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摘 要：本文对某四级轴流压气机的设计转速及部分转速下的性能特性进行了数值模拟研究。为了改善该压气机在部分转速下的“前喘后堵”现象，研究了采取端壁自循环处理措施对压气机裕度的影响。数值计算结果表明，端壁自循环处理能够较大程度的提高压气机的部分转速裕度，且端壁自循环处理还能提高100%转速下的裕度。通过详细的流场分析表明，通过端壁自循环处理大大提高了第一级转子尖部的轴向速度，进而减小了转子尖部的气流角，使得尖部的攻角减小，从而抑制的转子的叶尖失速。
关键词：多级轴流压气机;失速裕度;自循环机匣处理
多级轴流压气机作为航空发动机的核心部件之一，对整个动力系统的工作效率、可靠运行等有着极为重要的影响。为了实现更高的推重比，就需要单级压气机在保证高效率的前提下能够承受更大的载荷。然而级负荷的增加将会导致压气机稳定工作裕度降低。此外实际运行条件的复杂多变，压气机更多的是在非设计工况下运行，其高效、稳定的工作范围就受到了以旋转失速和喘振为典型代表的流动失稳的限制。现阶段实际工程应用中，为了提高压气机的稳定工作范围，有以下几种常见的拓稳措施：如压气机中间放气、可调进口导流叶片和静子叶片、机匣处理、叶顶喷气技术等一系列方法，这些扩稳技术措施对扩大压气机的稳定工作范围均起到一定的作用，但大部分是以牺牲效率和增加结构复杂性为代价的。
自循环机匣处理作为一种能够兼顾失速裕度和绝热效率两项主要性能指标的控制方法，在离心压气机里面应用和研究的比较广泛，因为离心压气机设计比较紧凑，自循环机匣处理在离心压气机里面具有其独特的优势。FISHER[1]于1989年率先进行了自循环机匣处理试验研究，试验证明机匣处理结构前后槽压差是自循环回流流动的驱动力。随后HUNZIKER等[2-5]在高速离心压气机进口设计了环状槽自循环机匣处理结构，推迟了旋转失速的发生。2004年NASA的STRAZISAR[6]在Stage35上进行了初步自引气数值计算和试验研究，最大引气量为主流流量0.9%时，能够实现2%～6%的失速裕度改善。2011年英国剑桥大学的DAY [7]重新对自循环喷气的结构（包括抽气/喷气位置、抽气/喷气孔形状等参数）进行优化，并通过试验测量了自循环喷气的最佳扩稳效果，发现对于以突尖型失速先兆进入失速状态的压气机，在动叶叶顶布置24个自循环回路，能够获得6.1%的稳定性裕度提升，峰值效率仅下降0.8%。可以看出，目前对自循环喷气在轴流压气机上的扩稳效果在一定程度上得到证实和认可。
本文将以某四级轴流压气机为例，研究在多级环境下的自循环机匣处理对压气机的稳定性影响机理。
1 研究对象
本文研究的对象为某发动机的低压压气机，该压气机结构形式为四级轴流。由于该压气机负荷较高，在部分转速下可能面临裕度不足的风险，故尝试使用端壁自循环技术扩大該压气机的部分转速稳定工作范围。
2 数值计算方法
以端壁自循环处理采用NUMECA/ AutoGrid5模块生成流道内网格。喷嘴采用ANSYS Meshing划分的四面体非结构化网格，边界层采用三棱柱网格加密如图1所示。图2为引气部分网格采用IGG划分结构化网格。轴流级转子叶片叶尖间隙为0.25mm，过渡段支板和轴流级静子叶片根部无间隙。本文采用ANSYS CFX软件完成各工况下的三维数值模拟。本文采用定常计算，求解三维定常的Navier-Stokes方程组，采用高分辨率格式和K-E湍流模型，转静子之间采用混合平面模型。同时，计算中使用多核并行计算技术以加快收敛速度。本文中自循环喷嘴位于第一级转子前的导叶计算域内，引气口位于第二级静子后。因为引气和喷气位置的周期数不相等，在使用单通道网格计算时不便于将喷嘴和引气块使用整体网格连接，故而在此处使用了CFX的CEL函数边界设置方法，构成一个交叉引用边界条件保证喷嘴与引气口的通量守恒。
3 结果分析
3.1 总性能分析
如图4所示，为端壁自循环处理相对于原始设计的部分转速特性图，表1为端壁自循环与原始设计裕度对比。由图4a可以明显看出，端壁自循环机匣处理在各个转速范围内均能够使喘振边界点左移，相比于原始设计，每个转速下的喘点压比更高。由此表明自循环机匣处理能更好地扩宽该轴流压气机的稳定工作范围。此外由图4b可以发现，相比于原始设计，添加自循环机匣处理后，由于引气回路损失及喷气掺混损失，该压气机的效率有所下降。
3.2 流场特征分析
为了分析端壁自循环的扩稳机理，选取100%转速下近失速点的实壁机匣和添加端壁自循环处理的两个总压比接近的算例作对比分析，分别选取第一级转子进口轴向速度的展向分布图作为对比。如图5所示，由该图可以发现，通过自循环机匣处理大大提高了一级转子前缘90%以上叶高范围内的轴向速度，且90%以下叶高的轴向速度也有所增加。图6为第一级转子进口气流角的展向分布图，由此图可以发现90%叶高以上的转子进口气流角有较大幅度的减小，90%叶高以下的转子进口气流角也有一定幅度的减小。由图5、图6可以看出通过端壁自循环处理大大提高了第一级转子尖部的轴向速度，进而减小了转子尖部的气流角，使得尖部的攻角减小，进而降低转子叶尖的负荷，从而抑制的转子的叶尖失速。
图7为第一级转子叶尖泄漏流的示意图，图中左侧为实壁机匣的叶尖泄漏流线图，右侧为添加自适应机匣处理的叶尖泄漏流线图。由图可以发现添加端壁自循环处理后的转子叶尖泄漏流受到了抑制，叶尖通道的堵塞效应减小，使得该区域的流动变得更稳定。
4 结论
本文以多级轴流压气机为例，对比研究了实壁机匣与自适应机匣处理的压气机多个转速下数值模拟结果，获得主要结果如下：
（1）自适应机匣处理在包括100%转速下的多个转速下均能扩大压气机的裕度;
（2）自适应机匣处理后， 抑制了间隙流的发展， 并有效地改善叶顶区的气流进气角、出气角及进口轴向速度。同时还抑制叶背附面层的分离， 极大改善了叶片通道顶部区域的流动状况;
（3）本文中的自适应机匣处理对压气机效率造成了一定的负面影响;
本文中自适应机匣处理只是为了研究多级环境下的扩稳机理，并未针对工程应用进行优化设计，后续将针对具体应用展开喷嘴、引气口的优化工作，以期减小对压气机效率的影响。
参考文献：
[1]Leishman B.A.， Cumpsty N.A. Mechanism of the Interaction of a Ramped Bleed Slot with the Primary Flow [J]. ASME Journal of Turbomachinery， 2007， 129（10）：669～678.
[2]张皓光，楚武利，吴艳辉，张夏. 轴向间隙引气对双级轴流式压气机性能及流场影响的数值研究[J]. 流体机械，2006，34（7）：24-27.
[3]邓皞，顾春伟，薛耀华，马文生. 压气机级间抽气的数值模拟[J]. 工程热物理学报，2008，29（2）：40-42.
[4]Anthony J. Strazisar， Michelle M. Bright， Scott Thorp.COMPRESSOR STALL CONTROL THROUGH ENDWALL RECIRCULATION[C]. ASME Paper No GT2004-54295.
作者简介：
吴俊峰（1988—），男，汉族，湖北黄冈人，硕士，工程师，研究方向：压气机气动设计及稳定性。
关键词：多级轴流压气机;失速裕度;自循环机匣处理
多级轴流压气机作为航空发动机的核心部件之一，对整个动力系统的工作效率、可靠运行等有着极为重要的影响。为了实现更高的推重比，就需要单级压气机在保证高效率的前提下能够承受更大的载荷。然而级负荷的增加将会导致压气机稳定工作裕度降低。此外实际运行条件的复杂多变，压气机更多的是在非设计工况下运行，其高效、稳定的工作范围就受到了以旋转失速和喘振为典型代表的流动失稳的限制。现阶段实际工程应用中，为了提高压气机的稳定工作范围，有以下几种常见的拓稳措施：如压气机中间放气、可调进口导流叶片和静子叶片、机匣处理、叶顶喷气技术等一系列方法，这些扩稳技术措施对扩大压气机的稳定工作范围均起到一定的作用，但大部分是以牺牲效率和增加结构复杂性为代价的。
自循环机匣处理作为一种能够兼顾失速裕度和绝热效率两项主要性能指标的控制方法，在离心压气机里面应用和研究的比较广泛，因为离心压气机设计比较紧凑，自循环机匣处理在离心压气机里面具有其独特的优势。FISHER[1]于1989年率先进行了自循环机匣处理试验研究，试验证明机匣处理结构前后槽压差是自循环回流流动的驱动力。随后HUNZIKER等[2-5]在高速离心压气机进口设计了环状槽自循环机匣处理结构，推迟了旋转失速的发生。2004年NASA的STRAZISAR[6]在Stage35上进行了初步自引气数值计算和试验研究，最大引气量为主流流量0.9%时，能够实现2%～6%的失速裕度改善。2011年英国剑桥大学的DAY [7]重新对自循环喷气的结构（包括抽气/喷气位置、抽气/喷气孔形状等参数）进行优化，并通过试验测量了自循环喷气的最佳扩稳效果，发现对于以突尖型失速先兆进入失速状态的压气机，在动叶叶顶布置24个自循环回路，能够获得6.1%的稳定性裕度提升，峰值效率仅下降0.8%。可以看出，目前对自循环喷气在轴流压气机上的扩稳效果在一定程度上得到证实和认可。
本文将以某四级轴流压气机为例，研究在多级环境下的自循环机匣处理对压气机的稳定性影响机理。
1 研究对象
本文研究的对象为某发动机的低压压气机，该压气机结构形式为四级轴流。由于该压气机负荷较高，在部分转速下可能面临裕度不足的风险，故尝试使用端壁自循环技术扩大該压气机的部分转速稳定工作范围。
2 数值计算方法
以端壁自循环处理采用NUMECA/ AutoGrid5模块生成流道内网格。喷嘴采用ANSYS Meshing划分的四面体非结构化网格，边界层采用三棱柱网格加密如图1所示。图2为引气部分网格采用IGG划分结构化网格。轴流级转子叶片叶尖间隙为0.25mm，过渡段支板和轴流级静子叶片根部无间隙。本文采用ANSYS CFX软件完成各工况下的三维数值模拟。本文采用定常计算，求解三维定常的Navier-Stokes方程组，采用高分辨率格式和K-E湍流模型，转静子之间采用混合平面模型。同时，计算中使用多核并行计算技术以加快收敛速度。本文中自循环喷嘴位于第一级转子前的导叶计算域内，引气口位于第二级静子后。因为引气和喷气位置的周期数不相等，在使用单通道网格计算时不便于将喷嘴和引气块使用整体网格连接，故而在此处使用了CFX的CEL函数边界设置方法，构成一个交叉引用边界条件保证喷嘴与引气口的通量守恒。
3 结果分析
3.1 总性能分析
如图4所示，为端壁自循环处理相对于原始设计的部分转速特性图，表1为端壁自循环与原始设计裕度对比。由图4a可以明显看出，端壁自循环机匣处理在各个转速范围内均能够使喘振边界点左移，相比于原始设计，每个转速下的喘点压比更高。由此表明自循环机匣处理能更好地扩宽该轴流压气机的稳定工作范围。此外由图4b可以发现，相比于原始设计，添加自循环机匣处理后，由于引气回路损失及喷气掺混损失，该压气机的效率有所下降。
3.2 流场特征分析
为了分析端壁自循环的扩稳机理，选取100%转速下近失速点的实壁机匣和添加端壁自循环处理的两个总压比接近的算例作对比分析，分别选取第一级转子进口轴向速度的展向分布图作为对比。如图5所示，由该图可以发现，通过自循环机匣处理大大提高了一级转子前缘90%以上叶高范围内的轴向速度，且90%以下叶高的轴向速度也有所增加。图6为第一级转子进口气流角的展向分布图，由此图可以发现90%叶高以上的转子进口气流角有较大幅度的减小，90%叶高以下的转子进口气流角也有一定幅度的减小。由图5、图6可以看出通过端壁自循环处理大大提高了第一级转子尖部的轴向速度，进而减小了转子尖部的气流角，使得尖部的攻角减小，进而降低转子叶尖的负荷，从而抑制的转子的叶尖失速。
图7为第一级转子叶尖泄漏流的示意图，图中左侧为实壁机匣的叶尖泄漏流线图，右侧为添加自适应机匣处理的叶尖泄漏流线图。由图可以发现添加端壁自循环处理后的转子叶尖泄漏流受到了抑制，叶尖通道的堵塞效应减小，使得该区域的流动变得更稳定。
4 结论
本文以多级轴流压气机为例，对比研究了实壁机匣与自适应机匣处理的压气机多个转速下数值模拟结果，获得主要结果如下：
（1）自适应机匣处理在包括100%转速下的多个转速下均能扩大压气机的裕度;
（2）自适应机匣处理后， 抑制了间隙流的发展， 并有效地改善叶顶区的气流进气角、出气角及进口轴向速度。同时还抑制叶背附面层的分离， 极大改善了叶片通道顶部区域的流动状况;
（3）本文中的自适应机匣处理对压气机效率造成了一定的负面影响;
本文中自适应机匣处理只是为了研究多级环境下的扩稳机理，并未针对工程应用进行优化设计，后续将针对具体应用展开喷嘴、引气口的优化工作，以期减小对压气机效率的影响。
参考文献：
[1]Leishman B.A.， Cumpsty N.A. Mechanism of the Interaction of a Ramped Bleed Slot with the Primary Flow [J]. ASME Journal of Turbomachinery， 2007， 129（10）：669～678.
[2]张皓光，楚武利，吴艳辉，张夏. 轴向间隙引气对双级轴流式压气机性能及流场影响的数值研究[J]. 流体机械，2006，34（7）：24-27.
[3]邓皞，顾春伟，薛耀华，马文生. 压气机级间抽气的数值模拟[J]. 工程热物理学报，2008，29（2）：40-42.
[4]Anthony J. Strazisar， Michelle M. Bright， Scott Thorp.COMPRESSOR STALL CONTROL THROUGH ENDWALL RECIRCULATION[C]. ASME Paper No GT2004-54295.
作者简介：
吴俊峰（1988—），男，汉族，湖北黄冈人，硕士，工程师，研究方向：压气机气动设计及稳定性。