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(xué)能源與動力工程學(xué)院航空發(fā)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(shù)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(xué)能源與動力工程學(xué)院航空發(fā)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(shù)研究院，北京100074)

結(jié)合一臺出口級使用大小葉片轉(zhuǎn)子的高負荷多級軸流壓氣機的設(shè)計過程，對其多種設(shè)計方案進行數(shù)值模擬，通過對各設(shè)計方案級間匹配特性的分析，總結(jié)出多級軸流壓氣機的級間匹配特性。通過與另一臺級數(shù)相當?shù)缓笮∪~片轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子對級間匹配特性的影響。結(jié)果表明，在多級軸流壓氣機出口級使用大小葉片轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子；流動分離；失速裕度；數(shù)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(yōu)劣直接影響壓氣機的總體性能。在多級軸流壓氣機設(shè)計中，級間參數(shù)匹配是設(shè)計工作的重中之重，也是最困難的部分。任意級的級間參數(shù)選擇不合適將導(dǎo)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(shù)與設(shè)計參數(shù)偏離，從而導(dǎo)致壓氣機整機性能無法達到設(shè)計目標。因此，對于多級壓氣機設(shè)計，級間匹配往往是決定壓氣機設(shè)計成敗的最關(guān)鍵因素。

為找到正確計算各級匹配的方法，國內(nèi)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(jù)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(fā)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(shù)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(shù)、總壓比和效率在各級的分布進行了優(yōu)化研究。

國內(nèi)方面，鄒正平等[8]指出，多級壓氣機匹配是一個葉輪機設(shè)計難題，在設(shè)計之初就把非設(shè)計狀態(tài)下影響級間匹配的主要因素考慮在內(nèi)，是解決多級壓氣機匹配問題的關(guān)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(shù)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(shù)在各級的分布情況，及大流量多級軸流壓氣機的設(shè)計特點。

隨著大小葉片轉(zhuǎn)子技術(shù)的不斷成熟，大小葉片轉(zhuǎn)子逐步應(yīng)用到多級軸流壓氣機中[11～15]。由于大小葉片轉(zhuǎn)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(jié)合一臺高負荷多級軸流壓氣機的設(shè)計過程，對其多種設(shè)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(guī)律；并通過與另外一臺級數(shù)相當?shù)牡拓摵奢S流壓氣機的級間匹配特性進行對比，來研究大小葉片轉(zhuǎn)子對多級軸流壓氣機級間匹配規(guī)律的影響。

2 研究對象和計算方法

研究對象為帶前置導(dǎo)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成軟件Autogrid5進行網(wǎng)格繪制，常規(guī)葉片通道采用H-O-H型網(wǎng)格，大小葉片轉(zhuǎn)子通道采用H-I型網(wǎng)格。采用SST二方程湍流模型，使用一階精度迎風(fēng)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(zhì)，恒定轉(zhuǎn)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(diào)整周向、軸向和展向三個方向上的網(wǎng)格層數(shù)，繪制出三種不同數(shù)目(約500萬、700萬和1 000萬)的網(wǎng)格進行數(shù)值計算，結(jié)果如圖2所示?？梢?，計算結(jié)果不隨網(wǎng)格數(shù)目的變化而改變，三種網(wǎng)格計算結(jié)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(nèi)部流場信息，本文選用1 000萬的網(wǎng)格進行計算。網(wǎng)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(nèi)層網(wǎng)格厚度較小，同時由于計算資源有限，需要控制網(wǎng)格總數(shù)，這就使得壁面處的網(wǎng)格長寬比很難控制在1 000以下。長寬比超過1 000的網(wǎng)格主要集中在葉片、機匣和輪轂等壁面處，壁面處流動參數(shù)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(wǎng)格長寬比較大對計算結(jié)果的影響較小，因此以上網(wǎng)格質(zhì)量可保證計算結(jié)果的準確性。

3 級間匹配特性分析

本文參數(shù)的無量綱化方法為：XRel=X/X0(X為參

數(shù)，X0為選定的基準參數(shù))。

3.1 各設(shè)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(shè)計方案的級間匹配特性圖?？梢?，五種設(shè)計方案的級間匹配特性類似，總壓比沿流向逐級減?。唤^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(zhuǎn)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(zhuǎn)子，這兩級轉(zhuǎn)子的做功能力較大，因此其反力度較大。

方案1在設(shè)計點靜子葉片吸力面的極限流線如圖4所示?？梢?，S2、S4和S5葉片吸力面尾部都存在較大的流動分離。在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，當壓氣機流量減小時，S2葉片吸力面的分離區(qū)大小基本不變，S4和S5的分離區(qū)逐漸變大，S6尾部出現(xiàn)大的流動分離，且S5尾部的分離區(qū)最大。結(jié)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(shè)計點靜子葉片吸力面的極限流線如圖5所示?？梢?，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(shè)計轉(zhuǎn)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(qū)逐漸增大，且沿流向增幅逐漸增大。結(jié)合圖3中的級間參數(shù)分布可知，第2級的總焓升過大；第4、第5級的反力度最??；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(xiàn)流動分離。

方案3在設(shè)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(shè)計轉(zhuǎn)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(qū)逐漸增大，且沿流向增幅逐步增大。結(jié)合圖3中的級間參數(shù)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(zhuǎn)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(fā)生大的流動分離，引起壓氣機進入失速狀態(tài)。

方案4在設(shè)計點靜子葉片吸力面的極限流線如圖7所示?？梢姡琒2、S5和S6葉片吸力面尾部發(fā)生了流動分離，其中S2的分離區(qū)最大，其它各級流動狀況較好。在設(shè)計轉(zhuǎn)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(qū)逐漸增大，且沿流向增幅逐漸增大。結(jié)合圖3中的級間參數(shù)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(fā)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(zhuǎn)子，而第5、第6級轉(zhuǎn)子是常規(guī)轉(zhuǎn)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(fā)生大的流動分離，壓氣機進入失速狀態(tài)。

方案5在設(shè)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(fā)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(shè)計轉(zhuǎn)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(qū)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(jié)合圖3中的級間參數(shù)分布可知，第2級的總焓升最大、反力度最??；第4、第5級的反力度較?。缓竺嫒壍目傡噬鞠喈?，由于最后兩級是大小葉片轉(zhuǎn)子，而第6級是常規(guī)轉(zhuǎn)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(fā)生流動分離。

由圖3中的級間匹配特性可知，在設(shè)計點，五種設(shè)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(shè)計方案中第1級轉(zhuǎn)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(qū)大小不同(圖9)，從而造成各設(shè)計方案絕熱效率出現(xiàn)差異。

3.2 大小葉片轉(zhuǎn)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(shè)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(dǎo)葉和可調(diào)靜子葉片，但出口級不含靜子葉片，且各級轉(zhuǎn)子葉片均為常規(guī)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)計方案各級轉(zhuǎn)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(guī)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(zhuǎn)速時的性能，總壓比沿級分布應(yīng)中間高、兩端低的結(jié)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(diào)，在轉(zhuǎn)速降低時可通過調(diào)節(jié)進口

段靜子葉片的安裝角來改變進氣條件，保證部分轉(zhuǎn)速下的性能。

高負荷壓氣機五種設(shè)計方案中的一個共同點是：在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，當壓氣機質(zhì)量流量減小時，S6或S5葉片尾部首先發(fā)生大的流動分離，然后整機進入失速狀態(tài)。而不含大小葉片轉(zhuǎn)子的低負荷壓氣機，在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，流量減小時S7、S8葉片吸力面尾部首先發(fā)生流動分離，從而引起整機失速。據(jù)文獻[1]可知，多級軸流壓氣機中存在放大效應(yīng)，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(tài)。在該高負荷壓氣機中，由于后面級使用的是大小葉片轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上游相鄰級發(fā)生流動分離，導(dǎo)致整機進入失速狀態(tài)。即在出口級使用大小葉片轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guī)轉(zhuǎn)子，總壓升和靜壓升沿級增長較平緩、增幅較?。欢鴮τ诟哓摵蓧簹鈾C各設(shè)計方案，出口兩級使用的是大小葉片轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子，可提高出口級負荷，增加出口級壓比，提高整機壓比。

4 結(jié)論

(1)本文出口級使用大小葉片轉(zhuǎn)子的高負荷多級軸流壓氣機的各設(shè)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(zhuǎn)子，可提高后面級負荷，提高壓氣機整機壓比；并且在設(shè)計轉(zhuǎn)速下壓氣機流量減小時，可延緩壓氣機失速，增大失速裕度。

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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。