喷水对风扇压气机性能的影响

薛文鹏， 望 佳， 孙 科

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

现代飞机要求在恶劣气候条件下能安全飞行，在所有较为恶劣的气候中，雨雾天气最为常见，并且吸入对航空发动机的影响也最为明显。飞机在起飞和降落时，航空发动机来流空气流量较小，若此时雨水进入航空发动机，势必会对航空发动机造成极大的影响。民用飞机在航线飞行中难免会遇到降雨、冰雹等复杂恶劣的天气，飞机如果遭遇这类恶劣环境，其配装的发动机将很有可能吸入外物，进而影响其进气道流场、发动机的强度和性能。在航空飞行史上曾多次发生由于飞机吸雨导致的严重空难。因此各国的航空发动机适航审定标准都对发动机的抗吸雨工作能力做了明确规定，美国联邦航空局(FAA)和欧洲航空安全局(EASA)均颁布了关于吸雨的适航规定[1-3]，对极端雨量环境下发动机的性能和结构强度完整性提出了安全要求。任何一款新研民用航空发动机装机前必须取证，以表明满足相关条款的要求。

航空发动机吸入水汽或水滴后，会对航空发动机产生较大影响，严重时甚至有可能导致压气机喘振、燃烧室熄火等安全问题[4]。所以，研究喷水对于风扇性能的影响是很有必要的。

美国和欧洲的航空工业协会、各发动机制造厂商以及各大高校均开展了许多关于极端雨量环境条件下发动机功率损失和不稳定现象的研究。其中，美国普渡大学Murthy教授等[5]对于发动机来流含水时的性能做了详细的研究，并对ALLSON T63六级压气机的吸水性能做了全面的试验研究，并利用程序结果对试验的准确性进行了验证。此后，美国空军基地、NASA和美国航空工业相关的科研院所[6-12]都对发动机吸雨性能展开了研究，并取得了一定的成果。国内对于压气机喷水的研究较少。近年来，国内也加强了对喷水的研究。旷桂兰[13]和邢洋[14]等也对此进行了研究，陆续开展航空发动机的吸雨试验考核验证，以确定发动机抵抗吸雨的能力，确保发动机在降雨条件下的可靠运行。

针对某四级风扇压气机，首先分析了其在非设计工况下的特性，其次研究了在来流含小水滴、大水滴或是混合水滴时，风扇压气机的性能变化，获取不同工况下风扇的特性，分析不同雨滴吸入条件对风扇压比和效率的影响，为分析风扇在吸雨条件下的工作性能分析提供支撑。

1 程序算法分析

本文在一维级叠加法的基础之上，采用平均流管的方法，计算压气机的性能参数。当压气机来流不含水时，假定来流气体是一维定常的，并且其满足理想气体状态方程的条件下，计算风扇压气机的压比、效率、损失系数等。当来流含水时，将损失模型加入到来流不含水的算法中，便可以计算出来流含水时压气机的性能。

1.1 来流不含水的算法分析

当来流不含水时，假设来流无粘、绝热、一维定常流动，并且满足理想气体状态方程。运用基本理论导出风扇压气机的压比、效率。

由于已知压气机进口总温和总压，利用速度三角形的几何关系，可以循环迭代得到压气机的进口马赫数Ma，利用进口马赫数和速度三角形关系，循环迭代得到气流在转子出口的轴向速度Vz2。最后计算转子出口气流总压P02。

(1)

式中，P2为静压；M2为出口气流马赫数；γ为气体比热比。

静子进出口总压P03与转子出口气流总压之间的关系可以表述为

(2)

则各级的增压比π可以表示为

(3)

各级的效率η可以表示为

(4)

通过以上过程的迭代计算，便可以得到给定的风扇压气机某一级的性能参数，通过逐级计算便可以得到整台压气机的性能参数。

1.2 来流含水的算法分析

对于航空发动机轴流压气机来说，当来流为两相流时，由于压气机的工质发生了变化，压气机的特性也较来流为单一气相流体时会有较大的不同。

1.2.1 质量和热量传递

在吸雨情况下，蒸发量由液滴表面和气流之间的浓度表示为

(5)

式中，ml为液体的质量；d为液滴的直径；D为扩散系数；vd，v∞分别为液体的浓度和自由流的浓度。

(6)

(7)

努塞尔数(Nu)可以表示为

Nu=2+0.6×Re0.33×Pr0.33

(8)

式中，Re为雷诺数；Pr为普朗特数；可表示为

(9)

式中，μ为动力黏度。

1.2.2 液滴轨迹模型

气体中液滴运动可以用拖曳力FD表示，忽略重力、浮力影响：

(10)

式中，d为液滴的直径；ρ为液滴的密度；cd，cg分别为液滴和气流的速度。考虑液滴变形的影响，阻力系数CD可表示为

(11)

式中，a1，a2，a3，a4为液滴形状和雷诺数Re的函数[15]。

1.2.3 液滴破裂

水滴在气流中运动，液滴破裂取决于韦伯数We和奥内佐格数Oh。这两个参数都可以用来表征水滴受到的气动载荷。

(12)

(13)

韦伯数表示气动力与液滴表面张力之间的关系，而奥内佐格数考虑黏度的影响。液滴不同的破碎机制取决于韦伯数和奥尼索格数[16]。

1.3 水滴直径分布分析

对于航空发动机轴流压气机，当来流含水时，水滴直径的大小对于其在压气机内部的运动形式有着一定的影响。所以本文研究中，将水滴分为两类：小水滴和大水滴。小水滴在进入发动机后，随着气体一起流动，并且两者之间没有相对运动，其直径的数量级大约在10 μm左右。对于大水滴来说，可以在压气机内部独自运动，其数量级大约在1000 μm左右。

2 程序输入参数的整理

2.1 几何参数的整理

对于某四级风扇压气机，首先建立其三维模型，如转子入口处根部半径、转子入口处叶尖半径、静子入口处根部半径、静子入口叶尖半径、转子级之间的间隙、静子级之间的间隙等。利用中径处叶片的前后缘坐标参数，通过计算得到转子安装角、静子安装角、转子弦长、静子弦长等几何参数。利用参数化拟合得到风扇转子进口几何角、转子出口几何角、静子进口几何角、静子出口几何角等参数。由于此四级风扇压气机后两排叶片为串列静子，为了简化计算过程，串列静子在不改变其进口几何角、出口几何角、安装角等几何参数的前提下，将其参数化为一排叶片。该四级风扇压气机的几何模型如图1所示。

2.2 设计点状态参数的整理

根据该四级风扇压气机的进口条件(进口总压为101325 Pa，进口总温为288.15 K)和设计状态下的参数，设计点压比πdes，设计点流量Wa,des。根据建立的仿真模型计算该风扇从第一级到第四级的转子压比分别为πdes，1，πdes，2，πdes，3，πdes，4，级效率分别为ηdes，1，ηdes，2，ηdes，3，ηdes，4。静子出口绝对气流角(度)分别为αdes，1，αdes，2，αdes，3，αdes，4。由此可知该风扇压气机的总压比为πdes,sim，来流空气质量流量为Wa,des,sim。

经与设计点参数对比，设计点压比的仿真精度为1.2%，流量仿真精度为1.8%，可以认为该误差符合工程应用的场景，因此采用上述模型进行雨滴吸入对风扇性能的影响。

3 来流不同时压气机性能分析

3.1 来流不含水时压气机性能分析

为了获取该风扇在来流为干空气时的特性，采用上述模型对来流不含水的工况进行仿真，该四级风扇压气机在给定设计转速的100%，95%，90%，85%，80%，75%的工况下的部件特性如图2所示。

图2 风扇压气机的总特性图

由图2可知，随着转速的降低，风扇等换算转速向坐标系的左下方移动。对某一等转速线，压比、效率变化梯度均较大，微小流量变化就会引起特性的剧烈变化。当流量减小时，压比会迅速增大，当压比增大到某一值时，流量的减小对压比的影响较小，若流量持续减小，压气机就会进入不稳定工况，甚至引起喘振和失速。而对于某个转速下的流量效率曲线，随着流量的减小，风扇压气机的效率先增大后减小，若流量继续减小，则风扇压气机会进入不稳定工况。

3.2 来流含小水滴时压气机性能分析

采用数值计算方法对来流含有小水滴的工况进行计算，当来流含1%的20 μm、2%的20 μm的小水滴时的风扇特性与来流仅为空气时的特性对比图如图3所示，图中对应的换算转速分别为100%，95%，90%，85%，80%，75%。

图3 来流含1%20μm小水滴与来流为空气的特性对比

由图3可知，不同来流工况对于风扇的压比、效率、流量等都有一定的影响。当来流含有2% 20 μm的小水滴时，在各恒定风扇转速下，风扇压气机的压比下降最大约1.4%，效率降低最大约3.9%，而风扇压气机的进口流量却略有增加。

此外，随着风扇来流含水量的增加，压比和效率略有降低，同时风扇压气机的可工作范围会变窄。当来流含水量增加至2%时，压气机在100%，95%设计转速下可工作范围显著减小。

3.3 来流含大水滴时压气机性能分析

采用数值计算方法对来流含有大水滴的工况进行计算，来流含有1%和2%的600 μm的大水滴的风扇特性与来流仅为空气时的特性对比如图4所示。由图可知，当来流含大水滴时，压气机的压比和效率显著降低，压力降低约6.1%，效率降低约10.7%。同时，随着来流大水滴的含水量增加时，压气机在高转速下的可工作范围显著变小，当来流含水量继续增加，压气机有可能在高转速下出现工作失稳。

图4 来流含1%和2%大水滴对于压气机性能的影响对比

3.4 来流含混合水滴时压气机性能分析

在实际的飞行中，风扇压气机吸入的水滴不可能仅仅是小水滴或者大水滴，而必然是两者的混合物，因此研究混合水滴对于风扇压气机性能的影响至关重要。采用数值计算方法对来流为混合水滴的工况进行计算，来流含有0.5% 20 μm的小水滴和0.5% 600 μm的大水滴、1% 20 μm的小水滴和1% 600 μm大水滴与来流为空气工况下对风扇的性能影响如图5所示。由图5可知，来流含混合水滴对于压气机的影响与来流含大水滴的影响类似，压力下降约5.5%，效率降低约8.6%，在高转速下，压比和效率降低更加显著。当含混合水滴的量增加时，压气机压比和效率显著降低，并且在100%转速下出现工作异常。

3.5 来流水滴直径对于压气机的性能影响

压气机的性能可能受到水滴直径的影响，来流含有2% 20 μm的小水滴、2% 600 μm的小水滴对风扇特性的影响如图6所示。由图6可知，水滴直径对风扇的特性影响比较显著，当水滴直径从20 μm增加值600 μm时，风扇压比降低约4.8%，效率降低约8.2%，来流小水滴的直径变化时，随着来流水滴直径的增大，风扇的压比和效率显著降低。

图5 混合水滴时压气机性能对比图

图6 小水滴直径变化对风扇的性能影响对比

3.6 来流空气相对湿度对压气机的性能影响

为了明确来流空气相对湿度对于风扇特性的影响，在来流含有1% 20 μm小水滴的前提下，对来流空气相对湿度分别为50%和100%工况下，计算风扇特性变化，如图7所示。由图可知，当空气的相对湿度变化时，风扇特性基本不变。在来流含有大水滴或者混合水滴时，来流空气相对湿度对于风扇压气机的性能几乎没有影响。

图7 相对湿度时压气机性能对比

4 结论

笔者对来流含有不同含水量的小水滴、大水滴、混合水滴和相对湿度的工况下风扇特性仿真计算，获取不同工况下风扇的特性。通过上述研究，可以得到如下结论。

① 对于小液滴、大液滴和混合液滴，当压气机入口来流含水时，风扇的压比和效率均明显降低，且随着含水量的增加，风扇压比和效率降低的水平更为显著。

② 对于相同含水量的不同水滴直径，随着来流水滴直径的增大，风扇的压比和效率显著降低。空气相对湿度的变化对风扇特性影响并不显著。

③ 通过研究分析在吸雨条件下，研究不同雨滴吸入条件对风扇压比和效率的影响，为分析风扇在吸雨条件下的工作性能分析提供支撑，为发动机吸雨试验开展提供安全指导。

④ 仅在吸雨条件下对风扇的特性进行了计算，并未对发动机整机的性能进行评估，后续可继续开展吸雨后对发动机压气机、燃烧室以及涡轮等部件性能的计算，完成吸雨对发动机整机性能的影响计算和评估。