新型机匣处理轴流风扇压气机扩稳效果试验研究

新型机匣处理轴流风扇压气机扩稳效果试验研究

现代风扇压力机不断进入高水平和负荷方向，充分的稳定性和比例已成为详细设计扇压气机的重要指标。目前在航空发动机设计领域,人们为了追求其压气机系统的更高稳定性,避免失速和喘振的发生,广泛采用双轴或多轴的设计方案。由此诞生的双转子或多转子发动机的确能够起到很好的防喘效果,但是与此同时,为了满足这种设计上的要求,也存在着高、低压压气机之间、不同转子之间的相互影响问题,尤其是对失速边界的影响。不难想象,在多转子发动机的相互影响中,上一级的低压压气机出口非均匀的压力波动对高压压气机将存在一个普遍的影响,这种影响也将直接作用于高压级的失速边界,造成其稳定裕度的改变。这种影响一般可以被看成是一种旋转进气畸变,通过模拟这种畸变进气条件,人们可以监测不同压气机系统稳定性的变化,进而研究多转子发动机面临的这一突出问题。关于这个问题,人们历来有两种解决思路,一是通过主动控制的方式,针对不同的进气情况和失速先兆对压气机系统作出主动调整,进而避免旋转失速现象的发生;二是通过被动扩稳的方式,即采取可调机构设计的手段,推迟失速现象的发生。20世纪90年代末,Spakovszky等使用沿周向均布的12支喷嘴(喷气量约占主流流量的2%~3%),对带有周向和径向进气畸变的单级跨声速压气机进行主动控制研究,可使压气机失速流量扩大17%左右。但是对于已经发展了近20年的失速主动控制技术而言,由于其控制规律很难形成、控制机构反馈动态滞后、流动失稳先兆捕捉准确性存在问题以及控制机构的复杂性等一系列问题无法得到有效解决,一直未能真正应用于工程实际。对于多轴发动机旋转失速的问题,早在20世纪80年代,Schaeffler和Miatt就对一种三轴结构的RB-199发动机的高低压压气机系统的相互影响进行了研究。他们证实了低压压气机对其后面高压级的影响,在低压压气机出口存在着非均匀的压力波动,而且随着低压压气机向其失速边界靠近时,这种波动的强度不断增大。当低压压气机处于失速状态时,高压压气机的进口更是处于一种高强度的非均匀压力波动状态。Schaeffler和Miatt虽然没有找到解决问题的办法,但是却提供了一种模拟旋转进气畸变的方案。南京航空航天大学的李传鹏和胡骏试验研究了进口旋转总压畸变对RB-199的五级高压压气机性能和气动稳定性的影响,获得了总压畸变的旋转频率对高压压气机喘振裕度损失的影响结果。正如前文所述,由于主动控制技术存在着难以克服的困难,人们将更多的精力投入到被动扩稳的研究之上,机匣处理由于结构简单、扩稳效果良好,在工程实际中得到了广泛应用。国内外学者对机匣处理扩稳效果进行了大量的数值研究和试验研究,但是这些研究主要是集中在均匀来流条件下,目前对于进气畸变下机匣处理的研究还非常少。本文通过在北京航空航天大学低速风扇TA36试验台上进行模拟旋转进气畸变试验,研究旋转畸变进气对于压气机稳定性的影响,并考察一种新型机匣处理在此种进气条件下的扩稳效果。1机表内的波菌相互作用考察一种带背腔的新型机匣处理的扩稳效果,该机匣处理的设计理念基于北京航空航天大学Sun的三维可压缩旋转失速稳定性模型,在他的模型中可以预测失速先兆波的特征频率,将机匣处理的影响通过反映边界特性的壁面阻抗值引入模型,从而在某种程度上可以定性地研究机匣处理的影响。图1为波涡相互作用示意图,可以认为波涡相互作用是机匣处理的主要扩稳机制。通过对阻抗模型的研究,认为新型机匣处理实际上是改变了系统的边界条件,使入射到机匣壁面的失速先兆波由于波涡相互作用机制被耗散掉,进而抑制了它的非线性放大所导致的失稳。并且,该机匣处理有较低的穿孔率,所以在叶尖区域的回流量小,对压气机主流流场的影响也很小,因而它对压气机工作效率也不会带来明显的影响。Sun等建立了包含机匣处理的稳定性模型,Liu等发展了可以包含流道几何以及叶片造型影响的叶轮机流动稳定性通用模型,Sun等对机匣处理的扩稳效果及扩稳机理进行了有效的试验验证,熊珊等对总压进气畸变情况下新型机匣处理扩稳效果进行了初步的试验研究,而本文则是针对旋转畸变对压气机工作性能的影响以及新型机匣处理在该条件下的扩稳能力开展试验研究。2试验系统及设计图2为TA36试验台示意图。图中:1为进气流量管,由双纽线型面形成的进口集流器,用于测量流量G;2为进口静压测试点,用于测量进口静压p0,其位置位于双纽线型面圆柱段,距离畸变发生器1倍转子弦长位置;3为进口总压测试点,用五孔梳状总压探针测量转子进口总压p1*,位于转子前1个弦长;4为压气机转子;5为压气机静子;6为出口压力测试点(总压p2*和静压p2),位于静子后1倍弦长位置;7为西门子伺服电机(22kW);8为后支撑板;9为出口流量调节机构,由步进电机带动外环调节出口截流面积,以控制出口反压和流量;10为堵锥;11为旋转畸变发生器,距离转子进口2倍机匣外径。表1给出了低速风扇TA36的主要设计参数。TA36采用高负荷、小展弦比设计方案,负荷系数较高,达到0.258。机匣处理结构如图3所示。图中所示为带背腔的新型机匣处理。开孔率最大为6%,能无级调节开孔率以及背腔容积。图中:1、2分别为机匣处理内环和外环,形成一个带容积的背腔,1上开有斜槽;3为机匣处理支架;4为帽锥;6为转子;7为静子。旋转畸变发生器如图4所示,8片可自由拆装的畸变网放置于进气道内,由三菱伺服电机驱动,转速0~3000r/min可调,旋转方向顺/逆时针可控。本文中的试验只使用对装的两片畸变网,并对由于畸变发生器电机和支架引起的总压畸变进行面积换算。试验时将发生器如图4置入压气机进气流量管内,畸变片位置如图2中11位置。3静接收点速度结构采用流量系数-静压升系数描述风扇的压升特性,以便于更好地观察失速起始点。并用失速裕度和风扇效率衡量机匣扩稳效果。1)静压升系数ψ和流量系数φ式中:Vx为入口轴向速度;Um为叶中切向速度;p*1为转子进口总压;p2为静子出口静压;ρ0为空气密度;A为压气机内流道面积;α为有效流通面积系数;qv为体积流量。2)失速裕度SM式中:下标s代表失速点,下标d代表额定工作点。3)风扇效率式中:T为电机扭矩;ω为电机转速。4)畸变程度说明旋转畸变PXXX、NXXX是指畸变片的转动方向与转动速度。如P200指旋转畸变与转子转动方向相同,转动速度为200r/min;N500指旋转畸变与转子转动方向相反,转动速度为500r/min。4准确性和可靠性为保证试验数据的准确性,进行了3次不同大气压力和温度下,设计转速、均匀进气的实壁机匣重复性试验(如图5所示)。从试验结果可以看出,压升特性、效率特性的重复性非常好,证明本文的试验数据是准确可信的。而且在试验过程中调整了系统采样频率和堵锥截流速度匹配,采样频率为1000Hz,使得特性线上每一个测试点保证在准静态过程,全过程为可靠的静态测量。对3组压气机重复性试验结果进行分析,确定稳态流量误差带在0.5%以内,效率误差带在1%以内。5机表1:不同转速下的压气机效率特性通过对第2节试验台的介绍可知,当旋转畸变发生器静止时,置于压气机进口处的畸变片与电机会对进口总压产生影响,带来一定程度的总压畸变。从早前的试验结果中知道,稳态总压畸变会对压气机性能造成很恶劣的影响:压升系数降低、效率下降、失速裕度减小。而机匣处理的使用却能很好地改善稳态总压畸变带来的不良影响。因此,当进气总压畸变旋转时,即在旋转畸变的进气条件下进行压气机试验台的性能测试试验,重点考察以下两点:旋转畸变是否会对压气机工作特性(压升、效率)带来不良影响;机匣处理在旋转畸变的进气条件下能否改善畸变来流所造成的影响。据此,设计了多组不同畸变程度不同工作转速下的低速风扇TA36试验台进行机匣处理扩稳试验。本文中CT指的是新型机匣处理在带有6%穿孔率情况下的试验值,gb指未使用机匣处理在均匀来流情况下的压气机特性线。图6给出了畸变转速为200r/min时不同工作转速的压升特性曲线图。可以看出,畸变来流导致压气机失速起始点流量明显要高于实壁情况,导致压气机流量裕度下降。机匣处理的使用,可以使畸变条件下的压气机特性线继续向左上方延伸,失速裕度有所提高。图7给出了畸变转速为200r/min时额定转速下的压气机效率特性曲线,图7(a)为此时实壁机匣无畸变时的效率特性曲线,由于畸变进气情况下压气机的效率波动较大,对采集到的试验数据进行3次多项式拟合,得到的结果如图7(b)所示。从图中可以看出,进气畸变会导致压气机的效率大幅度下降,而机匣处理相比实壁机匣的畸变情况会使压气机工作效率略有下降,但效率损失在0.5%以内,在试验测量效率的误差范围内。图8所示为畸变转速为500r/min时不同工作转速下的压升特性曲线。从图中不难看出随着工作转速的提高,正向畸变与负向畸变的曲线相差变得更为明显,而且负向畸变对压气机稳定性的改善也变得更加明显。而机匣处理同样能够使压气机失速裕度有所提高,具有较好的扩稳效果。图9显示了畸变转速为500r/min时额定转速下的压气机效率特性曲线。相比畸变转速为200r/min的情况,畸变使得压气机的效率损失变大。采用新型机匣处理后,失速裕度提高,而效率有所下降,效率损失小于1%,基本位于误差范围内。图10给出了畸变转速为800r/min时,不同工作转速下压气机的压升特性曲线。对比图6、图8和图10,可以看到随着畸变转速的不断提高,旋转畸变发生器对于压气机的流量影响变得越来越明显,尤其是对于压气机工作转速较低的情形。在畸变转速为800r/min条件下,机匣处理仍能在一定程度上改善压气机的稳定性,提高其稳定裕度。图11展示的是在畸变转速为800r/min、额定工作转速时的压气机效率特性曲线。畸变会导致压气机效率明显降低,而且对比正负向畸变可以明显地发现负向畸变造成的效率损失要更大一些,也就是说,虽然负向畸变能够起到一定的扩稳作用,但同时也会带来更多的效率损失,这也是对转发动机设计上一个需要权衡的地方。机匣处理的引入不但没有造成压气机效率的降低,反而此时的压气机工作效率要高于畸变条件下的实壁机匣的情况。由于这个现象不同于低转速畸变试验,本文比较了此种畸变情况下70%、80%、90%工作转速下的效率特性曲线,如图12所示。从图12中可以看出,在此种畸变情况下机匣处理的使用的确能够提高压气机的效率。1995年,Kang等为了证明机匣处理内流对稳定性的影响,对一种名为RecessVaned的机匣处理进行了试验,这种机匣安装于一个风扇转子的上方和前部,并且与众不同的是该机匣壁面后面带有一个大的空腔,空腔中带有类似导叶的装置,导叶的存在可以控制从压气机中流入机匣的气流方向。Kang等的试验发现,这种机匣处理最好的情况能达到67%的失速裕度提高,而且不影响该风扇的效率和压升。这种机匣处理在扩稳的同时,提高压气机效率的作用机理尚不明确,后续还将开展进一步的研究。进一步提高畸变转速,考察压气机和机匣处理在更高畸变转速时的性能,从而对新型机匣处理的扩稳能力和特点有更深入的了解。图13为畸变转速1000r/min情况下的压升特性曲线,从图中可以看出,随着进气条件的进一步恶化,畸变对压气机性能造成的影响更加明显,与此同时,畸变对于流量的测试带来了更恶劣的影响,直接结果就是在畸变方向相反时,压升特性曲线的差距变大,对结果的准确性造成了一定的影响。但是从图中可以看出,相比800r/min畸变转速时的试验结果,此时机匣处理的扩稳能力有了明显提高,这一点在后面扩稳效果数据分析中体现得更为明显。图14给出了畸变转速为1000r/min时设计转速下压气机的效率特性曲线,由于实壁时的效率曲线在前文已多次展示,这之后的效率曲线中将不再标示实壁的试验结果。在正向畸变时,机匣处理的使用使压气机工作的峰值效率提高;在负向畸变时,机匣处理的使用使压气机工作的峰值效率下降。由此可见,不同畸变方向的前提下,机匣处理的使用对效率造成了截然相反的影响。图15为畸变转速为1200、1500r/min时的压升特性曲线,其结果与1000r/min时类似,在此不作更多的说明。图16给出了畸变转速为1200r/min和1500r/min时压气机的效率曲线,可发现此时效率呈现出与1000r/min时相同的特点,即:在正向畸变时,机匣处理的使用使压气机工作的峰值效率提高;在负向畸变时,机匣处理的使用使压气机工作的峰值效率下降。通过对畸变转速200~1500r/min不同情况下压气机工作效率结果的分析发现,800r/min的畸变转速为一个效率特性分水岭,畸变转速低于、等于、高于该值时压气机的效率变化呈现不同的特点。即便如此,不同工况下由机匣处理导致压气机效率的变化虽有正负差异,但是均处在试验测量效率的误差范围内,所以无法得出明确的结论。表2~表7给出了不同畸变程度下,新型机匣处理对压气机稳定裕度和工作效率影响的试验结果。从试验数据结果可以看出,在旋转进气畸变情况下,机匣处理具有较好的扩稳效果。畸变程度较小时,稳定裕度改善在10%左右,相比较而言,正向畸变时机匣处理的扩稳效果较好。从效率结果来看,机匣扩稳没有带来明显的效率损失。当畸变转速为800r/min时,机匣处理的扩稳能力虽然有所退化,在某些工况下,仅有1%~3%左右的扩稳效果,但此时可以使压气机的工作效率略有提高(1%~2%)。随着畸变转速的进一步提高,针对不同方向的旋转畸变,机匣处理明显呈现出不同的扩稳效果,正向畸变时机匣处理提高压气机失速裕度3%~10%,而反向畸变时,失速裕度均提高10%以上,甚至达到20%。图17给出了额定工作状态下不同畸变转速对压气机失速点流量系数的影响规律。其中,畸变转速为0r/min表示均匀来流条件下的压气机失速情况。从图中可以看出,在实壁机匣情况下,相比于均匀来流情况,畸变的引入导致压气机失速时的流量系数增大,而且正向畸变时失速点流量系数大于反向畸变时失速点流量系数,说明此时正向畸变给压气机稳定性带来更为严重的影响。当使用了新型机匣处理后,与相同畸变条件下的失速点对比可以发现,压气机失速点的流量系数明显减小,提高了压气机的稳定裕度。与此同时,针对本试验室用的单级压气机来说,无论是否使用新型机匣处理,负向畸变对于压气机流量裕度的影响都要小于正向畸变。值得关注的是机匣处理带来的压气机效率变化情况,如表4所述,在畸变转速为800r/min时,机匣处理的使用在获得一定的稳定裕度提升的前提下还提高了压气机效率;进一步提高畸变转速,在1000~1500r/min条件下,正向畸变时,机匣处理的使用同样在提高压气机稳定裕度的同时提高了压气机效率。而这种带有低穿孔率穿孔板和环形背腔的新型机匣处理的扩稳机理还需要进一步的试验和理论分析。6机表1,