解了静子尖部的角区分离，从而延缓了压气机的旋转失速，扩大了稳定工作范围。

2.2轮毂旋转对组合压气机气动性能的影响

当末级静子采用悬臂结构时，由于其轮毂一般采用间隔环的连接形式，通过过盈配合固定在末级转子盘和离心叶轮盘之间，此时末级静子的轮毂流道会随着转子同转速同方向的旋转。因此本文数值模拟和分析了末级静子轮毂旋转对组合压气机气动性能和静子角区流场的影响。

图6为末级静子采用悬臂结构时轮毂旋转和静止两种情况下末级静子总压恢复系数曲线，图7为组合压气机流量-压比特性。从图6可以看出，轮毂旋转时末级静子总压恢复系数比轮毂静止时增大了0.16%。从图7可以看出，末级静子轮毂旋转可以使组合压气机效率有一定的提升，对组合压气机喘振裕度影响幅度很小，二者基本持平。

图8、图9为末级静子轮毂旋转和轮毂静止时近喘点尖部流场和吸力面极限流线。图中可以看出，轮毂旋转对给了静子轮毂面上气流一个速度，与叶尖间隙泄漏流的速度方向相反，一定程度上抑制了叶尖间隙泄漏流，减小了近设计点处末级静子叶尖的二次流损失。由于轮毂旋转，组合压气机效率有所提升，但是静子角区低能流体的堆积有所加重。综合来看，轮毂旋转对组合压气机气动性能的影响较为微弱，占次要地位，悬臂静子产生的影响还是以叶尖间隙泄漏流为主。

3结束语

本文以某3A1C组合压气机为研究对象，从轴流末级静子悬臂和带内环两种结构形式入手，数值研究了两种结构形式对组合压气机气动性能的影响，得出的结论如下：

（1）悬臂和带内环两种结构形式对轴流末级静子性能的影响主要是静子叶尖间隙泄漏流和轮毂旋转所产生的影响，以叶尖间隙泄漏流的影响为主;

（2）末级静子对裕度的贡献比对性能更为显著，采用悬臂结构的末级静子由于叶尖间隙的存在，使组合压气机稳定工作范围得到了显著的扩展;

（3）轮毂旋转对组合压气机稳定工作范围的影响很小。

参考文献：

[1] 胡骏，吴铁鹰，曹人靖. 航空叶片机原理[M].北京：国防工业出版社，2006，1-5.

[2] 雷新国，周辉华，张媛.我国民用涡轴发动机的发展研究[J].燃气涡轮试验与研究，2016，29（4）：57-62.

[3] 银越千，金海良，陈璇.涡轴/涡桨发动机压气机流动特点与发展趋势[J].航空学报，2017，38（9）：1-16.

[4] 高丽敏，高磊，祝启鹏.轴流/离心组合压气机一体化设计及数值模拟[J].风机技术，2016，（4）：41-49.

[5] 陈云永，刘波，曹志鹏，马聪慧.轴流离心组合压气机性能及流场分析[J].推进技术，2007，28（4）：356-361.

[6] 田江涛，吴艳辉，李清鹏，楚武利，张皓光.静子轮毂角区失速与间隙流动相互作用机理分析[J].工程热物理学报，2011，32（12）：2034-2039.

[7] 张晨凯，胡骏，王志强，高翔.轴流压气机转子叶尖间隙流动结构的数值研究[J].航空学报，2014，35（5）：1236-1245.

[8] 余春华，蒋洪德，袁巍，李绍斌.轮毂旋转对环形叶栅角区流场的影响[J].航空动力学报，2012，27（12）：2792-2798.

作者简介：

赵振国（1989—），男，汉族，江苏徐州人，硕士研究生，工程师，现就职于中国航发湖南动力机械研究所，研究方向：压气机气动热力学。