某小流量三級軸流壓氣機的氣動性能及數值分析

張 彪，宋丹路，曲帥杰

（西南科技大學 制造科學與工程學院，綿陽 621010）

0 引言

自上世紀以來，航空發動機和燃氣輪機呈現出高負荷、高壓比的發展趨勢[1]。壓氣機作為航空發動機和燃氣輪機的三大核心部件之一，其氣動性能影響到整個動力系統的工作效益。壓氣機的研制與試驗等費用相當昂貴，而三維數值模擬計算可驗證壓氣機的不同工況下的特性性能，其計算不受風洞、濕度等外界因素的影響，從而可用數值模擬計算方法對其進行預研和評估，加快研發效率和縮短研制周期。由于負荷與壓比的提高和跨音速多級軸流壓氣機的內部流動復雜，其流道內通常具有附面層分離、激波與泄露流等二次流的相互作用引發壓氣機在近壁面的損失。因而多級軸流壓氣機的全三維流場計算方法成為研制高壓比、高負荷軸流壓氣機的關鍵技術。

近二十多年來，針對跨音速軸流壓氣機的級間匹配、激波、二次流、內部流場復雜、數值模擬計算和多級壓氣機難以收斂等問題，國內外學者專家[2,3]{Lecheler，2001 #10；Wellborn，2001 #2；馬文生，2007#12}對其進行了氣動設計和數值分析。J.D.Denton[4]對多級軸流壓氣機進行了三維數值模擬計算。Steven[5]利用新開發的多級CFD系統，重新設計葉片，使得壓氣機的總效率提高了1%。Wang Zhuo[6]利用數值計算對某3.5級軸流壓氣機進行了數值研究，著重分析了穩況和變工況下的流場。高學林[7]利用三維粘性流動軟件對某重型燃氣輪機多級軸流壓氣機進行了全工況的數值計算，重點分析了穩況下可調導葉角度的變化。蘇欣榮[8,9]利用商用CFD計算工具，初步預測了多級軸流壓氣機在穩況和變工況的性能，著重分析了失速點、堵塞點、最高效率點等典型工況點的流場特性。張士杰[10]采用一種快速求解三維粘性流場的計算方法對五排壓氣機進行了全工況的數值計算，對比分析了五排聯算與前三排的后級對前級的影響。

終上所述，為了研究分析軸流壓氣機的內部流動機理、典型工況下的氣動性能和壓氣機在近壁面的損失機理，因此，本文以三級跨音速軸流壓氣機為研究對象，利用三維數值模擬技術（CFD）計算并對比分析數值模擬結果和設計方案，得到跨音速軸流壓氣機的特性曲線、流動機理和各工況下的損失情況。

1 研究對象與計算方法

1.1 研究對象簡介

本文的研究對象為三級軸流跨音速壓氣機，其設計轉速42000r/min，設計總壓3，設計流量4.8kg/s，設計效率87%。圖1為該研究對象的子午流道。

1.2 數值計算方法

圖1 壓氣機的子午流道

圖2 壓氣機的單通道計算網格

本文使用CFD商用軟件對跨音速軸流壓氣機進行了定常數值模擬，求解三維雷諾平均的N-S方程組[11]，以及采用S-A湍流模型，并在使用了網格多重技術、殘差光速等方法加速收斂[12,13]。由于存在激波問題，動靜交界面采用二維無反射轉靜子模型。定常流，工質為理想氣體。

該模型的單通道計算網格如圖2所示，網格拓撲結構采用H-O-H結構，各葉片及周圍采用O型網格，進口段與出口段均采用H型網格。近壁面第一層網格高度ywall=1×10-6m。以保證第一層網格y+<5。取特征速度175m/s，特征密度1.2kg/m3。特征長度0.205m。如表1所示，網格總數4262394，最小正交性角度25.438，最大長寬比1770.6，最大延展比1.99，即該網格質量較好，符合計算條件。

壓氣機進出口邊界條件：進口給定總溫288.15K、總壓101325pa，軸向進氣。出口給定中徑處的背壓，利用簡化徑向平衡方程得到背壓沿展向的分布情況。在數值模擬過程中，通過改變出口背壓得到不同工況下的內部流場以及特性曲線。

表1 壓氣機的網格質量

2 數值計算結果及分析

2.1 總體性能

圖3 設計轉速下的特性曲線

為了分析研究該壓氣機的內部流動特性，通過不斷增加出口背壓，使收斂點向發散點靠攏，當達到發散時，即該點為失速點。反之，降低出口背壓，當流量不在增加時，該點為堵塞點，從而得到設計轉速下的不同工況。圖3是壓氣機的特性曲線，由于目前缺乏該壓氣機的實驗數據，通過與設計值相比，該計算整體達到設計要求，但效率較低，與設計效率相差3%左右。即該數值模擬計算方法能夠描繪壓氣機的內部流動情況及預測該研究對象的總體性能。由特性曲線看出，當運行工況向近堵塞點和近失速點靠攏時，等熵效率下降到80%左右。為了進一步分析該原因，下面將著重分析壓氣機在典型工況下的損失問題。

2.2 典型工況下的流場分析

2.2.1 相對馬赫數分析

為了更好的分析壓氣機的流動特性，本文選用設計點、最高效率點、失速點、堵塞點進行分析。圖4、圖5分別給出了各工況下50%與90%葉高處S1流面的相對馬赫數云圖，各自轉子的前緣和動葉的吸力面50%區域處于超音速狀態，其余區域及靜子屬于亞音速流動。由于邊界層的作用以及附面層分離的影響，靠近轉靜子尾緣部分，出現了一小部分低速流體。設計點以及最高效率點的低能團較弱。近失速點工況下第一級靜子吸力面葉高90%處低能團幾乎覆蓋了整個吸力面，而當到達葉頂時，由于葉間間隙的影響，低能團還會逐漸擴散。在這四種工況下，低速流體的位置明顯不同，在50%葉高處的S1流面的低速流體主要附著于吸力面靠近尾緣10%～20%左右，且主要分布在葉片的吸力面處，從尾緣向前緣延伸，并逐漸擴散，最終導致堵塞。我們還可以看到在動葉及靜葉吸力面靠近尾緣的位置，馬赫數等值線在葉片的吸力面以及動葉前緣分布密集，意味著該區域的逆壓強度大、流動劇烈、速度變化趨勢大、近壁面出現邊界層分離，這也是造成流場不穩定、出現導流、效率較低的原因。如圖4、圖5所示，由于跨音速的影響，在動葉前緣以及吸力面的位置有兩道正激波，沿著出口軸向位置，激波逐漸遠離動葉前緣，并在動葉前緣處形成了脫體激波，而在動葉吸力面的前緣至尾緣部分形成了槽道激波，沿著背壓不斷提高，也就是向失速點靠近時，動葉前緣的脫體激波以及動葉吸力面的槽道激波逐漸減弱。當工質通過逐漸通過這些激波時，速度明顯下降，靜壓升高，造成了激波損失。

圖4 不同工況下50%葉高處S1流面的相對馬赫數分布

圖5 不同工況下90%葉高處S1流面的相對馬赫數分布

2.2.2 轉子型面的壓力分布

圖6 設計工況下各級轉子靜壓沿軸向分布

各級型面壓力的分布情況，較好的描述了整個壓氣機的做功加壓情況以及不同葉高處的負荷情況。圖6分別給出了實際設計工況下的各級轉子不同葉高的靜壓分布情況。由于動葉的主要作用是減速增壓，即沿著流動方向和葉高方向，各級轉子的靜壓逐漸增大，并且靜壓曲線的面積也隨之增加，表明葉片的加工量隨著葉高和流向方向加大。可以看出各級轉子壓力面的壓力分布情況均勻，逆壓強度變化平緩，無明顯壓降以及流動分離情況。而吸力面的分布與壓力面存在著較大的差異，在50%葉高處，第一級轉子的吸力面距離前緣10%～50%區域、其余兩級距離前緣40%～50%區域均出現了壓降，氣流呈現渦旋的狀態以及分離的現象。由于壓降產生的氣體分離導致壓氣機的損失加大，效率降低。從靜壓沿軸向的分布情況，各級轉子吸力面距離前緣50%～60%處，壓力突然由低升高，壓力沿軸向弦長方向出現波動。由于跨音速流動引發的葉間流道內的槽道激波，以致葉片尾緣出現了分離現象，壓力升高，流速降低形成了低能區域，造成阻塞。而靜壓的升高，造成了逆壓強度的增大，而過大的吸力面的逆壓強度，進一步造成了吸力面損失的增加。這間接驗證說明了上述關于S1流面的相對馬赫數的分析。

2.2.3 典型工況下的熵分布

熵增可以直觀反映壓氣機在各工況下的損失情況。圖7分別給出了壓氣機各工況下子午面的熵的分布情況，從圖中清晰得知，沿著子午面流向，熵逐漸增加。各工況下熵的最大值出現于接近出口截面。由于間隙流動產生的泄露渦以及葉片尾緣的附面層分離等因素，熵主要分布于葉頂與葉根，在葉頂位置損失最為嚴重。在85%以上的葉高區域出現了高熵增區，隨著背壓的不斷提高，逆壓強度增大，熵增區域擴散越發明顯，在失速工況下，熵增幾乎覆蓋了50%的出口區域，即壓氣機在失速工況下的損失最為嚴重。結合相對馬赫數的分析，在葉高區域，由于間隙流的影響及附面層的相對作用，聚集了大量的低能團，這也是導致熵增的主要原因。

圖7 典型工況下S2流面的熵增分布

為了進一步分析壓氣機在徑向方向上損失的情況，選用實際設計點工況下50%和95%的S1流面作為分析對象。圖8的熵增分布情況，在徑向方向上，隨著葉高的增加熵增逐漸加大，熵增主要分布于轉靜子的吸力面并且靠近尾緣，這也對應了相對馬赫數的分布情況，上下端壁的附面層加厚，導致流動分離現象嚴重并聚集了大量的低能團，從側面驗證了為何近壁面熵逐漸增大。

3 結語

本文使用三維數值模擬計算方法對某三級軸流壓氣機進行了仿真計算，通過計算分析值與設計值進行對比分析，主要得出了以下結論：

1）得到了在設計轉速下的工作特性以及總體性能，同時獲得了該跨音速壓氣機的內部流場細節。

圖8 設計工況下不同葉高的S1流面的熵增分布

2）通過改變出口中徑處的背壓，得到了近最高效率點、近堵塞點及近失速點，并分別分析了四種典型工況下的相對馬赫數，得到這四種工況下低能團的大致位置以及激波的位置。近最高效率點和設計點的低能區域較小，流動狀況較好。隨著背壓的提高，低能團區域逐漸擴散。在近失速點，第一級靜子吸力面區域產生了大量的低能團，從而加劇了流道阻塞進而使轉子失速。在這四種工況下，激波均分布于動葉前緣和動葉流道內，隨著背壓的提高，激波在近失速點達到最強。

3）通過對近設計點各級轉子型面壓力的分析和熵增分布的情況，壓氣機的損失主要來源于葉高80%以上的區域。壓氣機的效率較低的原因是：動葉前緣的脫體激波和葉間流道內的槽道激波、葉頂間隙的泄露流，轉靜子吸力面的低能團引發的阻塞現象。

4）由于該壓氣機的損失較為嚴重，特別是動靜葉尾緣的附面層，如何抑制激波帶來的損失以及降低流動分離的損失以及改善動靜葉葉型是下一步優化的方向。