某高增壓比離心壓氣機(jī)流場的數(shù)值計(jì)算?

田浩男 沈 偉 李 昂 張宇坤

（海軍航空工程學(xué)院 煙臺 264001）

1 引言

目前，隨著發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，離心壓氣機(jī)性能不斷提高，在小流量的燃?xì)廨啓C(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。同軸流式壓氣機(jī)相比，軸向尺寸小、穩(wěn)定工作范圍寬廣、零件少、較高的單級壓比和小流量適應(yīng)性好是其主要優(yōu)點(diǎn)。

某型離心壓氣機(jī)采用了單級離心葉輪增壓的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下增壓比達(dá)到了8，且具有較高的工作效率，這在國內(nèi)高增壓比離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域還較為少見。基于CFD理論，利用CFX仿真軟件仿真計(jì)算壓氣機(jī)的工作流場［2～10］，充分研究探討該型離心壓氣機(jī)的工作規(guī)律、流場中參數(shù)分布情況等方面，從中借鑒其設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)，為下一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)支撐，具有較大的工程研究價值。

2 計(jì)算模型與邊界條件

2.1 離心壓氣機(jī)的實(shí)體模型

根據(jù)離心壓氣機(jī)的實(shí)際測繪尺寸數(shù)據(jù)，利用Bladegen軟件建立壓氣機(jī)實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 離心壓氣機(jī)的實(shí)體模型

該壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子部件僅由一個單級離心葉輪組成，離心葉輪采用了大小葉片形式，各11個；統(tǒng)籌考慮該壓氣機(jī)性能和加工的難易程度，第一級靜子采用了輻射安裝的靜子導(dǎo)向葉片，且葉片為梭型直葉片，沿著葉根至葉尖直上直下，幾乎沒有彎扭；第二級靜子的功能是將上級的來流進(jìn)一步減速擴(kuò)壓，同時將上級徑向流動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動，順利進(jìn)入后面的燃燒室，為充分燃燒提供穩(wěn)定的環(huán)境。因此，該級靜子采用的是軸流靜子導(dǎo)向葉片。

2.2 邊界條件的設(shè)置

1）進(jìn)出口設(shè)置。由于離心壓氣機(jī)出口面積較窄，靜壓分布比較均勻，所以經(jīng)常把平均靜壓作為出口邊界條件，本文選取總壓進(jìn)口—靜壓出口的組合邊界條件，其中，進(jìn)口總壓設(shè)定為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，逐步改變出口靜壓以得到不同工況下的流場。

2）壁面設(shè)置。壁面分兩類設(shè)置，對于進(jìn)氣道，靜子等靜止壁面設(shè)置為光滑，無滑移的絕熱壁面；對于旋轉(zhuǎn)的葉輪，同樣采用光滑絕熱壁面，但設(shè)置為運(yùn)動的Counter Rotating Wall，并輸入相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

3）交界面設(shè)置。本文的仿真主要針對壓氣機(jī)的定常工作流場，由于該壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速較高，很可能存在激波，分離等復(fù)雜氣動現(xiàn)象，為成功捕捉到這些現(xiàn)象，本文選用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法處理動靜區(qū)域交界面。另外，為減少計(jì)算量，充分利用模型的周期性，以一個單通道作為計(jì)算對象，所以在通道兩側(cè)設(shè)置成旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件。最后邊界條件設(shè)置結(jié)果如圖2所示。

4）其他求解設(shè)置。本文仿真計(jì)算是定常計(jì)算，但CFX求解時采用的是從非定常收斂到定常的計(jì)算方法，這里，選用CFX中自帶的自動時間步長設(shè)置功能（Auto Timescale）。

收斂判斷。本文以進(jìn)出口流量平衡作為計(jì)算是否收斂的判斷依據(jù)，具體為當(dāng)兩者流量絕對值的相對偏差小于0.5%時，進(jìn)出口流量近似看作達(dá)到平衡，即計(jì)算收斂；另外，計(jì)算殘差目標(biāo)值設(shè)置為小于10-6，計(jì)算總步數(shù)為1000。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 整機(jī)流場分析

圖3和圖4分別為在設(shè)計(jì)工況下整機(jī)流場的靜壓分布和相對馬赫數(shù)分布圖。由圖可見，在設(shè)計(jì)工況下，整機(jī)流場的靜壓、馬赫數(shù)總體分布和速度矢量分布比較均勻，隨著氣流在四個部件內(nèi)的流動，靜壓整體上逐漸增大，相對馬赫數(shù)則呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

圖3 整機(jī)流場靜壓分布

圖4 整機(jī)流場相對馬赫數(shù)分布

雖然進(jìn)氣道支板的尾部出現(xiàn)了一束尾跡流，但沒有對后面的流場造成太大影響；在葉輪葉片前緣的吸力面出現(xiàn)了一道中等強(qiáng)度的激波，而在后緣出現(xiàn)了一個較大范圍的低速區(qū)；氣流在進(jìn)入第一級靜子流道時，速度已經(jīng)達(dá)到超音速，在葉片前緣出現(xiàn)了一道較強(qiáng)激波和低壓區(qū)，緊隨激波后氣流壓強(qiáng)快速增大，速度不斷減小，最終以亞音速進(jìn)入到第二級靜子，由此可以判斷該型壓氣機(jī)主要通過激波對氣流進(jìn)行增壓；流入第二級靜子后，氣流速度進(jìn)一步減小，壓強(qiáng)不斷增大，在葉片尾部可能會出現(xiàn)分離現(xiàn)象。第二級靜子尾部可能出現(xiàn)分離現(xiàn)象。

3.2 葉輪流場分析

圖5、圖6、圖7分別為不同葉高流場參數(shù)分布圖。在氣流進(jìn)入葉輪流道前，由于葉片前緣進(jìn)口角不合適，氣流以較小正攻角進(jìn)入流道，在流道唇口處產(chǎn)生了一道弱激波，致使流通面積變小，并發(fā)生了不同程度的分離，造成能量損失。

圖5 20%葉高流場參數(shù)分布圖

圖6 50%葉高流場參數(shù)分布圖

圖7 80%葉高流場參數(shù)分布圖

采用的小葉片既能較好地起到抑制葉片后段氣流分離的作用，又不會減小氣流的流通面積。氣流在剛進(jìn)入葉輪流道后，20%和50%葉高的流動情況有所好轉(zhuǎn)，尤其是20%葉高，氣流速度呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，但50%葉高在流道后半段葉片吸力面出現(xiàn)了一個較小范圍的低速區(qū)。雖然葉輪后段采用了葉片前傾的技術(shù)措施以減小泄露流，但該葉輪級采用了中等后彎角度的設(shè)計(jì)方案，加之氣動負(fù)荷較高，因此在葉片后段80%葉高以上流動情況最為復(fù)雜和惡劣，在流道后段小葉片的吸力面出現(xiàn)了較嚴(yán)重氣流分離現(xiàn)象，流動損失較嚴(yán)重，限制了其穩(wěn)定工作的范圍。

從不同葉高的靜壓分布圖和葉片表面靜壓分布曲線圖中可以看到，不同葉高的靜壓分布規(guī)律比較相似。氣流在葉片進(jìn)口的吸力面產(chǎn)生局部低壓區(qū)，這主要是受氣流的分離的影響；進(jìn)入流道后，靜壓總體呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，且吸力面的靜壓比背壓面要低；在流道的出口，靜壓分布非常不均勻，產(chǎn)生了局部高壓區(qū)，這主要是受尾跡流的影響。

3.3 第一級靜子流場分析

圖8（a）給出了50%葉高的氣流速度分布。整體上，葉片吸力面的速度要小于背壓面。氣流經(jīng)過葉輪做功后，速度得到大幅提高，氣流在進(jìn)入第一靜子流道前，已經(jīng)達(dá)到超音速，其中葉片前緣頭部位置的最高速度接近了兩個馬赫數(shù)。由于進(jìn)氣角度的不合適，在流道唇口出現(xiàn)一道強(qiáng)激波，然而葉片前緣的尖形設(shè)計(jì)還是能夠很好地應(yīng)對前方的高速來流，成功抑制住了高速區(qū)域的進(jìn)一步發(fā)展，避免了氣流在前緣吸力面和背壓面出現(xiàn)氣流分離的現(xiàn)象，使其在后面的流道中順利減速增壓，出現(xiàn)了一個高速區(qū)。

圖8（b）給出了50%葉高的總壓分布。氣流剛從葉輪流出后總壓分布基本達(dá)到了，但是在進(jìn)入第一級靜子流道前，總壓變化極為劇烈，這是因?yàn)槿~片前緣出現(xiàn)的高速激波致使流道擁堵，造成很大的流動損失。氣流進(jìn)入第一級靜子流道后，流動開始逐漸平穩(wěn)，流動損失也隨之減小，因此，在流道內(nèi)部氣流的總壓變化梯度也有所減小，分布也越來越均勻。從葉片后緣速度矢量分布圖看，在葉片尾緣，兩股速度不同的尾流摻混，造成一定能量損失和總壓損失。

綜上分析，該第一級靜子能夠較好地應(yīng)對前方的高速來流，沒有出現(xiàn)氣流分離的現(xiàn)象。但是，該級壓機(jī)已經(jīng)工作在臨界狀態(tài)，唇口出現(xiàn)的強(qiáng)激波致使流道擁塞的問題依然存在，加上直葉片進(jìn)氣攻角的不合適，帶來了較多的能量損失，致使總壓降低。

圖8 第一級靜子流場參數(shù)分布圖

3.4 第二級靜子流場分析

和第一級靜子的功能一樣，第二級靜子的作用也主要是引導(dǎo)氣流進(jìn)一步減速增壓，但與第一級靜子不同的是，氣流在進(jìn)入第二級靜子流道前，其速度已經(jīng)降低為亞音速。因此，在葉形選取上，該級靜子采用了圓頭拱型葉片，旨在能夠避免在擴(kuò)壓改變流動方向的基礎(chǔ)上盡量減小流動損失。從圖9（a）中可以看到，葉片前緣成功地將前方來流平穩(wěn)地引入到后面流道中，沒有因?yàn)楣ソ堑牟缓线m而產(chǎn)生高速激波區(qū)域，氣流速度的分布比較均勻，且逐漸減小。但是，由于該型葉片采用了大角度后彎設(shè)計(jì)，致使吸力面氣流在流經(jīng)后半段流道時，逆壓氣流產(chǎn)生了局部低速區(qū)和氣流分離現(xiàn)象，發(fā)生了氣流分離現(xiàn)象。

圖9（b）為50%葉高總壓分布圖，和第一級靜子的總壓分布相比，第二級靜子分布更加均勻，在整個流道內(nèi)部的分布也是比較平穩(wěn)的，呈現(xiàn)出中間高兩側(cè)低的特點(diǎn)，總壓損失主要是因?yàn)閮蓚?cè)壁面的粘性致使氣流滯留。但在流出第二級流道時，吸力面總壓變化梯度有所增大，這主要是因上述尾跡渦和氣流分離造成的。

圖9 第二級靜子流場參數(shù)分布圖

4 結(jié)語

根據(jù)對在設(shè)計(jì)工況下流場的分析結(jié)果，該型離心壓氣機(jī)的部件設(shè)計(jì)比較合理。葉輪對氣流的做功能力很強(qiáng)，在設(shè)計(jì)工況下幾乎不存在氣流分離現(xiàn)象；對于葉輪后超音速氣流，采用梭型直葉片的第一級靜子能夠成功抑制氣流的分離現(xiàn)象，能夠順利完成擴(kuò)壓減速的過程；第二級靜子葉片的彎扭程度較大，能夠使氣流在進(jìn)一步擴(kuò)壓減速后沿軸向流進(jìn)后面的燃燒室，為充分穩(wěn)定的燃燒提供良好的基礎(chǔ)。