雷诺数对航空燃气涡轮流动及性能影响的研究进展_高丽敏大作业

雷诺数对航空燃气涡轮流动及性能影响的

研究进展

小明2014123456西北工业大学动力与能源学院

摘要随着航空发动机工作范围的不断扩大，考虑其进口条件变化对发动机内部流动及性能的影响非常必要。国内外众多相关试验和计算表明，雷诺数对发动机性能的影响越来越重要。本文就半个世纪以来研究雷诺数对航空燃气涡轮发动机影响的实验和数值模拟进行了评述，根据作者掌握的文献，着重在以下三个方面展开综述:雷诺数对航空发动机总体性能的影响、雷诺数对压气机特性和内部流场的影响以及低雷诺数下涡轮性能的研究。文中分别阐述了国内外学者在上述几个方面的主要成果，并进一步指出了当前探索雷诺数效应的不足及未来的研究方向。

关键词雷诺数，航空燃气涡轮发动机，研究进展，内部流动

1 引言

雷诺数Re是衡量流体粘性对航空发动机增压及涡轮部件性能影响的重要准则之一。一般来说，当涡轮喷气或涡轮风扇发动机进口气流的雷诺数Re大于某一临界值时,雷诺数对发动机各部件(包括风扇、压气机和涡轮)的影响可以忽略，因此增压部件的流量、压比和效率也将基本不受雷诺数变化的影响；但当发动机进口雷诺数小于此临界值时，雷诺数的变化对各部件的影响逐步显现，并对发动机各性能参数均带来直接影响。用于衡量雷诺数效应影响的临界值被称为临界雷诺数，而雷诺数的变化对发动机各部件工作性能的影响也被称为低雷诺数效应[1]。

随着飞机飞行高度升高，入口气流的压力和密度均显著降低，由由表1中各数据可见，相对于海平面，20km高空的大气压力仅为标准大气压力的5.46%，使得表征叶轮机雷诺数的叶弦雷诺数大大降低，流场特征也会偏离设计状态，可能会使发动机的工作性能严重恶化。不同的发动机流道和叶型设计具有不同的临界雷诺数（一般临界雷诺数的量级为105左右），且雷诺数效应对不同型号发动机的影响程度和方式也不尽相同。

表1 不同海拔高度大气物理性能变化[2]

图1-1是某型涡轮风扇发动机在正常条件下各个部件的雷诺数，可以明显的看到，低压涡轮的工作雷诺数处以整个发动机的最低水平[3]，压气机的工作雷诺数也不太高。典型的压气机雷诺数范围一般在1~7×105之间[4]。在高空环境下，空气的密度、压力会有很大程度的降低，从而导致雷诺数也降低，可能会低于临界雷诺数。在这种雷诺数下，会很大程度上影响发动机的性能。

图1 某涡扇发动机各部件工作雷诺数[5]

在低空高雷诺数状态下，发动机风扇进口叶弦雷诺数高于临界雷诺数并处于自模区，雷诺数对风扇叶栅的流动特性几乎不受影响。但在高空低雷诺数状态下，叶弦雷诺数低于此临界值。叶栅流动将以分离泡的形式实现从层流向湍流的转捩,同时损失上升、叶片力减小、落后角增加，当闭式分离泡在进一步降低的叶弦雷诺数下转而变为大尺度开式分离时。风扇叶栅通道逐步丧失其应有的流动特征。叶栅流动损失急剧上升，燃油消耗率迅速上升，使发动机性能严重恶化。不同的风扇叶型设计具有不同的临界雷诺数。且临界雷诺数明显地受到流动湍流强度的影响。当湍流强度高于1.5%时,临界雷诺数通常会在105以下。研究发现:雷诺数效应问题的本质是边界层由层流流动向湍流流动的转捩问题[6]。

处于高空低雷诺数状态的发动机一般用于高空长航时无人机。国外在这方面处于领先地位，其中最具代表性的是“全球鹰”无人机的AE3007发动机[7]。1999年，普惠公司和NASA 等联合开展了PW545发动机的高空性能试验，以探索商用小涵道比发动机用作高空长航时无人机动机装置的技术发展途径和可行性[5]。这类发动机的特点是:(1)采用推力为10～40kN 的商用小型大涵道比涡扇发动机，尾喷管面积不可调；(2)长时间在高空低马赫数(20km,Ma <0. 7)条件下工作，发动机进口总压低( <7. 6kPa)，进口总温低( <240K)；(3)由于发动机尺寸相对较小，在高空低马赫数飞行状态，主要部件(风扇、压气机、涡轮)的流通能力和效率受雷诺数影响比较严重，从而影响到发动机的调节计划和总体性能[8]。

2 雷诺数对航空发动机总体性能的影响

高空飞行器动力装置的工作雷诺数一般处在104~105量级，在这个雷诺数范围内，无论是空气对机翼扰流的外部流场，还是压气机的内部流场，其流场结构和气动特性都与在常规工作雷诺数下有明显的不同。由于处在高空状态以及发动机部件尺寸小、转速高的特点，就实验研究而言特别困难，因此一般建立相关的修正方法，从地面试验来模拟高空试验。

2.1 压气机特性的雷诺数修正

最初由Wassell[1]于20世纪60年代建立了一套对压气试验性能影响的半经验修正方法，对效率，流量，压比和稳定工作极限压比都提供了修正公式和统计曲线。

压气机效率的修正：雷诺数Re1的变化影响压气机的多变效率Zp，其变化关系为：

1−Zp=K∙Re1−m

式中：Re为影响压气机效率的雷诺数；k为常数，计算结果表明K的取值对计算结果有较大的影响，为避免其引起的误差，根据设计求出其值；m为避免影响系数，是压气机气动参数和压气机几何参数的函数。

压气机绝热效率Zc和多变效率Zp的关系：

Zc=

Cc(k−1)/k−1 Cc(k−1)/k Zp−1

压气机压比的修正：对压气机压比的雷诺数修正采用相似功原理:

Lc=Cp ∆T t

t1

=

Cc(k−1)/k−1

b

=

Cc(k−1)/k−1

a

由上式得出雷诺数Re1对压气机压比Cc的修正。

压气机流量的修正：压气机质量流量Wa随雷诺数Re2的变化关系可用下式表示：

t x ∙

Wa−Wa∗

Wa∗

=f Re2

式中：Re2为影响压气机流量的雷诺数；t为第一级转子叶片中径处喉道宽度(m)；x为第一级转子叶片中径处前缘到叶片喉部的距离(m)；Wa为对应于Re2的空气流量(Kg/s)；Wa∗为对应于雷诺数Re2=1.0×105条件下的流量(Kg/s)。

喘振点压比的修正：压气机喘振点压比随Re3的变化关系可以用下式表示：

C s−C s∗

C s∗

=f Re3

式中：Re3为影响压气机喘振点压比的雷诺数；C s为对应于Re3的喘振点压比；C s∗对应于

Re3=105条件下的喘振点压比。

Wassell方法目前仍然广泛用于低雷诺数压气机的试验研究。国内北京航空航天大学顾明皓等人[6]采用Wassell半经验方法对某风扇高空低雷诺数下的流场特性和气动性能进行了分析和研究，研究结果显示，雷诺数效应问题的本质为边界层内的流动由层流向湍流的转捩问题。沈阳发动机设计研究所的郭捷等[9]采用进口节流的方法对一台3级风扇进行了在不同雷诺数下的试验，测取性能数据，并与Wassell的雷诺数对压气机试验性能的修正方法对比，指出其对喘点压比和流量计算的修正量偏大。空军工程大学王进[10]等运用Wassell法建立了某型涡扇发动机压气机特性的雷诺数修正数学模型，同时考虑雷诺数对涡轮特性的修正，计算分析了雷诺数对压气机特性、高低压转子共同工作点以及压气机喘振裕度影响。结果表明，采用这种雷诺数修正模型可以用于定量评估雷诺数对发动机稳定性的影响。

2.1 涡轮特性的雷诺数修正

Balje[11]等于1964年给出了涡轮效率的修正方法：涡轮效率Z T与其修正雷诺数Re TE的变化关系为：

Z T=f Re TE

式中：

Z T=Z T/Z T,cr

（Z T,cr为Re TE=2×105的效率）

Re TE=Re TE/Re TE,cr

（Re TE,cr=2×105）

国内骆广奇[12]等于1997年用如下公式进行涡轮流通能力的修正：涡轮流量函数B T与其修正雷诺数Re TV之间的变化关系为：

B T=f Re TV

式中：

B T=B T/B T,cr

B T,cr为Re TV=2。5×105时的效率

Re TV=Re TV/Re TV,cr

（Re TV,cr=2×105）

2.3 低雷诺数对发动机整体性能的影响