静子叶根篦齿泄漏流对某组合压气机性能的影响

2022-07-21邱道彬刘西武曹四

中国科技纵横 2022年12期

邱道彬刘西武曹四

（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002）

0.引言

随着压气机压比及其平均级负荷的不断提高，采用篦齿封严结构的静子根部容腔泄漏流对高压压气机的性能影响不容忽视。通过文献调研可知，篦齿间隙占叶片展高的比例每增加1%，可导致压比下降3%，效率下降1%～1.5%[1]。Shabbir等人[2]的研究表明，压升的降低是由于根部堵塞发生变化而非攻角的变化。Demargne等人[3]通过压气机平面叶栅研究了静子间隙流对主流的影响，其试验结果表明泄漏流量越大，越容易导致叶栅流动恶化，同时随着间隙流切向速度的增加，叶片排的流动会变好，由文献调研可知静子间隙泄漏流的影响不可忽视。本文以某轴流离心组合压气机的轴流静子根部容腔为研究对象，研究静子根部间隙泄漏流对此压气机性能的影响。

1.研究对象和方法

本文对某带静子根部篦齿封严容腔结构高压压气机进行三维气动仿真，其高压压气机及静子根部容腔网格结构如图1所示。根部容腔结构采用ICEM进行非结构网格划分，见图2，总网格单元约为75.4万。高压压气机采用AutoGrid进行网格划分，总网格量约为56.8万。此外，本文计算所采用的篦齿间隙为0.3mm，约占轴流静子叶高的0.76%。

图1 高压压气机+根部容腔结构的网格划分

进行数值模拟所用的软件为CFX 17.2，湍流模型选取标准K-epsilon模型，Modified Linear Profile二阶精度的离散格式。进口边界设置在过渡段支板的进口，此处的气流条件按照标准大气设置，给定总温、总压和气流方向。其中容腔结构与轴流静子的交界面定义为Frozen Rotor，如图2所示。高压压气机转静子之间采用Stage(Mixing-Plane)设置；高压压气机出口给定静压边界条件。

图2 根部容腔结构的网格划分

2.数值模拟结果与分析

在100%转速条件下，对带有静子根部篦齿封严容腔结构高压压气机进行三维气动仿真，并对仿真结果进行对比分析。图3给出了该压气机在100%转速条件下的流量-压比特性，从图中可以看出带篦齿和不带篦齿计算其对压比的影响较小，仅在近喘点附近压比有略微的下降，而喘点流量所受的影响更加明显，计入篦齿泄漏的影响后，压气机的综合裕度下降了1.5%。图4给出了该压气机在100%转速条件下的压比-效率特性，从图中可以看出带静子根部篦齿计算以后，近设计点的效率变化并不明显，而近喘点的效率出现了明显的下降，下降约0.46%，这与近喘点压比高，篦齿泄漏损失大相关。总体而言，效率的降幅与压比呈正相关的关系。

图3 流量-压比特性

图4 压比-效率特性

2.1 峰值效率点影响分析

为了进一步分析带静子根部篦齿容腔结构对高压压气机的影响，下面对峰值效率点的内部流场进行分析。图5给出了峰值效率点轴流静子极限流线对比图，从图中可以明显看出，考虑篦齿结构后，静子根部的二次流变化非常明显，二次流所影响的区域明显增大，因此压力损失也将增大，从而影响压气机的效率和裕度。

图5 峰值效率点轴流静子吸力面和轮毂表面极限流线图

图6对比了峰值效率点的静子进口气流角，20%以内展高的气流角均受到了影响，气流与轴向的夹角增大，即静子的攻角增大，进而影响裕度。Aungier在文献[4]中对静子篦齿的泄漏影响进行了分析并给出了计算公式，气流从篦齿腔泄漏到主流道时带有一定的切向速度，且与转子的旋转方向相同。因此静子根部附近的攻角都将有所增大，CFD结果显示轮毂壁面的攻角增大了约3°。

图6 静子进口气流角

图7对比了峰值效率点静子10%展高的表面静压分布，考虑篦齿结构以后，吸力面的静压基本不受影响，而压力面的静压则有略微下降，即叶片的负荷有轻微的下降。说明篦齿泄漏既影响静子的攻角，同时还影响静子的静压升能力，而这2个因素都将影响压气机的裕度。

图7 静子10%展高表面静压

图8给出了峰值效率点静子根部容腔极限流线和静压分布示意图，从图中可以看出此泄漏流主要由静压驱动，即静子出口压力较高，静子进口压力较低，使得静子后容腔内的流体沿篦齿间隙向前容腔泄漏，这种泄漏必然会带来一定的泄漏损失。图9给出了峰值效率点轴流静子总压恢复系数沿展向分布，从图中可以看出带静子根部容腔的总压恢复系数明显比不带静子根部容腔的总压恢复系数低，和图4中其峰值效率点效率降低相一致。此外对于图3中峰值效率点压比变化较小的原因和篦齿泄漏流的流量较小相关，其泄漏流量只有0.012kg/s，约占喘点进口流量（约4.83kg/s）的0.25%，其所带来的静子根部总压损失较小。