某9級(jí)軸流壓氣機(jī)級(jí)間匹配性能的試驗(yàn)研究

胡勝波，趙世全，艾松，王歡樂，程國強(qiáng)，吳文彭，王建，李建華

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

1 背景

軸流壓氣機(jī)由于單級(jí)壓比低，往往級(jí)數(shù)較多，這就導(dǎo)致壓氣機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)內(nèi)部各級(jí)的運(yùn)行狀況十分復(fù)雜，級(jí)與級(jí)之間往往具有較大差別。比如，壓氣機(jī)在高轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行時(shí)易呈現(xiàn)出 “前堵后喘”的特點(diǎn)，而在低轉(zhuǎn)速條件下，則會(huì)出現(xiàn) “前喘后堵”的現(xiàn)象。但是通過測量壓氣機(jī)進(jìn)出口參數(shù)的傳統(tǒng)性能試驗(yàn)獲取的壓氣機(jī)總體性能曲線是不能反映壓氣機(jī)內(nèi)的這些局部特性的。而這恰巧是了解壓氣機(jī)內(nèi)級(jí)間匹配狀況，發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)缺陷，并進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。因此，如何獲取壓氣機(jī)內(nèi)部各級(jí)的運(yùn)行特性并進(jìn)一步掌握各級(jí)之間匹配狀況將是多級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)的重要內(nèi)容。

要獲取壓氣機(jī)各級(jí)的特性只需要測量各級(jí)或各葉片排進(jìn)出口的參數(shù)即可。由于壓氣機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，動(dòng)、靜葉片相間排列，詳細(xì)測量各級(jí)或各葉片排進(jìn)出口的三維流場顯然是不現(xiàn)實(shí)的。從分析的角度，若能測得各級(jí)均徑處的平均參數(shù)，從而得到壓氣機(jī)的一維參數(shù)也是可行的方法。即便如此，對(duì)于多級(jí)壓氣機(jī)而言，其測量仍然是不容易的。主要的困難在于葉片排之間的空間非常狹窄，而且布置插入式探針將不可避免地產(chǎn)生堵塞效應(yīng)，對(duì)氣流流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)失真。尤其是多級(jí)軸流壓氣機(jī)，上游探針的堵塞效應(yīng)逐級(jí)累積，將可能使下游級(jí)的流場相對(duì)于無測量探針的真實(shí)流場產(chǎn)生較大的偏差。因此，本文提出了一種試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，盡可能降低探針堵塞效應(yīng)。將該方法應(yīng)用于某9級(jí)軸流壓氣機(jī)，結(jié)果顯示該方法能夠深刻揭示壓氣機(jī)內(nèi)部各級(jí)的運(yùn)行情況以及各級(jí)之間的匹配狀況。

2 試驗(yàn)分析方法

為了分析壓氣機(jī)各級(jí)之間的匹配情況，需要了解壓氣機(jī)內(nèi)部各級(jí)的運(yùn)行特性，獲得壓氣機(jī)級(jí)間的完整氣流參數(shù)。這既可以通過試驗(yàn)直接測量，也可通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析間接獲得。

一般而言，壓氣機(jī)級(jí)間參數(shù)的測量都是在相鄰兩排葉片之間的間隙里測量的。各測量截面的幾何參數(shù)都是確定的，流過各測量截面的流量一般也是確定的 （可通過進(jìn)口流量和抽氣流量的測量來確定）。為了確定各測量截面的完整氣流參數(shù)，還必須獲得該截面的壓力參數(shù)、溫度參數(shù)以及氣流的方向參數(shù)。其中，壓力的測量是最容易的，可在測量截面布置壁面靜壓，通過簡單徑向平衡方程就可以獲得均徑處的壓力。由于壁面靜壓為非插入式探針，不對(duì)流場形成干擾，可布置在每個(gè)葉間間隙的測量截面上。級(jí)間溫度的測量一般通過在靜葉片上布置總溫受感部測點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，該類測點(diǎn)直接布置于流場中，將對(duì)流場形成干擾。而氣流方向的測量則困難得多，一般來說三元流的方向可采用五孔探針進(jìn)行測量[1]，考慮到壓氣機(jī)復(fù)雜的運(yùn)行工況，氣流總是難以正對(duì)五孔探針，尤其是深度變工況下，氣流方向?qū)⑵x很大，即使進(jìn)行了校準(zhǔn)，此時(shí)由于工況的復(fù)雜性其測量的準(zhǔn)確性也會(huì)降低。此外，這類探針的堵塞效應(yīng)也是不容忽視的。

為此，本文提出了一種試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。該方法首先通過CFD手段計(jì)算各葉片排（包括動(dòng)、靜葉）的進(jìn)出口氣流角關(guān)系，并假設(shè)壓氣機(jī)實(shí)際運(yùn)行中各排葉片的進(jìn)出口氣流角也符合上述關(guān)系。然后通過試驗(yàn)測量各葉片排間的壁面靜壓，以及壓氣機(jī)進(jìn)出口的氣流壓力、溫度等參數(shù)。最后根據(jù)上述各葉片排的氣流角關(guān)系及測得的壁面靜壓、進(jìn)出口氣流參數(shù)，運(yùn)用流量函數(shù)、簡單徑向平衡方程等關(guān)系式進(jìn)行迭代計(jì)算，以確保各級(jí)歐拉方程得到滿足，從而得到各葉片排的進(jìn)出口總溫、總壓、靜溫、靜壓、氣流角、馬赫數(shù)等參數(shù)，并進(jìn)一步計(jì)算出各葉片排的總壓損失系數(shù)和靜壓升系數(shù)。為了盡可能保證計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況，計(jì)算過程中還考慮了大氣濕度的影響[2]。該方法不對(duì)氣流方向進(jìn)行測量，簡化了測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要在個(gè)別靜葉排上布置有限的溫度受感部測點(diǎn)，以強(qiáng)化對(duì)溫度進(jìn)行迭代計(jì)算的準(zhǔn)確性，最大限度減少了壓氣機(jī)內(nèi)部插入式探針的布置，顯著降低了探針的堵塞效應(yīng)及其對(duì)氣流的擾動(dòng)，確保了測量的可靠性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

將上述方法應(yīng)用于某9級(jí)軸流壓氣機(jī)，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測的壓氣機(jī)進(jìn)出口總溫、總壓以及級(jí)間受感部總溫、各葉片排間的壁面靜壓，計(jì)算出在所有試驗(yàn)工況下壓氣機(jī)內(nèi)各排葉片的工作特性。本文采用無量綱的總壓損失系數(shù)和靜壓升系數(shù)隨進(jìn)口氣流角的變化關(guān)系來表征壓氣機(jī)各排葉片的工作特性。為了敘述簡便，本文不一一展開，僅選取壓氣機(jī)第1級(jí)動(dòng)靜葉、第5級(jí)動(dòng)葉和第9級(jí)靜葉作為典型葉排來分析壓氣機(jī)軸向匹配情況，如圖1～圖4所示。其中橫坐標(biāo)為相對(duì)于設(shè)計(jì)氣流角的相對(duì)值。為了進(jìn)一步顯示壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行特點(diǎn)，選取了100%轉(zhuǎn)速和50%轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。作為對(duì)比，運(yùn)用CFX進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的結(jié)果也一并呈現(xiàn)在圖1～圖4中，需要說明的是，圖中CFX的計(jì)算結(jié)果是對(duì)所有不同運(yùn)行轉(zhuǎn)速的特性的擬合。此外，試驗(yàn)及CFX計(jì)算的設(shè)計(jì)點(diǎn)的結(jié)果也標(biāo)識(shí)在圖中。

第1級(jí)：如圖1所示，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，第1級(jí)動(dòng)葉工作狀況良好；但是在50%轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)氣沖角的增加，動(dòng)葉損失迅速增加，壓升也很快達(dá)到了峰值?？梢钥吹?，此時(shí)損失顯著大于預(yù)測值而壓升則低于預(yù)測值，說明該轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)的壓比可能低于預(yù)測值。圖2表明，靜葉的特性與CFX的計(jì)算結(jié)果比較一致。顯然，無論動(dòng)靜葉，其設(shè)計(jì)點(diǎn)都工作于最低損失附近，且50%轉(zhuǎn)速的進(jìn)氣沖角明顯大于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，說明第1級(jí)的運(yùn)行狀態(tài)在50%轉(zhuǎn)速下更接近失速和喘振。

圖1 第1級(jí)動(dòng)葉無量綱特性

圖2 第1級(jí)靜葉無量綱特性

第5級(jí)動(dòng)葉：第5級(jí)作為中間級(jí)，剛好位于抽氣口下游。如圖3所示，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，第5級(jí)動(dòng)葉的工作特性與CFX的預(yù)測結(jié)果基本一致；但在50%轉(zhuǎn)速，其損失則顯著降低了，相應(yīng)地，壓升明顯增加。這可能是由于該轉(zhuǎn)速下抽氣量的增加移除了汽缸壁附近的低能流體，使得第5級(jí)進(jìn)口條件改善所致。圖3還表明，在100%轉(zhuǎn)速和50%轉(zhuǎn)速下，第5級(jí)動(dòng)葉的進(jìn)口氣流角范圍基本相同，這正是軸流壓氣機(jī)中間級(jí)的運(yùn)行特點(diǎn)。

第9級(jí)靜葉：如圖4所示，在50%轉(zhuǎn)速時(shí)第9級(jí)靜葉工作于損失特性的左半支，進(jìn)氣角較低，壓升系數(shù)也較低，但損失卻顯著增加，表明此時(shí)接近于堵塞工況。而在100%轉(zhuǎn)速時(shí)第9級(jí)靜葉則工作于損失特性的右半支，進(jìn)氣角較高，壓升系數(shù)也較高，表明此時(shí)接近于喘振工況。總體而言，其設(shè)計(jì)工況位于最低損失點(diǎn)附近，且壓升梯度為正，表明第9級(jí)靜葉的匹配特性非常好。

圖3 第5級(jí)動(dòng)葉無量綱特性

圖4 第9級(jí)靜葉無量綱特性

其他各級(jí)也可采用類似的方法進(jìn)行分析。上述結(jié)果清晰地顯示了壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速下 “前喘后堵”，而在高轉(zhuǎn)速下則剛好相反的運(yùn)行特點(diǎn)，充分展示了壓氣機(jī)各級(jí)的運(yùn)行情況及范圍，有助于分析壓氣機(jī)的異常工況及其原因，也便于查找壓氣機(jī)本身存在的不足，為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

針對(duì)軸流壓氣機(jī)級(jí)間匹配的試驗(yàn)研究問題，本文提出了一種結(jié)合數(shù)值模擬的試驗(yàn)分析方法，并通過某9級(jí)軸流壓氣機(jī)的試驗(yàn)研究進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)的結(jié)果表明：

（1）壓氣機(jī)各排葉片在設(shè)計(jì)點(diǎn)處均工作于最低損失附近，顯示出各級(jí)之間良好的匹配；

（2）本文提出的級(jí)間匹配分析方法是有效的，該方法能夠深刻揭示出壓氣機(jī)內(nèi)部各級(jí)的運(yùn)行情況及范圍，從而清晰地呈現(xiàn)出級(jí)與級(jí)之間的匹配狀況。