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吸雨工况下压气机叶栅内部雨滴运动及特性研究

摘要

航空发动机需要具备在极端恶劣天气下运行的能力，暴雨环境易对其性能和稳定性

产生负面影响。吸入发动机内部的雨水会使压气机脱离设计工况点运行，导致发动机性

能恶化，严重情况下会使发动机提早进入失稳工况，甚至停车、熄火，最终酿成难以挽

回的损失。压气机作为航空发动机核心机部件之一，最先与雨水接触，其叶栅内部吸入

雨水的运动和作用形式是如何改变压气机内流场特征，进而影响压气机稳定工作范围是

航空发动机吸雨领域的研究重点。因此，本文通过试验测量和数值模拟研究压气机和叶

栅内部雨滴的运动和行为特征对压气机性能参数和稳定性的影响。

首先，本文根据压气机叶栅吸雨试验的需求，设计了低速风洞试验台和多种几何参

数的平面叶栅试验件。采用激光粒度仪和流量计对不同规格的喷嘴进行粒径和流量的标

定，获取了数值模拟离散项设置的初始边界条件。为了保证不同几何参数叶栅来流的均

匀性和出口的周期性，对风洞开展了校核工作，测试结果表明该风洞试验台能够满足压

气机叶栅吸雨试验要求。

然后，开展了压气机叶栅吸雨试验和数值模拟研究。试验结果表明，吸雨量和几何

参数的改变将会导致叶栅栅后总压损失大幅增加；大弯角和低展弦比叶型会加剧边界层

分离并增大流动损失，最终可能会诱发叶栅提前失速。引入考虑气流剪切力、摩擦力等

因素的叶栅表面水膜流动模型后，试验和数值的误差显著减小，叶栅表面的边界层损失

明显增大，尾迹区总压减小，栅后的低速区范围明显增加。

最后，开展了单级轴流压气机吸雨工况下的数值模拟，研究水膜分布对压气机性能

参数和内部流场特征的影响。研究发现，在吸雨量为1%、3%和5%工况下，考虑压气

机内部动静叶及机匣表面水滴沉积，引入定常水膜流动模型开展数值计算后，压气机压

比同比下降了0.0129%~0.0515%、0.0159%~0.0931%、0.0331%~0.1789%；压气机等熵效

率同比下降了0.018%~0.065%、0.3%~0.547%和0.346%~0.601%。相较于未考虑水滴沉

积的吸雨工况而言，压气机的耗功有所增加，增幅分别为：5.1~17.6J/kg、97.5~145.6J/kg、

113.7~160.6J/kg。压气机内部的水膜沉积会引起内部流场的通流速度降低，总压损失增

大，进而导致压气机的工作范围变窄，压气机的喘振裕度减小。喘振裕度相较于未考虑

水滴沉积工况在1%、3%、5%吸雨量分别下降了0.243%、0.2866%、0.4559%。

关键词：压气机；叶栅；吸雨试验；水膜分布；气动性能

吸雨工况下压气机叶栅内部雨滴运动及特性研究

Abstract

Aircraftenginesneedtohavetheabilitytooperateinextremelyharshweatherconditions,

andtheirperformanceparametersandstableoperationcapabilityaresusceptibletothenegative

effectsofrain.Rainwatersuckedintotheenginewillcauseitscomponentstooperateoutofthe

designoperatingpoint,resultingindeteriorationofengineperformance,andinseriouscases,

theenginewillenterthedestabilizingconditionearly,orevenstop,stall,andultimatelycause

irreparabledamage.Compressorasoneofthecoremachinecomponentsoftheaero-engine,the

firstcontactwithrainwater,themovementandformofactionofrainwaterinhalationinsideits

cascadeishowto