斜流軸流組合式多級壓氣機氣動設計與流場數值模擬

張曉陽，陳鏇宇，李良才，任煥

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連116005

2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

3大連船舶重工集團有限公司，遼寧大連116005

0 引 言

作為燃氣輪機的核心部件之一，壓氣機直接決定了燃氣輪機的性能優劣，對其設計起著舉足輕重的作用。隨著燃氣輪機功率密度的不斷提高，對壓氣機的設計性能要求也越來越高，且主要體現在3個方面：高壓比、高絕熱效率和高喘振裕度。從不同時期發動機高壓壓氣機總壓比的發展趨勢及其葉型的變化情況來看，實現壓氣機更高的轉子尖切線速度和平均級壓比是設計者追求的目標。

斜流壓氣機是介于軸流壓氣機和離心壓氣機的一種壓氣機形式，兼具離心壓氣機高壓比和軸流壓氣機迎風面積小、流通能力強的優點。斜流壓氣機進口曲率半徑大，在相同設計條件下，相比于離心壓氣機，其具有流動損失小、流量系數大、效率高、工作范圍寬等特點，因此適用于高通流條件下壓氣機整體尺寸受限的情況。

早在上世紀50年代，國外就開展了斜流壓氣機的研制工作［1］，但限于計算和試驗條件，斜流壓氣機的設計性能并不理想。隨著CFD技術的日趨成熟，它為斜流壓氣機的快速發展提供了先進的技術手段，斜流壓氣機的設計也迎來了快速發展的時期。Musgrave和Plehn［2］提出了一種單級總壓比為3.02的斜流壓氣機，其轉子的設計絕熱效率為91%，超過了當時所有斜流壓氣機的轉子效率。M?nig等［3-4］提出了總壓比為5的斜流葉輪設計，并對其進行了實驗研究，但該斜流壓氣機的工作線較陡，擴壓器進口馬赫數過高，壓氣機性能下降劇烈。Cevik和Uzol［5］在一臺離心葉輪的基礎上對其中的斜流壓氣機轉子進行了優化設計，結果表明斜流葉輪在性能上有著更好的表現。

國內在斜流壓氣機方面研究工作開展得較晚。劉寶杰和高星［6-8］以2臺高負荷、高比轉速離心葉輪和斜流葉輪為例，分析了2種葉輪的總體性能以及內部流動的差異。研究結果表明：相比于離心葉輪，斜流葉輪葉尖更低的泄漏及其摻混損失是斜流轉子具有更高效率的主要原因；此外，斜流葉輪能夠得到比較均勻的出口流場，尤其是在近失速條件下的流場比較均勻。

組合式多級壓氣機在航空發動機中的運用并不鮮見。例如，我國WP-11發動機壓氣機就是由1級軸流壓氣機和1級離心壓氣機組成，在渦軸發動機中也有很多采用了軸流+離心的組合式壓氣機設計，國產WZ-6和WZ-8發動機的壓縮系統即為采用1級軸流+1級離心構成的組合式壓氣機設計。國外航空發動機中，美國T700發動機采用的是5級軸流+1級離心構成的組合式壓氣機；英、法聯合研制的RTM322發動機的壓縮系統采用的則是3級軸流+1級離心的組合壓氣機形式［9］。

隨著對設計流量的要求不斷增加，通過離心壓氣機來設計未來壓氣機的難度也越來越大。鑒于斜流+軸流組合式多級壓氣機可同時滿足壓氣機高流量、高效率、高負荷的性能要求，研制替代常規的軸流+離心組合式壓氣機的新型壓氣機正逐漸成為下一代發動機壓氣機設計的新課題［10］。因此，有必要對斜流+軸流組合式多級壓氣機進行更深入的研究。

本文將對某斜流+軸流組合式多級壓氣機進行氣動設計的研究，并對其流場進行數值模擬，以探究斜流+軸流組合式多級壓氣機的氣流流動特點和技術難點，為燃氣輪機的組合式多級壓氣機設計提供技術參考。

1 設計方法與設計指標

1.1 設計方法

本文利用一套通用于軸流、離心和斜流壓氣機的S2流面通流計算及任意中弧葉片造型程序，根據流線曲率法確定不同徑向截面處基元葉型的進、出口氣流速度、角度等參數，以得到各基元級進、出口處和內部的速度三角形。首先，結合在進口氣流攻角、基元流向的內部脫軌角和尾緣處的氣流落后角分布方面的設計經驗，確定基元中弧線。然后，選取一種基本葉型，調整葉型的參數直到參數滿足要求的氣動條件。最后，按照規定的積疊軸形狀將各基元流面葉型沿展向積疊，從而得到三維葉片坐標。

本文將根據上述造型方法完成多個高負荷壓氣機的氣動設計。運用子午通流設計、全三維粘性CFD數值模擬分析等手段，對壓氣機性能及流場進行仿真研究和綜合分析。根據通流設計計算和葉片設計造型的結果，結合NUMECA商用數值模擬軟件對該壓氣機進行流場數值模擬。

1.2 設計指標

本文嘗試對所研究的某斜流+軸流組合式多級壓氣機進行氣動設計。該壓氣機的第1級為斜流，第2級為軸流。表1給出了該組合式多級壓氣機的設計指標。

因斜流級的進口轉子直徑較小且葉尖切線速度較低，故切線速度可使斜流壓氣級的攻角適應范圍較寬。基于斜流轉子有較寬的攻角適應范圍及其離心力做功能力的優點，斜流級可在多級壓氣機的功分布上分配更多的加功量。根據目前國內外針對單級斜流壓氣機的研究情況，性能穩定且成熟的單級斜流壓氣機壓比在3這個量級上。考慮到組合式多級壓氣機中斜流級與軸流級流場的匹配性，針對總壓比為4.2的雙級壓氣機，本文將斜流級壓比設置在2.9左右，然后根據通流計算結果多次調整斜流級的加功量，將斜流級設計壓比和軸流級設計壓比分別優化為2.88和1.46。

表1 組合式多級壓氣機設計參數Table 1 Design parameters of mixed multi-stage compressor

2 子午流道型線與葉片造型

2.1 葉輪流道型線與環量分布

葉輪流道形狀對壓氣機的氣動性能具有十分重要的作用。在離心葉輪中，機匣型線由軸向折轉到徑向的曲率半徑較小，氣流在流動過程中易發生邊界層分離，導致葉輪效率降低。而斜流壓氣機機匣型線由軸向折轉到斜向的曲率半徑相對較大，可減少此處邊界層的分離情況。結合對二維設計及三維數值模擬結果的分析，確定了所研究的某斜流+軸流組合式多級壓氣機葉輪的流道形式，如圖1所示。圖中：R1為斜流級轉子，S1為斜流級靜子；R2為軸流級轉子，S2為軸流級靜子。為增加斜流葉輪尾緣稠度，在其流道后部布置了分流葉片，以改善斜流轉子尾部的流動情況。

對于流向和展向環量分布，由于其可直接影響氣流角和葉片造型的結果，故在設計時首先要保證環量分布曲線足夠光順，同時考慮在設計結果中靜壓的分布特征。圖2和圖3所示為該組合式多級壓氣機中各排葉片在不同展高位置的環量沿流向分布的方式。由圖可以看出，對斜流轉子根部采用后部大的加功量，而對尖部則采用前部環量差比較大的分布方式。之所以采用這種環量分布方式，是由于葉輪從根到尖，隨著進口半徑的增加，切線速度增大，葉尖進口相對馬赫數偏高，增壓能力強。載荷集中在前部一方面實現了高增壓能力，另一方面，后部負荷較低也可有效控制該區域的分離。而斜流葉輪根部進口馬赫數偏低，若進口處環量差過大，將導致葉片出現過彎并容易導致氣流分離，從而影響斜流葉輪的性能。同時，斜流葉輪的出口半徑較大，所以可以在葉輪后部適當增加負荷，以提高葉輪根部的增壓能力。

2.2 葉片造型

本文采用了任意中弧線葉片造型程序，對該斜流+軸流組合式壓氣機各級葉輪葉片進行造型。在造型過程中，需給定一些葉型的基本參數，如攻角、落后角、前后小緣半徑、最大厚度、最大厚度相對位置等。葉型厚度分布規律均采用三次多項式厚度分布。圖4所示為該斜流+軸流組合式多級壓氣機各級葉片的造型結果。為提高斜流級轉子近出口處的稠度，防止氣流在斜流級出口處發生大面積的分離，針對斜流級轉子采用了分流葉片結構。其中，分流葉片弦向位置從40%弦長處開始直到尾緣，周向位置為50%柵距處。

為降低斜流靜子根部進口的馬赫數，一方面通過調整斜流轉子輪轂機匣型線來降低出口馬赫數，另一方面通過調整斜流轉子的落后角，給定較負的落后角來降低出口的絕對速度。

3 組合式多級壓氣機流場數值分析

在完成該斜流+軸流組合式多級壓氣機通流設計和葉片造型后，結合三維數值模擬方法對其流場進行了研究。該多級壓氣機的轉子葉尖間隙為0.2 mm，固壁面第1層網格單元Y+≤10。數值模擬采用（Spalart-Allmaras）S-A湍流模型，其邊界條件設置如下：給定進口總溫、總壓；給定各轉子交界面的靜壓和出口平均背壓；壁面采用無滑移絕熱條件。

圖5所示為該組合式多級壓氣機的特性曲線。由圖可以看出：從流量壓比特性上，近設計點的總壓比達到4.23，滿足了設計時2級總壓比4.2的要求，絕熱效率也高達88.3%；設計點換算流量為19.6 kg/s，滿足了設計換算流量19.36 kg/s的基本要求。

圖6所示為該組合式多級壓氣機斜流級流量壓比和流量效率的特性曲線。由圖可以看出：在近設計點，斜流級的總壓比達到2.95。但從特性來看，壓氣機還存在著堵塞現象，斜流級絕熱效率特性仍處于特性曲線的左半支，這不利于壓氣機的穩定工作，需通過調整后面級的設計來解決問題。

根據對該壓氣機近設計點的分析，得到了如圖7所示組合式多級壓氣機斜流級靜子進口處馬赫數沿展向分布的情況。由圖可以看出：最大馬赫數位置出現在根部3%展高和尖部91%展高處，葉中50%展高處的馬赫數較低。其中，根部最大馬赫數達到了0.87，該馬赫數相對較高，可能會導致靜子吸力面的氣流馬赫數接近靜子的臨界馬赫數。

圖8所示為組合式多級壓氣機斜流級的總壓比和絕熱效率沿展向分布的情況。由圖可以看出：斜流級的增壓主要集中在50%展高以上的截面，中部及以下位置的增壓能力相對較弱，這是由于給定根部區域較低的落后角降低了斜流葉輪根部的增壓能力，也是為了限制斜流轉子出口處的馬赫數所帶來的影響。

圖9所示為組合式多級壓氣機各級流量系數和負荷系數沿展向分布的情況。由圖可以看出：斜流級葉中區域的負荷系數仍然較低，需要繼續提高葉中區域的負荷能力；壓氣機流量系數均高于設計值，流量系數過高將會帶來后面軸流級的流動堵塞問題，若軸流級處于堵塞狀態，則會影響軸流級的特性。

圖10所示為組合式多級壓氣機S1流面10%，50%，90%展高處的相對馬赫數等值線。由圖可以看出：對于壓氣機近根部區域的流動，斜流級靜子吸力面最大相對馬赫數為1.02，但由于靜子設計氣動彎角較小，所以并未產生分離流，不過軸流級靜子有一個明顯的分離區；葉中截面的流動情況較為良好，斜流級靜子吸力面最大相對馬赫數為0.97；對于葉尖截面，斜流級轉子吸力面有一道激波，波前相對馬赫數超過1.2，波后產生了較大的低速區，這也是導致斜流級尖部效率較低的原因。此外，軸流級靜子始終處于一個較大的負攻角狀態，堵塞特征比較明顯，這不利于軸流級的性能，也符合上述分析過的由于過高流量系數所具有的流動特征。

若要改善這種情況，一方面需要增加斜流靜子的彎角，以改善后面級所具有的負攻角特性，另一方面則需對軸流級進行細致的調節，通過調整流道型線和攻角落后角的匹配等來改善流動情況。

表2給出了研究的某斜流+軸流組合式多級壓氣機各級三維數值模擬結果和設計指標對比。從給出的近設計點性能結果可知：斜流級近設計點總壓比為2.95，絕熱效率為93.8%，均滿足設計要求，甚至高于設計值；軸流級近設計點總壓比為1.433，絕熱效率為84.7%，相比設計值偏低。軸流級偏大的流量系數反映出有較大的負攻角特性，并且軸流級靜子根部的分離流動在一定程度上影響了軸流級的總壓比，造成效率偏低。

表2 壓氣機設計值與三維模擬結果對比Table 2 Comparison of 3D simulation results with design parameters for multi-stage compressor

4 結語

本文采用了一套通用于軸流、離心和斜流壓氣機的S2流面氣動設計程序，對斜流+軸流組合式多級壓氣機進行了氣動設計，確定了壓氣機的流道形式、環量分布及氣動布局等，并對該壓氣機進行了葉片造型。最后，對該組合式壓氣機進行了三維數值模擬。由組合式多級壓氣機總的特性曲線可知，該組合式多級壓氣機的數值計算結果滿足設計要求，但在軸流級流動及其與斜流級流動匹配性方面仍有進一步改進的余地，具體設計難點包括如下：

1）斜流級靜子進口處相對馬赫數過高，且靜子吸力面最大相對馬赫數仍然超過1，斜流級靜子易產生氣流分離；

2）為降低斜流級靜子的氣流分離，斜流級靜子彎角過小，且流量系數偏大，導致軸流級處于一個較大的負攻角狀態；

3）斜流級特性曲線仍處于壓氣機特性曲線的左半支，不利于壓氣機的穩定工作。

綜上所述，對于斜流+軸流組合式多級壓氣機的氣動設計，軸流級與斜流級的流動匹配性優化將是今后設計研究的重點。