多級軸流壓氣機級間匹配特性研究

沙心國，嚴明，劉政良

(1.北京航空航天大學能源與動力工程學院航空發動機氣動熱力國家級重點實驗室，北京100191；2.中國航天空氣動力技術研究院，北京100074)

多級軸流壓氣機級間匹配特性研究

沙心國1，2，嚴明1，劉政良1

(1.北京航空航天大學能源與動力工程學院航空發動機氣動熱力國家級重點實驗室，北京100191；2.中國航天空氣動力技術研究院，北京100074)

結合一臺出口級使用大小葉片轉子的高負荷多級軸流壓氣機的設計過程，對其多種設計方案進行數值模擬，通過對各設計方案級間匹配特性的分析，總結出多級軸流壓氣機的級間匹配特性。通過與另一臺級數相當但不含大小葉片轉子的低負荷多級軸流壓氣機的級間匹配特性進行對比，研究了在多級軸流壓氣機出口級使用大小葉片轉子對級間匹配特性的影響。結果表明，在多級軸流壓氣機出口級使用大小葉片轉子，不僅可提高出口級的負荷及整機總壓比，還可增大壓氣機的失速裕度。

多級軸流壓氣機；級間匹配特性；大小葉片轉子；流動分離；失速裕度；數值模擬

1 引言

級間匹配特性是多級軸流壓氣機的重要特性，其優劣直接影響壓氣機的總體性能。在多級軸流壓氣機設計中，級間參數匹配是設計工作的重中之重，也是最困難的部分。任意級的級間參數選擇不合適將導致該級的性能降低，甚至影響其它多排葉片的運行狀況，使其運行參數與設計參數偏離，從而導致壓氣機整機性能無法達到設計目標。因此，對于多級壓氣機設計，級間匹配往往是決定壓氣機設計成敗的最關鍵因素。

為找到正確計算各級匹配的方法，國內外做了大量研究工作。工程上使用較多的是級疊加法，但其理論依據是假定在下游疊加上去的葉片排不影響上游原有流場，因此這種方法的可靠性需要論證[1]。國外方面，早在20世紀50～60年代，Stone[2]、Doyle[3]和Robbins[4]等就對級疊加法進行過專門研究。1979年，Klapproth等[5]對CF6-6發動機壓氣機的總壓比和

軸向速度沿級分布進行了研究。1992年，Smed等[6]對兩種不同型號多級壓氣機各級做功系數在各級中的分布進行了研究。2008年，Soltani等[7]基于遺傳算法，對多級壓氣機中流量系數、總壓比和效率在各級的分布進行了優化研究。

國內方面，鄒正平等[8]指出，多級壓氣機匹配是一個葉輪機設計難題，在設計之初就把非設計狀態下影響級間匹配的主要因素考慮在內，是解決多級壓氣機匹配問題的關鍵。曲愛民[9]對某11級軸流壓氣機進行了三維流場分析，得出了各級反動度和總壓比的分布曲線。馬聰慧等[10]使用三維粘性數值模擬方法，對某大流量軸流壓氣機進行了計算研究，并分析了該壓氣機加功量、絕熱效率、壓比、反力度等參數在各級的分布情況，及大流量多級軸流壓氣機的設計特點。

隨著大小葉片轉子技術的不斷成熟，大小葉片轉子逐步應用到多級軸流壓氣機中[11～15]。由于大小葉片轉子具有單級壓比高、失速裕度大的特點，在多級軸流壓氣機中使用必然會對壓氣機的級間匹配特性帶來影響。本文結合一臺高負荷多級軸流壓氣機的設計過程，對其多種設計方案進行計算分析，來研究多級軸流壓氣機的級間匹配規律；并通過與另外一臺級數相當的低負荷軸流壓氣機的級間匹配特性進行對比，來研究大小葉片轉子對多級軸流壓氣機級間匹配規律的影響。

2 研究對象和計算方法

研究對象為帶前置導葉的一臺高負荷八級軸流壓氣機，其最后兩級使用大小葉片轉子，計算模型如圖1所示。

采用CFD軟件ANSYS CFX對多級軸流壓氣機進行模擬。由結構化網格生成軟件Autogrid5進行網格繪制，常規葉片通道采用H-O-H型網格，大小葉片轉子通道采用H-I型網格。采用SST二方程湍流模型，使用一階精度迎風格式求解含有粘性做功項的總能方程。采用理想氣體作為工質，恒定轉速，進口給定總溫、總壓和氣流角，出口給定平均靜壓，固壁絕熱無滑移。

通過調整周向、軸向和展向三個方向上的網格層數，繪制出三種不同數目(約500萬、700萬和1 000萬)的網格進行數值計算，結果如圖2所示。可見，計算結果不隨網格數目的變化而改變，三種網格計算結果基本一致。在計算資源允許的前提下，為獲得更加詳細的內部流場信息，本文選用1 000萬的網格進行計算。網格最小正交性大于10°，最大延展比控制在5以下。由于計算采用的SST湍流模型對y+要求較高，需要最內層網格厚度較小，同時由于計算資源有限，需要控制網格總數，這就使得壁面處的網格長寬比很難控制在1 000以下。長寬比超過1 000的網格主要集中在葉片、機匣和輪轂等壁面處，壁面處流動參數在垂直壁面方向的變化最為明顯，而在平行壁面方向的變化相對要小許多，因而壁面處的網格長寬比較大對計算結果的影響較小，因此以上網格質量可保證計算結果的準確性。

3 級間匹配特性分析

本文參數的無量綱化方法為：XRel=X/X0(X為參

數，X0為選定的基準參數)。

3.1 各設計方案級間匹配特性分析

圖3為高負荷多級軸流壓氣機五種設計方案的級間匹配特性圖。可見，五種設計方案的級間匹配特性類似，總壓比沿流向逐級減小；絕熱效率中間高、兩端低；第1、第7級的反力度較大，其它各級的反力度均在0.45左右；各級轉子的總焓升基本在同一水平；各級總壓升和靜壓升沿流向逐級增加。

該高負荷多級軸流壓氣機中，第1級為跨聲速級，第7級為大小葉片轉子，這兩級轉子的做功能力較大，因此其反力度較大。

方案1在設計點靜子葉片吸力面的極限流線如圖4所示。可見，S2、S4和S5葉片吸力面尾部都存在較大的流動分離。在設計轉速下，當壓氣機流量減小時，S2葉片吸力面的分離區大小基本不變，S4和S5的分離區逐漸變大，S6尾部出現大的流動分離，且S5尾部的分離區最大。結合圖3中方案1的級間匹配特性可知，壓氣機第2級的總焓升最大，反力度較小；第4級的反力度最小；第5級的總焓升較大，反力度較小。所以這三級靜子葉片中的逆壓梯度較大，造成靜子葉片吸力面流動分離。

方案2在設計點靜子葉片吸力面的極限流線如圖5所示。可見，S2、S4、S5和S6葉片吸力面都存在一定的流動分離，其中S4的分離最大。在設計轉速下，當壓氣機流量逐漸減小時，S2、S4、S5和S6葉片吸力面的分離區逐漸增大，且沿流向增幅逐漸增大。結合圖3中的級間參數分布可知，第2級的總焓升過大；第4、第5級的反力度最小；第6級總焓升過大，但反力度不大。以上原因使得這四級靜子葉片通道中的逆壓梯度過大，造成吸力面出現流動分離。

方案3在設計點靜子葉片吸力面的極限流線如圖6所示。可見，S2、S5和S6葉片吸力面存在一定的流動分離。在設計轉速下，當壓氣機流量逐漸減小時，S2、S5和S6葉片吸力面的分離區逐漸增大，且沿流向增幅逐步增大。結合圖3中的級間參數分布可知，第3、第4級的總焓升較小，其它各級的總焓升大小相當，但第1級為跨聲速級，最后兩級是大小葉片轉子，因此這三級的做功能力較強。相對而言，第2、第5和第6級的總焓升偏大，且這三級的反力度較小，因此這三級靜子葉片的逆壓梯度較大，使得S2、S5和S6葉片吸力面尾部發生大的流動分離，引起壓氣機進入失速狀態。

方案4在設計點靜子葉片吸力面的極限流線如圖7所示。可見，S2、S5和S6葉片吸力面尾部發生了流動分離，其中S2的分離區最大，其它各級流動狀況較好。在設計轉速下，當壓氣機流量逐漸減小

時，S2、S5和S6葉片吸力面的分離區逐漸增大，且沿流向增幅逐漸增大。結合圖3中的級間參數分布可知，第2級的總焓升最大、反力度最小，第2級靜子葉片通道中逆壓梯度最大，使得靜子葉片吸力面尾部發生流動分離。第4級的總焓升最小，其氣動負荷最小，絕熱效率最高。后面四級的總焓升基本相當，但由于最后兩級是大小葉片轉子，而第5、第6級轉子是常規轉子，因此這使得第5級和第6級的氣動負荷相對偏大、反力度較小，從而使得第5、第6級靜子葉片通道逆壓梯度較大，吸力面尾部發生大的流動分離，壓氣機進入失速狀態。

方案5在設計點靜子葉片吸力面的極限流線如圖8所示。可見，S2、S4、S5和S6葉片吸力面尾部發生了流動分離，其中S2和S6的分離較大，S4和S5的分離較小。在設計轉速下，當壓氣機流量逐漸減小時，S2、S4、S5和S6葉片吸力面的分離區逐漸增大，

且沿流向增幅逐漸增大。在近失速點，S6葉片吸力面的分離最大，中間葉高分離位置延伸到了葉片50%弦長位置。結合圖3中的級間參數分布可知，第2級的總焓升最大、反力度最小；第4、第5級的反力度較小；后面三級的總焓升基本相當，由于最后兩級是大小葉片轉子，而第6級是常規轉子，其氣動負荷相對偏大、反力度較小。因此這四級靜子葉片通道逆壓梯度較大，吸力面尾部發生流動分離。

由圖3中的級間匹配特性可知，在設計點，五種設計方案第1級的絕熱效率不同，其中方案1的最低，方案5的最高。原因是五種設計方案中第1級轉子的掠型不同，使得其通道中激波-附面層干涉引起的流動分離區大小不同(圖9)，從而造成各設計方案絕熱效率出現差異。

3.2 大小葉片轉子對級間匹配特性的影響

圖10為上述高負荷多級軸流壓氣機各設計方案與一低負荷多級軸流壓氣機的級間匹配特性對比圖。該低負荷多級軸流壓氣機共九級，含進口導葉和可調靜子葉片，但出口級不含靜子葉片，且各級轉子葉片均為常規葉片，不含大小葉片；圖中用Origin表示。

從圖中可看出，兩種壓氣機的總壓比均是前高后低，沿流向逐級降低；絕熱效率均呈中間高、兩端低分布。低負荷壓氣機各級的反力度較大，均在0.5以上；高負荷壓氣機各設計方案的反力度均較小，基本在0.5以下。低負荷壓氣機中各級轉子的總焓升呈沿流向逐漸減小的趨勢，而高負荷壓氣機各設計方案各級轉子的總焓升保持在同一水平，相差不大。兩種壓氣機各級的總壓升和靜壓升分布規律基本一致，呈沿流向逐級增加的趨勢，但增幅不同。

從圖10(a)可看出，兩種壓氣機均為第1級的總壓比最大，沿流向各級的總壓比逐級減小，與文獻[7]中多級軸流壓氣機中為保證部分轉速時的性能，總壓比沿級分布應中間高、兩端低的結論不同。兩者差別在于進口幾級總壓比的大小，原因是本文研究的壓氣機進口級為跨聲速級，做功能力強，且進口幾級靜子葉片可調，在轉速降低時可通過調節進口

段靜子葉片的安裝角來改變進氣條件，保證部分轉速下的性能。

高負荷壓氣機五種設計方案中的一個共同點是：在設計轉速下，當壓氣機質量流量減小時，S6或S5葉片尾部首先發生大的流動分離，然后整機進入失速狀態。而不含大小葉片轉子的低負荷壓氣機，在設計轉速下，流量減小時S7、S8葉片吸力面尾部首先發生流動分離，從而引起整機失速。據文獻[1]可知，多級軸流壓氣機中存在放大效應，即進口流量的變化會在后面各級逐級放大。因此多級軸流壓氣機流量減小時，后面級首先進入失速狀態。在該高負荷壓氣機中，由于后面級使用的是大小葉片轉子，對進口條件變化不敏感，流量裕度大，因此流量變化時首先在大小葉片轉子上游相鄰級發生流動分離，導致整機進入失速狀態。即在出口級使用大小葉片轉子，在壓氣機流量減小時，可延緩壓氣機失速，增大壓氣機失速裕度。

從圖10(d)可看出，出口級使用大小葉片轉子的多級軸流壓氣機，出口兩級總焓升與前面各級的基本相當；而出口未使用大小葉片轉子的多級軸流壓氣機，出口三級的各級總焓升相對前面各級有所降低。而從圖10(e)、圖10(f)可看出，對于低負荷壓氣機，出口級全部使用的是常規轉子，總壓升和靜壓升沿級增長較平緩、增幅較小；而對于高負荷壓氣機各設計方案，出口兩級使用的是大小葉片轉子，最后兩級總壓升和靜壓升沿級增長較陡峭、幅值較大。因此，在多級軸流壓氣機出口級使用大小葉片轉子，可提高出口級負荷，增加出口級壓比，提高整機壓比。

4 結論

(1)本文出口級使用大小葉片轉子的高負荷多級軸流壓氣機的各設計方案中，主要是由于某些級的總焓升較大或反力度較小，造成靜子葉片通道逆壓梯度過大而引起流動分離。

(2)在多級軸流壓氣機出口級使用大小葉片轉子，可提高后面級負荷，提高壓氣機整機壓比；并且在設計轉速下壓氣機流量減小時，可延緩壓氣機失速，增大失速裕度。

[1]北京航空航天大學能源與動力工程學院流體機械系.葉輪機原理講義[M].北京：北京航空航天大學，2008.

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Stage Matching Characteristics of Multi-Stage Axial Compressor

SHA Xin-guo1，2，YAN Ming1，LIU Zheng-liang1
(1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Aero-Thermodynamics，School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China)

Combined with design process of a high load multi-stage axial compressor having splitters in last two stages,different design cases were calculated and simulated.The matching characteristic of multi-stage axial compressor was researched and summarized by analyzing the matching characteristic of compressor design projects.In addition,the influence of splitter on stage matching characteristic of multi-stage axial compressor was studied through comparing with another low load multi-stage axial com?pressor without splitter.The results show that using splitter in the outlet stage of a multi-stage axial com?pressor not only can increase the loading and the overall pressure ratio of compressor,but also can increase the compressor stall margin.

multi-stage axial compressor；stage matching characteristic；splitter；flow separation；stall margin；numerical simulation

V231.3

：A

：1672-2620(2014)01-0006-06

2013-01-05；

：2013-10-11

沙心國(1987-)，男，河北邢臺人，碩士，助理工程師，主要從事流體測試與計算。