燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)改型設(shè)計(jì)研究

楊波 梁齊文/上海交通大學(xué)

燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)改型設(shè)計(jì)研究

楊波 梁齊文/上海交通大學(xué)

0　引言

軸流壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的核心裝置之一，隨著工業(yè)的發(fā)展，為了增加生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的流量和壓比等都提出了更高的要求，因此需要設(shè)計(jì)一臺(tái)性能滿足要求的燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)。壓氣機(jī)設(shè)計(jì)通常采用加級(jí)的方法［1］，采用前加級(jí)的方式較多，前加級(jí)也可稱為加零級(jí)［2-3］。其設(shè)計(jì)手段相對(duì)比較完善，模擬試驗(yàn)與調(diào)整試驗(yàn)比較充分，而且前加級(jí)可獲得較高的壓比和較大的質(zhì)量流量，可使燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率顯著提高，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)還能減小流動(dòng)損失，提高整機(jī)的效率［4］。

1　改型設(shè)計(jì)原理

燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)改型設(shè)計(jì)以相似理論為基礎(chǔ)，確保在改型前后，壓氣機(jī)原通流部分仍處在相似工況條件。為了滿足相似工況，改型前后壓氣機(jī)通流部分必須滿足如下條件：

1）Re數(shù)超過臨界值，流動(dòng)處于自?；瘏^(qū)；

2）絕熱指數(shù)K要保持不變；

3）表征速度水平的圓周馬赫數(shù)

4）表征流量大小的軸向馬赫數(shù)相等

最終得到總參數(shù)表示的模型與實(shí)物的折合流量和折合轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為

2　母型機(jī)介紹

本文改型設(shè)計(jì)采用的母型機(jī)是一應(yīng)用于3 000kW移動(dòng)式電站燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的軸流壓氣機(jī)。該壓氣機(jī)級(jí)數(shù)為11，進(jìn)出口均有導(dǎo)流葉片以改變氣流方向，整機(jī)采用等內(nèi)徑的通流形式，葉片扭曲規(guī)律采用等αm流型設(shè)計(jì)，見圖1為母型機(jī)實(shí)物。

3　改型設(shè)計(jì)流程及參數(shù)選取

為了增加燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率，需要將母型壓氣機(jī)的總壓比提高到9.2以上，而現(xiàn)有的壓氣機(jī)無法滿足這個(gè)壓比需要，因此需要對(duì)母型機(jī)進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，使之滿足生產(chǎn)需求。本文的改型設(shè)計(jì)流程如圖2所示。通過分析討論，本文采用前加三級(jí)的方式進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，為了便于分析，加級(jí)葉片從前到后命名為R03，S03，R02，S02，R01，S01；改型部分的通流形式采用等內(nèi)徑，外徑的傾斜角度與母型機(jī)的進(jìn)口相同；第03級(jí)和第02級(jí)采用文獻(xiàn)［5］中的跨音葉型，第01級(jí)采用母型機(jī)第1級(jí)的葉型。

4　三維數(shù)值計(jì)算分析

4.1改型機(jī)模型

通過反復(fù)的參數(shù)修改和迭代計(jì)算，最終得到滿足壓比要求的壓氣機(jī)模型，將改型設(shè)計(jì)后的壓氣機(jī)稱為改型機(jī)，其整機(jī)幾何模型如圖3所示，葉片表面非常光滑，造型的方法滿足要求。

4.2計(jì)算網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分時(shí)采用的是O4H網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這類網(wǎng)格對(duì)不同模型有較好的適應(yīng)性。展向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)設(shè)為73，以滿足計(jì)算中三重網(wǎng)格的需要。第一層壁面網(wǎng)格長(zhǎng)度設(shè)為5.0×10-6m。總網(wǎng)格數(shù)約為2 141萬，最小正交角為27.9°，最大延展比為1 373，最大膨脹比為2.51，網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足計(jì)算需要。圖4為母型機(jī)第1級(jí)的壁面網(wǎng)格圖和葉頂?shù)尉W(wǎng)格的局部放大示意圖。從圖中可以看出在葉頂、葉根、前緣和尾緣這些流動(dòng)的重要區(qū)域網(wǎng)格均加密處理。

4.3數(shù)值計(jì)算條件

在計(jì)算求解器中，邊界條件設(shè)定為：進(jìn)口采用軸向進(jìn)氣并給出總溫293.0K和總壓101 302.7Pa，出口給定平均靜壓900 000.0Pa，轉(zhuǎn)速為6 843.0 r/min；周期邊界為默認(rèn)值，不做改動(dòng)；固體壁面均設(shè)為絕熱邊界。初始條件設(shè)定為葉輪機(jī)械模式，以便能加快收斂速度。數(shù)值計(jì)算通過求解三維雷諾平均Navier-Stokes方程實(shí)現(xiàn)，采用最為常用的Spalart-Allmaras一方程湍流模型，空間離散采用二階中心差分格式，時(shí)間離散采用顯式四階Runge-Kutta法。此外，在求解器中還內(nèi)置了一些加速收斂的方法，如多重網(wǎng)格法、當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)法和隱式殘差光順法。當(dāng)總體殘差小于10-6、最大殘差小于10-4、進(jìn)出口質(zhì)量流量相對(duì)誤差在0.1％以下，其他參數(shù)如總壓比、絕熱效率保持穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。

4.4相似理論的驗(yàn)證

由于改型設(shè)計(jì)以相似理論為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，首先需要驗(yàn)證母型機(jī)R1進(jìn)口參數(shù)與改型機(jī)R1進(jìn)口參數(shù)是否滿足相似條件。在設(shè)計(jì)工況下，母型機(jī)和改型機(jī)的折合轉(zhuǎn)速和折合流量對(duì)比如表1所示。改型機(jī)折合轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差小于0.1％，折合流量的相對(duì)誤差約為0.7％，兩者誤差均滿足設(shè)計(jì)要求。

表1　母型機(jī)和改型機(jī)折合轉(zhuǎn)速和折合流量對(duì)比

在壓氣機(jī)的改型設(shè)計(jì)中，折合轉(zhuǎn)速和折合流量相等的條件是通過相似理論推導(dǎo)出來的。因此在設(shè)計(jì)中，首要滿足速度系數(shù)和進(jìn)口馬赫數(shù)相等的條件，即進(jìn)口氣流角和馬赫數(shù)相等的條件。母型機(jī)和改型機(jī)的R1進(jìn)口氣流角和馬赫數(shù)對(duì)比如圖5、圖6所示，規(guī)定R1進(jìn)口氣流角為與轉(zhuǎn)動(dòng)方向的夾角，且為相對(duì)氣流角，馬赫數(shù)為進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)。圖5（a）和圖5（b）的氣流角基本在20°～50°之間，在30％葉高以上區(qū)域，兩圖相同位置的氣流角基本相等；30％葉高以下區(qū)域，改型機(jī)的氣流角相對(duì)小一些，但兩者的分布規(guī)律基本一致。圖6（b）要比圖6（a）中相同區(qū)域的馬赫數(shù)小一些，但沿徑向和周向的分布規(guī)律基本相同，兩者相同位置的馬赫數(shù)差值不超過0.05。綜上所述，在對(duì)母型進(jìn)行改型設(shè)計(jì)時(shí)，滿足了相似理論的要求，可對(duì)設(shè)計(jì)出的改型機(jī)進(jìn)行深入分析。

圖7為改型機(jī)與母型機(jī)各級(jí)特性參數(shù)的對(duì)比情況。為了方便作圖和比較，將改型機(jī)第03，02，01級(jí)的級(jí)序設(shè)定為-2，-1，0，其他各級(jí)不變。圖7（a）中，從第2級(jí)到第11級(jí)，改型機(jī)和母型機(jī)的各級(jí)總壓比基本相同。母型機(jī)第1級(jí)略低于改型級(jí)。圖7（b）中，隨著級(jí)數(shù)的增加，改型機(jī)與母型機(jī)的各級(jí)絕熱效率的差值是逐漸增大的，但誤差都較小。改型機(jī)第03級(jí)和第02級(jí)作為跨音級(jí)，絕熱效率很高，均在92％左右。圖7（c）中，改型機(jī)前三級(jí)的反動(dòng)度很大，導(dǎo)致第1級(jí)的反動(dòng)度差別最大。后面各級(jí)反動(dòng)度基本相同。綜上所述，改型設(shè)計(jì)對(duì)母型機(jī)的影響較小，改型設(shè)計(jì)取得了良好的效果。

4.5總體性能分析

通過三維數(shù)值計(jì)算，在轉(zhuǎn)速n=6 843r/min下，得到改型機(jī)總體氣動(dòng)特性線如圖8（b）所示。隨著流量的增大，改型機(jī)的總壓比越來越小，并且減小的趨勢(shì)越來越快；絕熱效率先緩慢增加到最大值，隨后急劇減小。在設(shè)計(jì)工況下，改型機(jī)質(zhì)量流量為64.838kg/s，絕熱效率為80.56％，總壓比為9.234。與母型機(jī)相比，改型機(jī)的變工況性能明顯變差，特別是從設(shè)計(jì)流量到最大流量，性能曲線很陡，符合壓氣機(jī)性能曲線中“壓氣機(jī)級(jí)數(shù)越多，性能曲線越陡，穩(wěn)定工作區(qū)域越窄”的變化規(guī)律。

4.6改型機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分析

4.6.1第03級(jí)和第02級(jí)流場(chǎng)分析

圖9為改型機(jī)的第03級(jí)和第02級(jí)90％、50％、10％葉高處B2B面馬赫數(shù)分布圖。從圖中可以看出，氣流在動(dòng)葉和靜葉吸力面的加速流動(dòng)得到了明顯的控制。在靜葉葉根區(qū)域，馬赫數(shù)最大值低于1，有效的抑制了激波的產(chǎn)生。在動(dòng)葉葉頂區(qū)域，馬赫數(shù)較大，特別是第03級(jí)動(dòng)葉90％葉高處，相對(duì)馬赫數(shù)最大值約為1.3，在其吸力面的中間區(qū)域有一道正激波，產(chǎn)生了一些激波損失。三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，第03級(jí)的絕熱效率為91.53％，第02級(jí)的絕熱效率為92.05％，比母型機(jī)的亞音級(jí)的效率高很多，充分說明了該跨音葉片的氣動(dòng)性能優(yōu)越。第03級(jí)的絕熱效率比第02級(jí)稍低，主要是因?yàn)榈?3級(jí)動(dòng)葉流道內(nèi)存在激波損失，導(dǎo)致總損失增加。

R03與R02吸力面極限流線分布如圖10所示。圖10（a）中，由于在R03根部葉片厚度和彎角較大，加上輪轂附面層的影響，導(dǎo)致氣流分離點(diǎn)比較靠前。中部區(qū)域流動(dòng)狀態(tài)良好，分離點(diǎn)靠近尾緣，但是隨著葉高的增加，氣流速度也逐漸增加，離心力更大，流動(dòng)分離點(diǎn)逐漸前移。在離心力的作用下，動(dòng)葉吸力面附面層內(nèi)的低速流體向葉頂移動(dòng)。在70％葉高以上區(qū)域，又加上激波的存在，兩者相互作用，引起流動(dòng)阻塞，下方流線急劇往上偏轉(zhuǎn)，甚至出現(xiàn)了回流區(qū)，流動(dòng)狀態(tài)嚴(yán)重惡化。圖10（b）中，R02的吸力面極限流線分布比較均勻，由于R02流道內(nèi)馬赫數(shù)相對(duì)較小，沒有產(chǎn)生激波，氣流分離點(diǎn)基本都在尾緣區(qū)域。

4.6.2第01級(jí)流場(chǎng)分析

改型機(jī)的第01級(jí)葉型為10C葉型，作為跨音級(jí)和亞音級(jí)的過渡級(jí)，需要確定其是否與跨音級(jí)匹配良好。圖11和圖12分別是第01級(jí)動(dòng)葉和靜葉前緣速度矢量圖，可以看出，不同葉高處的氣流進(jìn)口角與葉型前緣匹配良好，氣流的滯止點(diǎn)基本在前緣的中間區(qū)域，沒有偏離到吸力面或者壓力面，沖角在合適的范圍內(nèi)，流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，也說明了第02級(jí)靜葉的幾何出口角設(shè)計(jì)的比較合理，設(shè)計(jì)程序具有相當(dāng)精度。

4.6.3出口流場(chǎng)分析

圖13為改型機(jī)計(jì)算出口軸向速度大小和氣流方向的分布圖。從圖13（a）中可以看出，速度總體成“中間大，兩邊小”的分布規(guī)律，平均值大小約為115.2m/s。出口大部分區(qū)域軸向速度在80m/s以上，中徑附近部分區(qū)域甚至達(dá)到了140m/s。在輪轂和輪廓附近有小部分區(qū)域軸向速度很小，在80m/s以下，這是因?yàn)樵摱螀^(qū)域上游正好是出口導(dǎo)葉（OGV）的尾跡，其速度很小，又加上輪轂、輪廓的附面層粘滯作用的綜合影響造成的。圖13（b）中，出口大部分區(qū)域氣流角在85°～95°之間，僅在輪轂和氣缸內(nèi)壁的極小部分區(qū)域氣流角度小于80°，基本滿足軸向出氣的條件。

5　總結(jié)

1）前加級(jí)要求母型機(jī)氣動(dòng)性能良好，并且第1級(jí)進(jìn)口截面相對(duì)馬赫數(shù)較小。否則，前加級(jí)會(huì)嚴(yán)重影響各級(jí)之間的性能耦合，最終大大削弱整機(jī)性能，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

2）改型機(jī)第1級(jí)進(jìn)口的氣流角和馬赫數(shù)的分布與母型機(jī)基本一致，后面各級(jí)的氣動(dòng)參數(shù)如總壓比、絕熱效率、反動(dòng)度等的分布，與母型機(jī)也基本相同，滿足了相似理論的要求。也說明了本文開發(fā)的一維中截面和S2流面通流計(jì)算程序在用于改型設(shè)計(jì)時(shí)，較好地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，達(dá)到相當(dāng)精度。

3）本文將跨音葉型用于改型機(jī)的前兩級(jí)中，計(jì)算結(jié)果表明，前兩級(jí)的絕熱效率均在92％左右，兩級(jí)的平均級(jí)壓約比為1.266，說明該葉型有效地控制了激波損失和流動(dòng)分離，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。并且設(shè)計(jì)點(diǎn)效率比母型機(jī)稍高，流動(dòng)狀態(tài)得到了一定的改善，改型設(shè)計(jì)取得了成功。

［1］李景銀，石雪松.高壓軸流壓縮機(jī)的加減級(jí)設(shè)計(jì)及?；O(shè)計(jì)［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2004（5）：1-4.

［2］Ragland T L.Industrial Gas Turbine performance Uprates：Tips，Trieks，and Traps［J］.ASME Journal of Engineering for Gas Turbinesand Power，1998，120（4）：727-734.

［3］彭澤玫，劉剛.航空燃?xì)廨啓C(jī)原理（上冊(cè)）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000：100-107.

［4］苗厚武，劉建華.壓氣機(jī)加級(jí)設(shè)計(jì)的匹配問題［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，1993（4）：396-398.

［5］安利平，黃萍.一種基于計(jì)算幾何控制無量綱參數(shù)的葉片造型方法［J］.燃?xì)鉁u輪實(shí)驗(yàn)與研究，2013，26（4）：8-12.

■本文以某燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)為母型機(jī)，進(jìn)行了壓氣機(jī)的改型設(shè)計(jì)。改型設(shè)計(jì)主要是依據(jù)相似理論來進(jìn)行計(jì)算的，其中某些重要參數(shù)的選取，決定了設(shè)計(jì)的成功與否。基于氣動(dòng)設(shè)計(jì)的要求以及母型機(jī)的特點(diǎn)，采用了跨音葉片應(yīng)用于改型設(shè)計(jì)中。在一維中截面、S2流面以及整機(jī)三維數(shù)值模擬結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，通過多次修正，最終獲得了滿足氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求的高效壓氣機(jī)改型設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過分析改型機(jī)組跨音級(jí)的氣動(dòng)參數(shù)，驗(yàn)證了選取的跨音葉片的可靠性和實(shí)用性。

■燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)；改型設(shè)計(jì)；S2流面；相似理論

The Study of Modification Design on Gas Turbine Com pressor

Yang Bo，Liang Qi-wen/Shanghai Jiao Tong University

In this paper，the modification design on gas turbine compressor had been studied.The design method was based on the similarity theory in which some parameters played very important roles in the compressor modification design.Furthermore，a kind of transonic blades was applied to the modified compressor.Based on the calculation resultsof 1D crosssection，S2 stream surfaceand overall 3D numerical simulation the new compressor design was proved to meet the aerodynamic design requirements well by correcting. Besides，the flow field of transonic stage was studied further to observe the performance of thechosen transonicblade.

gas turbine compressor；modification design；S2 stream surface；similarity theory

TH453；TK474.8+1

A

1006-8155-2016（04）-0059-06

10.16492/j.fjjs.2016.04.0120

2016-04-03上海200240