某重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)跨音級(jí)特性研究

張成義，馮永志，張宏濤，呂智強(qiáng)

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

隨著地面重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，跨音級(jí)壓氣機(jī)已開始應(yīng)用，世界幾大主要燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)商在其F級(jí)機(jī)組中均開始使用跨音級(jí)壓氣機(jī)以提高壓氣機(jī)的壓比。例如GE公司的9FA燃?xì)廨啓C(jī)、SIMENS公司的V94.3燃?xì)廨啓C(jī)就有兩級(jí)跨音級(jí)，通過葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不損失較大效率的基礎(chǔ)上大大增加了壓氣機(jī)的總壓比。目前，國內(nèi)外已有很多研究人員通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)跨音級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)行了研究，V.Gummer［1］等人使用全三維葉片設(shè)計(jì)方法進(jìn)行高負(fù)荷跨音壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)，有效地改進(jìn)了葉片徑向負(fù)荷的分布;Stefan［2］等人采用實(shí)驗(yàn)方法研究了某5級(jí)跨音壓氣機(jī)，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì);張士杰［3］等人采用一種新的三維粘性流場計(jì)算方法對(duì)NASA37號(hào)低展弦比、跨音級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬;王同慶［4］等人使用PIV技術(shù)對(duì)NASA37號(hào)跨音級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的激波結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;任曉棟、楊其國、賈海軍［5-7］等人也通過數(shù)值計(jì)算方法對(duì)跨音級(jí)壓氣機(jī)內(nèi)部流場特性進(jìn)行了相關(guān)研究。

本文以某重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的跨音級(jí)為研究對(duì)象，其包含兩級(jí)跨音級(jí)，選取包括進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉在內(nèi)的前3級(jí)半為計(jì)算模型，計(jì)算其變轉(zhuǎn)速全工況特性，并研究其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下流場內(nèi)部流動(dòng)特性，選取近失速點(diǎn)、近設(shè)計(jì)點(diǎn)、近阻塞點(diǎn)對(duì)比不同工況下的流動(dòng)狀況，分析激波和靜壓分布的變化情況，為壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。

1 網(wǎng)格模型和數(shù)值方法

本文數(shù)值模擬所使用的程序?yàn)镹UMECA公司開發(fā)的FINE/TURBO流場求解器。葉柵流道空間離散網(wǎng)格使用其前處理模塊IGG/AutoGrid生成，網(wǎng)格拓?fù)淙鐖D1所示。網(wǎng)格拓?fù)錇镠-O-H結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)進(jìn)出口段增加H型網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為790萬?？刂瓶拷诿娴木W(wǎng)格加密，壁面第一層網(wǎng)格滿足y+＜3，N-S方程求解器采用FINETM模塊，時(shí)間推進(jìn)采用4階Runge-Kutta法迭代求解，湍流模型采用低雷諾數(shù)Spalart-Allmaras一方程模型，動(dòng)靜葉片排交界面采用混合平面模型。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 跨音級(jí)特性曲線

經(jīng)過計(jì)算得到3.5級(jí)壓氣機(jī)在5個(gè)不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線，包括流量-效率和流量-壓比曲線，如圖2所示。圖中的流量為相對(duì)流量為設(shè)計(jì)流量)，等熵效率、壓比分別為

觀察特性曲線，可以看到，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)存在最高效率點(diǎn)，且壓氣機(jī)的喘振裕度較大，在非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)的喘振裕度較小。

2.2 內(nèi)部流場分析

該重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)有兩級(jí)跨音級(jí)，針對(duì)此兩級(jí)跨音級(jí)動(dòng)葉進(jìn)行內(nèi)部流場的分析，即第01級(jí)和第02級(jí)。圖3所示為兩跨音級(jí)動(dòng)葉在典型工況下的各個(gè)葉高截面的靜壓等值線分布，在5%葉高截面上沒有激波結(jié)構(gòu);在50%和95%葉高截面上存在激波，以95%葉高截面為例說明激波隨工況變化的發(fā)展過程?？梢钥闯?，在近失速點(diǎn)、近設(shè)計(jì)點(diǎn)、近阻塞點(diǎn)都有激波存在，激波帶來的強(qiáng)烈的熱傳導(dǎo)和較高的正應(yīng)力，產(chǎn)生了很高的熵增，激波前后的熵增是激波前后靜壓升的來源。近失速點(diǎn)下激波強(qiáng)度最強(qiáng)，近設(shè)計(jì)點(diǎn)次之，近阻塞點(diǎn)最弱。當(dāng)工況由近失速點(diǎn)向近阻塞點(diǎn)變化時(shí)，激波逐漸向下游移動(dòng)，由脫體激波向貼體激波發(fā)展。

圖2 壓氣機(jī)的效率及壓比曲線

圖3 跨音級(jí)動(dòng)葉各葉高截面靜壓等值線分布

2.3 氣動(dòng)參數(shù)分析

圖4所示為兩跨音級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度沿葉展方向的分布。當(dāng)運(yùn)行工況由近失速點(diǎn)向近阻塞點(diǎn)變化時(shí)，兩跨音級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口的軸向速度逐漸增大。由于上游為進(jìn)口導(dǎo)葉，各工況下第01級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口的軸向速度分布規(guī)律相同，附面層厚度基本相同，并未受工況變化影響;由于激波與附面層的相互影響，氣流經(jīng)第01級(jí)跨音級(jí)后變化較大，影響了第02級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口的速度分布情況，近設(shè)計(jì)點(diǎn)與近阻塞點(diǎn)速度變化規(guī)律相同，近失速點(diǎn)速度最小，且其端壁附面層厚度最大。

圖5所示為兩跨音級(jí)動(dòng)葉中徑處型面靜壓系數(shù)的分布情況。橫坐標(biāo)表示相對(duì)弦長，縱坐標(biāo)CP表示靜壓系數(shù)。在三種工況下，激波前吸力面靜壓在近阻塞點(diǎn)最大，近設(shè)計(jì)點(diǎn)次之，近失速點(diǎn)最小，而激波后的靜壓變化情況則相反，可見，近失速點(diǎn)激波損失最大，近設(shè)計(jì)點(diǎn)與近阻塞點(diǎn)相差不大;近失速點(diǎn)時(shí)動(dòng)葉前緣壓力面吸力面靜壓差比較大，葉片前緣負(fù)荷最高，當(dāng)運(yùn)行工況由近失速點(diǎn)向近阻塞點(diǎn)變化時(shí)，葉片負(fù)荷逐漸降低，且高負(fù)荷區(qū)由前緣向尾緣移動(dòng)。

圖4 兩跨音級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度展向分布

圖5 兩跨音級(jí)動(dòng)葉中徑處型面靜壓系數(shù)分布

3 結(jié)論

本文采用NUMECA計(jì)算軟件對(duì)某重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的跨音級(jí)進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了跨音級(jí)的全工況特性曲線，并分析了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下內(nèi)部流場特性。

(1)本文所采用的數(shù)值計(jì)算方法能夠很好的計(jì)算出跨音級(jí)壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線。

(2)研究了跨音級(jí)壓氣機(jī)在典型工況下的內(nèi)部流場特性，在近失速點(diǎn)，動(dòng)葉前緣上游存在脫體激波，激波強(qiáng)度最強(qiáng);當(dāng)工況向近阻塞點(diǎn)變化時(shí)，激波強(qiáng)度逐漸減弱，且激波位置逐漸向下游移動(dòng)，由脫體激波向貼體激波發(fā)展。

(3)近失速點(diǎn)激波前后靜壓差最大，其激波損失最大，近設(shè)計(jì)點(diǎn)與近阻塞點(diǎn)相當(dāng);近失速點(diǎn)前緣壓力面吸力面靜壓差比較大，葉片負(fù)荷最高，近設(shè)計(jì)點(diǎn)次之，近阻塞點(diǎn)最小。

［1］V Gummer，U Wenger，H-P Kau.Using Sweep and Dihedral to Control Three-Dimensional Flow in Transonic Stators of Axial Compressor［A］.ASME paper-2000-GT-0491.

［2］Stefan L，Rainer S，Bertram S.Experimental and Numerical Investigation of the Flow in a 5-Stage Transonic Compressor Rig.In:Proceedings of ASME Turbo Expo 2001，2001-GT-0344.

［3］張士杰，袁新，葉大均.跨音速軸流壓氣機(jī)三維粘性流場全工況數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24(1):43-45.

［4］王同慶，劉胤，吳懷宇.用PIV技術(shù)測量跨音壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)流的激波結(jié)構(gòu)［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2002，23(3):298-300.

［5］任曉棟，顧春偉.1.5級(jí)跨音速壓氣機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值分析［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30(9):1472-1474.

［6］楊其國，呂智強(qiáng)，胡平金，等.進(jìn)口氣流角對(duì)某跨音級(jí)葉柵影響的數(shù)值分析［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2011，53(5):321-323.

［7］賈海軍，吳虎.跨聲速軸流壓氣機(jī)特性全三維黏性流動(dòng)分析［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2009，24(10):2327-2332.