带导叶的轴流压气机性能试验研究

带导叶的轴流压气机性能试验研究

1渐变几何导叶由于其良好的扩稳性和经济性，二维压缩技术得到了广泛应用。大量研究用的和工业用的压气机均采用了变几何可调叶片。可调叶片分为动叶可调和静叶可调,由于后者结构简单,故被广泛应用。正常情况下,第一级叶排性能的好坏直接影响着后面级,故一般高性能压气机都采用可调进口导流叶片来改善非设计状态下第一级的性能。可调进口导叶又分为不变弯度和变弯度两种。不变弯度是靠叶片绕自身的旋转轴旋转以改变安装角;而变弯度叶片从结构上来说不再是一个整体,它可以分为两段或几段,前段固定,后段用来调整安装角。近年来,这种变弯度叶片已开始广泛应用起来。采用这种导叶既能有效地保证非设计工作状态下转子进口气流方向与叶片几何角度的匹配,又不至于过多损害压气机设计点的性能。如F-100加力式涡轮风扇发动机,在风扇进口处就采用了这种变弯度进口导流叶片,以改善风扇的性能。国外针对变几何导叶开展了广泛深入的试验研究,文献就可变几何导叶和静叶对拓宽压气机稳定工作范围进行了深入细致的试验研究,文献就轴流压气机在设计时考虑变几何叶片这一因素展开了研究,文献中介绍了变弯度进口导流叶片环形叶栅的试验结果,文献中就可变弯度导叶对压气机工作性能的影响展开了研究。虽然国内研制或改型的几个机种都采用了变几何叶片这一技术,但技术储备明显不足,很有必要开展一些应用基础性的研究。2气流方向的变化变几何进口导流叶片的结构如图1,从图中可知其为两段式可变弯度导流叶片,前段为固定部分,安装时沿轴向,后段可绕其自身轴旋转,从而可改变出口气流方向,其改变角度的大小可通过机匣上的刻度反映出来。进口导叶从根到尖弦长均为0.03m,进口导叶轮毂直径0.182m,叶顶直径0.298m,叶片数为28片,导叶尾缘与转子根部前缘点距离为0.025m。导叶进出口、转子出口、静叶出口的总压、静压、总温及气流方向的测量采用组合式尖劈三孔压力探针来完成,功率是通过扭力测功仪测量扭矩来得到的。本文实验是在设计转速11500转/分和非设计转速9200转/分下进行的。3叶片高度预旋2度对压力飞机性能的影响3.1进口导叶全叶高预旋2度、2度前后的最高效率为了便于比较,将进口导叶预旋角度为0度、2度及端弯2度三种情况下的性能曲线画在一起进行分析对比,图2中0表示预旋角度为0度,2表示正预旋角度为2度,dw表示端部正预旋角度为2度,端部正预旋时,在导叶尖部尾缘的三角形区域内实施端弯技术,该区域为一个两个直角边分别为6毫米(沿叶高)和3毫米(沿弦长方向)的直角三角形。图2给出了设计转速下的级性能图,从效率随流量变化曲线可以看出,进口导叶全叶高预旋2度后,整个级的最高效率几乎没有什么变化,仍维持在0.89左右,进口导叶预旋角为0度时,最高效率出现在边界附近。当进口导叶全叶高预旋2度时,最高效率出现在略大于边界流量的地方。所不同的只是边界点的效率值降低。究其原因,则是进口导叶正预旋2度后,虽然稳定工作范围扩大了,但在边界附近的转子叶片背面损失增大,效率降低1%左右。较为明显的效率变化范围出现在大流量点附近,进口导叶全叶高预旋2度后,大流量范围内的效率降低较大,达3%左右,这也是由于导叶预旋造成的。大流量附近,动叶进口轴向速度较高,可能处于负攻角状态下工作,导叶正预旋后,更加剧了这一状态,使得动叶叶盆的气流分离加剧,损失扩大,效率降低。进口导叶全叶高预旋2度后,最大的作用就是扩大了压气机的稳定工作范围,使喘振裕度由原来的15%,扩大为18.2%,图上标出的最小流量即为稳定边界点流量,低于该流量则出现不稳定流动。进口导叶全叶高正预旋2度后,并没有改变压比随流量在整个流量范围内的变化趋势,仍然是随流量减小而增加,在出现极值以前,进入非稳定工作状态。在非设计转速下效率、压比随流量变化曲线,其基本走势与图2相同,只是变化的量级稍有区别。对于效率而言,边界点效率与最高效率在导叶预旋前后基本持平,最高效率为0.89,边界效率为0.88,对于喘振裕度而言,导叶全叶高预旋2度,压比下降的幅度略小一些,在稳定工作边界点附近,压比下降仅有4%左右。3.2基元冲角的沿径分布基元性能反映了沿叶高一些参数的变化情况,图3给出了设计转速下近失速点的级基元压比的沿径分布。图中横坐标为压比,纵坐标为径向相对位置,即径向位置与叶顶半径之比。从图中可以看出导叶全叶高预旋后,失速边界点上基元压比的减小并不是沿叶高均匀出现的,而是叶中部及叶根部减小较多,叶尖部基本持平;基元压比的沿径分布规律并没有改变,仍然是叶尖部较高,至叶根部逐渐减小,在叶尖区域基元压比并没有降低,这说明在转子尖部区域因进口导叶预旋,流动状况得以改善,损失减小,虽然对气流做功略有下降,但用于增压的等熵功却没有减小。图4给出了设计转速下近失速点的转子叶片基元冲角的沿径分布。从图中参数变化可以看出,导叶全叶高预旋后,冲角的变化是叶尖部增大,叶根部减小,就截面平均值来说,几乎不变,或者说,虽然导叶全叶高预旋后扩大了稳定工作范围,但失速临界状态下可承受的气流冲角并没有改变,导叶全叶高预旋后,叶尖部冲角最大的现象没有改变,仍然是转子叶尖部诱发失速,叶尖部出现正冲角,叶根部及叶中部在失速发生前仍然维持负冲角。4端部预旋的影响从图2中可看出,无论是采用全叶高预旋或是端部预旋,它们都能起到扩大压气机稳定工作范围的作用,只是把进口导叶全叶高预旋后,扩稳的效果略好一些;两种预旋都使级的压比略有降低,所不同的也只是压比降低的幅度而已,端部预旋由于仅仅影响着转子叶片尖部区域的流动,所造成的压比降低要小一些。从效率的角度讲,基本都能维持级的最高效率。只是边界效率略有降低,端部预旋情况下基本持平,相比较而言,端部预旋对于效率来说,还要好一些,这正是端部预旋解决了端部区域分离区的具体起现,尤其在大流量区域,端部预旋后效率明显改善一些,个别点接近2%。5稳定工作边界工况下,叶片不带预旋,则根据变化的趋势,易引起叶盆气流的分离图5给出了设计流量工况下及稳定工作边界工况下由于导叶正预旋所造成冲角变化的示意图。从中可看出,在设计流量下,当导叶角度为0度时,相对速度与叶片匹配良好,这时若采用正预旋,则易引起叶盆气流的分离;在稳定工作边界工况下,不带预旋时,叶背易分离,带正预旋后,减小了气流与叶片的冲角,推迟了分离,扩大了稳定工作范围。实验中所用的单级轴流压气机,失速首先起源于叶尖,由叶尖触发失速,然后扩展到叶中及叶根,这种情况下进口导叶端部预旋完全可取代全叶高预旋,达到几乎相同的扩稳效果,压比虽然略有降低,但能维持整个级的最高效率,在大流量范围内,效率还能略有提高。6进口导叶旋压机的压比1)进口导叶全叶高预旋或端部预旋,都能够起到扩大压气机级稳定工作范围的作用,全叶