可调进口导叶和叶片角向缝处理机匣相互作用的实验研究及机理分析_楚武利

2014年9月第35卷第9期推进技术JOURNALOFPROPULSIONTECHNOLOGYSep.2014Vol.35No.9可调进口导叶和叶片角向缝处理机匣相互作用的实验研究及机理分析*楚武利1，2，申凯1（1.西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072；2.先进航空发动机协同创新中心，北京100191）摘要：可调进口导叶和叶片角向缝处理机匣都能扩大压气机的稳定工作范围，为了分析同时采用这两种措施对压气机稳定性的影响及二者之间相互作用的机理，在单转子轴流压气机实验台上对不同导叶弯角下实壁机匣和叶片角向缝机匣进行了详细的实验测试。同时，对导叶弯角为+10°的每一种机匣结构和导叶0°的实壁机匣结构进行了数值模拟，数值模拟结果与实验结果符合良好，相对于导叶0°的实壁机匣，实验及数值模拟结果均表明，导叶正弯角结合叶片角向缝机匣处理结构能更好地扩大压气机的稳定工作裕度。对转子流场进行对比分析可得，导叶正预旋能抑制叶背气流的分离，提高压气机的稳定工作范围，但仍然没有改变转子叶尖部诱发失速的流动现象，而叶片角向缝主要是通过对叶顶气流的抽吸作用抑制了间隙泄漏流达到扩稳效果，因此耦合时能独立发挥各自的扩稳作用，从而能获得比单独使用任何一种方法都要更大的稳定工作范围的提升。关键词：可调导叶；机匣处理；轴流压气机；失速裕度中图分类号：V231.3文献标志码：A文章编号：1001-4055（2014）09-1209-07DOI：10.13675/j.cnki.tjjs.2014.09.009ExperimentInvestigationandMechanismAnalysisofInteractionofVariableInletGuideVanesandAxialSkewedSlotsCasingTreatmentCHUWu-li1，2，SHENKai1（1.SchoolofPowerandEnergy，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China；2.CollaborativeInnovationCenterofAdvancedAero-Engine，Beijing100191，China）Abstract：Thevariableinletguidevanesandaxialskewedslotscasingtreatmentareeffectivemeasuresthatcanextendtheoperatingrangeofcompressor.Inordertoanalyzethemechanismoftheinteractionofthesetwomeasures，thedifferentguidevanesanglewithoriginalsmoothwallaswellasslotsconfigurationweretestedonasingle-rotorcompressor.Atthesametime，theguidevaneangleof10°witheachcasingconfigurationandtheguidevaneangleof0°withoriginalsmoothwallconfigurationaresimulated.Theresultsofexperimentandcal⁃culationshowthattheintroductionofthesetwokindsofmeasurescangaingreaterimprovementofthestallmar⁃gin.Thedifferenceoftheflowfieldsoftherotorwasanalyzed.Thepositiveangleoftheinletguidevanecanweak⁃entheseparationofsuctionpartflow，butitdoesnotchangethephenomenonofthestallinducedattipofthero⁃torblade.Theaxialskewedslotscanweakenthestructureoftipleakagevortextogettheimprovementofthestallmargin.Thedifferentmechanismofthesetwomeasurescanmakesurethatusingthesetwomeasuresatthesame*收稿日期：2013-10-10；修订日期：2014-11-01。基金项目：国家自然科学基金重点项目（51236006）。作者简介：楚武利（1963—），男，教授，研究领域为叶轮机械气动热力学。E-mail：[e-mail]1210推进技术2014年timecangaingreaterimprovementofthestallmargin.KeyWords：Variableinletguidevanes；Casingtreatment；Axialflowcompressor；Stallmargin1引言可调叶片技术与机匣处理技术均是目前得到广泛采用的扩稳措施。由于静叶可调结构简单，且通常情况第一级叶排性能的好坏直接影响着后面级，故一般都采用可调进口导叶来改善压气机的性能。可调进口导叶又分为不变弯度和变弯度两种［1］。文献［2］对变弯度进口导叶进行了实验研究，分析了其对压气机性能及基元级性能的影响。国外也针对这种变几何导叶开展过广泛深入的试验研究［3～6］。机匣处理技术是国内外均广泛研究并采用的扩稳技术，文献［7］在总结前人研究工作基础上明确了机匣处理可以提高压气机的裕度，但同时也降低了压气机的效率。对于叶片角向缝这类缝式处理机匣［8］，文献［9］给出了缝式处理机匣对转子基元性能的影响，文献［10，11］给出了国外对缝式机匣的实验研究。国内对此也做过大量研究［12～15］，文献［12］对亚声速压气机转子通道与处理机匣的耦合作用进行了非定常分析，进一步揭示了处理机匣的扩稳机理。文献［15］研究了结合轴向斜缝和叶片角向缝优点设计的折线缝式机匣的扩稳机理。虽然对可调叶片和处理机匣技术都做过大量的研究，但对他们相互作用的研究几乎没有，很有必要开展一些基础性的研究，因此本文针对可调导叶与叶片角向缝之间的相互作用机理进行研究。2实验研究2.1压气机试验台和变几何导叶及处理机匣结构本文的研究对象为西北工业大学单级轴流压气机试验台的孤立转子，该转子的主要结构参数：叶片数30，转子顶部直径0.298m，进口轮毂比0.61，平均展弦比1.94，叶顶稠度0.96。其主要设计参数：设计流量为5.6kg/s，总压比1.249，转速15200r/min，叶尖相对马赫数0.78，绝热效率0.92。实验时的换算转速为8130r/min，相对换算转速nˉ=0.54。该转子的不稳定工况首先在叶尖部诱发，然后波及全叶高。实验前将静子叶片后移，仅起整流作用，对孤立转子进行实验。可调进口导流叶片的结构如图1，该导叶是一个两段式的可变弯度导流叶片，前段为固定部分，后段可绕其自身轴旋转，从而改变出口气流方向，实验时通过机匣上的刻度来反映导叶角度改变的大小。进口导叶的主要几何参数为：叶片数28，从根部到尖部的弦长均为0.03m，轮毂直径0.182m，叶片尖部直径0.298m，导叶尾缘与转子根部前缘点距离为0.025m。角向缝处理机匣的结构如图2所示，其主要结构参数：开缝面积比为67%，缝片厚与缝宽之比约为0.5，缝深为11mm。其中角向缝与轴向成37°10′夹角。143道角向缝覆盖了30个转子叶片通道，其宽度覆盖了转子叶顶的整个轴向宽度。αFig.1Diagramoftwosectiontypevariableinletguidevane37°10′1.75.2Fig.2Schematicdiagramofaxialskewedslotscasingtreatment（mm）2.2实验结果及分析本文对导叶弯角（以速度预旋与转子切线速度同向者定为正，反之为负）为-10°，0°，+10°，+20°的叶片角向缝处理机匣和实壁机匣结构及不带导叶的两种机匣结构进行了实验研究。为了便于分析比较可调导叶和叶片角向缝处理机匣结构对总性能的影响，采用了如下几个参数。失速裕度改进量为SM=æèçöø÷πcmcπsms-1×100%（1）πc，mc采用改进技术后压气机近失速点的压比与流量；πs，ms原始的不加可调导叶的实壁机匣压气机近失速点的压比与流量。第35卷第9期可调进口导叶和叶片角向缝处理机匣相互作用的实验研究及机理分析1211峰值效率改进量的百分数ηˉm，它按下式定义ηˉm=éëêêùûúú()ηmc()ηms-1×100%（2）()ηmc，()ηms分别采用改进技术的和原始的压气机转子的峰值效率。图3（图中SW表示实壁机匣；“/”后跟的数字代表导叶弯角）给出了不同导叶弯角下实壁机匣的转子特性曲线，从图中分析可得：在实验所测的角度范围内随着导叶弯角从负角度到正角度的变化，转子压比减小，边界点左移，效率变化并没有呈现一定的规律性。这种变化趋势与冲角变化对转子性能的影响是一致的。导叶角度向正方向偏斜，与零弯角相比，转子在正预旋条件下工作，冲角为负冲角，冲角减小，在气流不发生分离的前提下，转子出口落后角变化不大，叶型损失变化也不大，所以，ΔWu减小，进而，转子压比减小。而由效率公式η*k=L*ad,k/Lu，Lu减小了，但是L*ad,k也随着变化，所以效率的变化依赖于L*ad,k的变化幅度。从表1的数据也可以看出对安装叶片角向缝处理机匣结构的压气机转子同样能得到这一规律。Table1ImprovementofstallmarginandpeakefficiencythatvariousimprovementmeasuresarecomparedwiththeoriginalisolatedrotorMethodNoinletguidevane，axialskewedslotsGuidevaneangle-10°，smoothwallGuidevaneangle0°，smoothwallGuidevaneangle+10°，smoothwallGuidevaneangle+20°，smoothwallGuidevaneangle-10°，axialskewedslotsGuidevaneangle0°，axialskewedslotsGuidevaneangle+10°，axialskewedslotsGuidevaneangle+20°，axialskewedslotsSM/%21.0-4.0-0.19.029.815.029.843.268.9ηˉm/%-10.9-5.0-2.4-4.8-0.6-10.2-3.5-10.1-9.6图4（图中CT表示叶片角向缝处理机匣，其他含义和图3相同）给出了导叶弯角0°和+10°两种机匣结1.11.091.081.071.061.051.041.031.02Totalpressureratio1.522.533.544.55Massflow/(kg/s)SW/-10SW/0SW/+10SW/+20N=8130r/min10.950.90.850.80.750.70.650.6Isentropicefficiency1.522.533.544.55Massflow/(kg/s)SW/-10SW/0SW/+10SW/+20N=8130r/min1.11.091.081.071.061.051.041.031.02Totalpressureratio1.522.533.544.55Massflow/(kg/s)CT/0SW/0CT/+10SW/+10N=8130r/min10.950.90.850.80.750.70.650.6Isentropicefficiency1.522.533.544.55Massflow/(kg/s)CT/0SW