压缩机泄流缝隙的流量损失机制及优化方法

《Aerospace Science and Technology》：Flow loss mechanisms and optimization methodology for a compressor bleed slot

　　

安广锋|赵永康|庄新伟|于先军|刘宝杰|谭宇轩

中国空气发动机大学研究院

摘要

压气机中的级间引气在飞机环境控制、发动机进气防冰以及发动机热端组件的冷却中发挥着关键作用，从而确保了飞机和发动机的安全与高效运行。因此，减少级间引气损失并提高引气效率已成为高性能压气机精细化设计中的核心挑战。基于引气槽的典型流动特性，本研究将内部流动分为三个部分：转弯段、扩散段和突然膨胀混合段。文章阐明了引气系统主要部件的流动与损失机制，涵盖了四个方面：转弯段的流动分离、由入射角引起的局部分离、过度扩散导致的流动分离以及突然膨胀混合所产生的损失。针对这些损失机制，提出了针对性的流动控制策略，以改善引气系统内的流动从而降低损失。基于损失机制及其相应的优化策略，提出了一种基于流动机制的引气槽设计方法，该方法能够分别对引气槽的转弯段和扩散段进行参数化建模。最后，该方法应用于四种具有不同总体设计参数的引气槽，并将优化后的配置与传统的直线型及当前的高性能二次多项式剖面进行了实验比较。结果显示，相对于直线基线，优化后的引气槽可将损失系数降低45%以上，并将静压升系数提高0.2以上，同时其性能也优于现有的先进二次多项式剖面，从而验证了所提出设计方法的有效性。

引言

在航空发动机的运行过程中，必须从高压压气机中抽取具有指定压力和温度的空气[1]，以确保安全和可靠的运行。这些引气空气用于飞机环境控制、客舱空气循环[2]、发动机进气口和机翼防冰[3]，以及热端组件的冷却和密封。在现代军用涡扇发动机中，压气机引气流量可占到核心空气流量的17%-18%，对发动机整体性能产生显著影响。因此，在压气机设计中必须明确考虑引气的影响。随着飞机功能需求的增加、外部运行环境复杂性的提升以及涡轮进口温度的持续升高，对压气机引气空气的需求显著增长[4]。从压气机中抽取的引气空气必须满足多个下游系统的压力和温度要求。因此，如何在最大化引气压力的同时最小化引气结构内的流动损失，已成为高性能压气机精细化设计的关键挑战。

在目前的压气机设计流程中，引气通常以简化的方式纳入多级压气机计算[5,6]，同时也考虑了其对上游和下游压气机特性的影响以及展向流动分布[7,8]。为了满足辅助系统对引气空气的需求，必须确保在每个运行点都能提供所需的质量流量，同时 minimize 引气引起的损失、减轻引气过程中的静压下降，并提高用于热管理等目的的空气的冷却效率。许多研究人员对引气系统进行了建模和分析，建立了特定引气配置的整体性能与几何参数之间的关联[9,10]。这些模型通常基于实验数据得出，用于表征每个部件的效率——例如，Zimmermann 提出了适用于沟槽几何形状的压力损失系数[11]。然而，由于每个引气系统都在不同的条件下运行，这类关联的可靠性受到实验数据稀缺性的限制。

许多学者也探索了引气系统的优化。Leishman等人研究了引气槽上游壁进口剖面圆角半径的变化对出口压力的影响[12,13]。他们的结果表明，将圆角半径从0增加到槽宽的58%，可以使引气系统的静压升系数提高21%。Peltier等人研究了不同引气槽配置对出口压力的影响，包括90°垂直槽、圆周分布的引气孔、带有上游壁圆角的倾斜槽以及带有延伸至泵送室内的扩散器的出口[14,15]。他们的研究结果表明，对引气槽的结构改进可以显著提高出口压力。Grimshaw通过其对压气机引气的进一步研究证实，优化的引气槽设计可以有效减少损失并提高静压升[16][17][18]。Grimshaw的优化策略包括增大上游壁进口的圆角半径，并调整壁面倾斜角度以使其更符合轴向。然而，这种方法有一个关键限制：它会显著减小引气槽的流通面积。尽管在测试的引气流量范围内实现了显著的损失降低，但最大可获得的引气流量仅为主流量的2%。随着引气需求的进一步增加，流动面积的显著减少可能导致引气通道堵塞。

尽管有这些宝贵的贡献，现有文献中仍存在几个重要的局限性。首先，大多数先前的研究集中在特定情况的几何调整上，而不是建立一个通用的优化框架。其次，几何设计变量与内部流动损失机制之间的关系尚未系统地明确。第三，优化工作主要集中在引气槽本身，而与下游泵送室及整个引气系统的相互作用则关注不足。最后，在多种运行条件下对优化设计的实验验证仍然不足。这些限制限制了现有方法在具有更宽运行范围和更高引气需求的现代压气机中的实际应用。

为了解决这些问题，本研究提出了一种基于机制的压气机引气系统设计方法。首先，分析了引气系统的内部流动，并将其分为三个特征区域：转弯段、扩散段和突然膨胀混合段。确定了每个区域中的主要损失机制，并制定了相应的流动控制策略。其次，基于这些物理洞察，开发了一种参数化设计方法，其中转弯段和扩散段可以独立参数化，从而实现系统化的优化，而不是孤立的几何试错修改。第三，将分析范围从引气槽扩展到整个引气系统，包括泵送室，从而提供更完整的工程评估。最后，通过实验验证了所识别的损失机制以及优化配置在多种引气条件下的有效性。结果表明，所提出的方法为高性能引气系统设计提供了一条有效且实用的应用途径。

章节片段

全三维真实结构的数值模拟

图1展示了压气机和引气系统的结构图。研究对象是一个运行速度为1100转/分钟的低速模型压气机，与Liu等人研究的压气机相同[7]。本研究在压气机特性曲线上最大效率点稍右侧的设计运行条件下进行，引气质量流量为主流进气流量的5%。

引气系统的流动损失分类

为了明确引气系统中的主要空气动力损失来源，并为后续的优化分析提供基础，首先研究了典型级间压气机引气配置的流动特性。本研究中的引气系统代表了一种典型的级间压气机引气配置[26,27]。在该系统中，靠近壳体端壁的主流流量的一部分通过环形倾斜引气槽被引入泵送室。

引气槽的结构划分和整体参数

在确定了引气槽的内部流动机制及相应的优化策略后，本节开发了一种基于流动机制的几何设计方法，将物理理解转化为几何设计。具体来说，第3节中确定的损失机制被转化为引气槽的相应几何设计参数。通过参数化转弯部分的剖面来解决流动转弯部分的分离问题。

引气槽设计的优化比较方案

为了实验验证第3节提出的基于流动机制的设计方法的有效性，首先为不同的引气槽配置和总体设计参数建立了比较方案。本研究中引气槽的优化以实现两个主要目标：最小化总压力损失和最大化静压升，设计过程侧重于平衡这两个竞争性能指标之间的权衡。

为了

结论

通过对引气系统内部流场的分析，确定了主要损失源，提出了有效的几何优化策略，并开发了一种相应的引气槽优化设计方法并通过了实验验证。主要结论如下：

在基线配置中，超过80%的总引气系统损失来源于引气槽和泵送室。根据特征流动行为，

CRediT作者贡献声明

安广锋：撰写 – 审阅与编辑、资源获取。赵永康：撰写 – 原始草稿、软件、方法论。庄新伟：软件、形式分析。于先军：验证、监督。刘宝杰：资金获取。谭宇轩：数据整理。