船用燃氣輪機壓氣機自適應(yīng)機匣處理設(shè)計

孫海鷗， 馬婧媛， 王忠義， 萬雷， 王立松， 曲鋒

(哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

在高性能燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展過程中，壓氣機是關(guān)鍵部件之一。壓氣機在提供高壓比的同時也限制了發(fā)動機的穩(wěn)定工作范圍。在給定的轉(zhuǎn)速下，隨著流量的不斷降低，最終將在壓氣機內(nèi)發(fā)生穩(wěn)定流態(tài)破壞，從而發(fā)生喘振或旋轉(zhuǎn)失速。對于單軸壓氣機，壓氣機與渦輪機負載共軸，壓氣機作為發(fā)動機的一個部件和渦輪一起工作時，它的工作范圍要受到渦輪的限制。此時，壓氣機的工作狀態(tài)只能沿著一條稱為“共同工作線”變化。當共同工作線和不穩(wěn)定邊界相交時，壓氣機進入不穩(wěn)定工作狀態(tài)。對于多級軸流壓氣機，當工作轉(zhuǎn)速小于設(shè)計轉(zhuǎn)速時，進氣攻角增大，附面層分離導(dǎo)致失速，進而出現(xiàn)“前喘后渦”的現(xiàn)象。近代高性能發(fā)動機中，共同工作線一般都非?？拷环€(wěn)定邊界，而且有幾處和不穩(wěn)定邊界相交甚至深入不穩(wěn)定區(qū)。因此，需要針對這些軸流式壓氣機實施擴大穩(wěn)定區(qū)的措施，不只是設(shè)計轉(zhuǎn)速，同時要保證壓氣機在低轉(zhuǎn)速運行時也具有較好的穩(wěn)定性。

目前在現(xiàn)代大中型水面艦艇上使用的主要動力裝置是全工況燃氣輪機，典型的是美國GE公司的LM2500型燃氣輪機，其在較高轉(zhuǎn)速時具有良好的經(jīng)濟性，并且在轉(zhuǎn)速較低時依然具有良好的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，以便使艦船具有優(yōu)秀的高速追擊性能和良好的低速巡航性能。所以，對現(xiàn)代艦船燃機的壓氣機而言，其在追求更高的設(shè)計工況效率和穩(wěn)定裕度的同時，對低工況穩(wěn)定性也有一定要求，以便在較低工況時依然能穩(wěn)定工作，從而為全工況艦船燃氣輪機，穩(wěn)定運行提供保障。相比于航空用壓氣機，船用壓氣機普遍存在低負荷經(jīng)濟性差，低轉(zhuǎn)速工況下運行易發(fā)生失速喘振的缺點。

近幾十年，各國學(xué)者針對這些軸流壓氣機進行擴穩(wěn)研究，一方面使得共同工作線不和不穩(wěn)定邊界相交，另一方面能夠改善前后各級的工作狀態(tài)。較為普遍的擴穩(wěn)措施有中間放氣法、可轉(zhuǎn)進口導(dǎo)葉和靜葉、多轉(zhuǎn)子法等。其中中間放氣法雖然能夠解除前喘后渦狀態(tài)，但是損失一部分機械能，并且放氣截面上氣流重組引起局部氣流分離和對葉片的激蕩?？赊D(zhuǎn)導(dǎo)葉或靜葉能改變動葉的進口氣流角，減小攻角，但主要改善中徑葉高，對葉頂處影響較小。多轉(zhuǎn)子法能夠使壓氣機在寬廣的范圍內(nèi)工作而仍保持較高的效率，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

自20世紀60年代開始，機匣處理擴穩(wěn)法開始被提出和采用。相比于其他擴穩(wěn)措施，機匣處理方式有結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟性好，并且具有抗畸變能力較高的優(yōu)點，成為比較熱門的研究方向。機匣處理研究發(fā)展到目前，從結(jié)構(gòu)較為簡單的軸向縫式和周向槽式逐漸發(fā)展到自適應(yīng)式和組合機匣式[1]，試驗證明，與實壁機匣相比，采用機匣處理后，壓氣機的不穩(wěn)定邊界都不同程度地向左上方移動，從而使穩(wěn)定裕度提高。結(jié)構(gòu)簡單、效果明顯的機匣處理技術(shù)已經(jīng)在一些發(fā)動機中得到了實際有效的應(yīng)用。每種機匣處理方式對壓氣機的性能影響不同，軸向縫式對壓氣機具有較好的擴穩(wěn)效果，但同時對效率損失也較大[2-3]；周向槽式對效率損失小，但擴穩(wěn)效率不高[4-7]。因此，部分學(xué)者認為，提高壓氣機的穩(wěn)定性是以損失效率為代價的。直到Hathaway[8]提出一種新的處理機匣形式——自適應(yīng)機匣(self-recirculating casing treatment)，該機匣結(jié)合噴氣與引氣的方式來延遲壓氣機的失速，根據(jù)壓氣機的工況自我調(diào)整噴氣或吹氣量。其擴穩(wěn)機理張皓光等[9-11]進一步研究發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)式機匣處理在合理的參數(shù)設(shè)計下，能在實現(xiàn)擴穩(wěn)的同時少量降低壓氣機的效率。

現(xiàn)有關(guān)于自適應(yīng)機匣處理的研究中，機匣處理模型主要由一個抽吸口、一個噴射口和一個橋體組成。關(guān)于多個自適應(yīng)機匣開口的研究，目前還缺少研究。另外，船用燃氣輪機壓氣機要求在各個轉(zhuǎn)速下，都具有較好的運行穩(wěn)定性。但目前大多數(shù)關(guān)于機匣處理擴穩(wěn)研究主要是針對在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，因此，本文針對這2個問題進行探索研究。

本文以實驗室現(xiàn)有一臺2.5級壓氣機為實驗?zāi)Ｐ?，通過對壓氣機內(nèi)部流場的分析，根據(jù)現(xiàn)有自適應(yīng)機匣處理研究總結(jié)的設(shè)計經(jīng)驗，初步設(shè)計一種具有2個抽吸口的自適應(yīng)機匣處理。對比機匣處理前后壓氣機穩(wěn)定裕度和峰值效率變化，并通過分析內(nèi)部流場變化，探索自適應(yīng)機匣處理的擴穩(wěn)方式。

1 模型

1.1 模型和網(wǎng)格

本文以實驗室現(xiàn)有一臺2.5級壓氣機作為實驗?zāi)Ｐ?圖1)。表1為該壓氣機各個葉片的參數(shù)，壓氣機設(shè)計轉(zhuǎn)速為16 331 r/min，兩級轉(zhuǎn)子的葉頂間隙都為0.45 mm。通過UG建模，ICEM生成網(wǎng)格，葉片流道采用H型網(wǎng)格劃分，葉片近壁面采用O型網(wǎng)格加密(如圖2)，計算使用CFX, 湍流模型采用k-ω模型，第1層網(wǎng)格高度滿足y+小于2的要求。采用CFX-Post進行后處理來分析流場參數(shù)。

圖1 2.5級壓氣機模型Fig.1 The model of 2.5 stage compressor

表1 壓氣機各部分葉片數(shù)Table 1 The number of blades in each part of compressor

圖2 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分Fig.2 The structure mesh of blade

1.2 邊界條件

本文采用ANSYA中CFX的CFX-Pre中設(shè)置壓氣機計算域的邊界條件，邊界條件與實驗條件盡可能保持一致，進口條件給定總溫、總壓，分別取296 K、101.66 kPa，出口給靜壓，并逐漸增大出口靜壓，由此得到計算壓氣機性能特性線，靜壓提升到一定程度時，計算會發(fā)散，將發(fā)散的前一個點記作近失速點，周向葉片間設(shè)置為周期性邊界，輪轂、機匣和葉片壁面為絕熱無滑移壁面，動/靜葉片交界面采用Stage (frozen rotor)，同時下游速度的約束選取Constant Total Pressure，湍流模型采用k-ω模型，計算工質(zhì)為理想氣體。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

首先進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，本文通過對網(wǎng)格節(jié)點數(shù)的修改，得到3套不同網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格，分別是757萬、905萬、1 054萬，如表2所示。分別對比在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，效率峰值工況點和近失速工況點下，3套網(wǎng)格計算出來的壓氣機壓比和效率，如圖3所示。在不同的背壓下，網(wǎng)格數(shù)達到905萬和1 054萬時，壓氣機的效率和壓比都基本不隨網(wǎng)格數(shù)量發(fā)生變化，因此，網(wǎng)格數(shù)達到905萬時就滿足了網(wǎng)格無關(guān)性的條件，為了節(jié)省計算資源和時間，選擇第2套網(wǎng)格來對壓氣機進行數(shù)值模擬。

表2 網(wǎng)格數(shù)量Table 2 Mesh number

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證計算結(jié)果Fig.3 The calculation results of grid independence

2 實驗結(jié)果

2.1 實驗測量系統(tǒng)

在實驗的測量部分，包括對壓氣機的各種物理參數(shù)的測量，主要是流量、總溫、總壓、靜壓、轉(zhuǎn)速與扭矩等。

2.1.1 總溫總壓及靜壓測量

在總溫總壓以及靜壓的測量上，采用測量裝置對不同截面進行了多點測量，如圖4。在壓氣機中，共測量了5個截面的物理參數(shù)，分別為進口導(dǎo)葉前的0-0截面、第一級動葉前導(dǎo)葉后1-1截面、第二級動葉前與第一級靜葉后2-2截面、壓氣機的出口處截面3-3和圖中未標出的排氣引射蝸殼4-4截面，其中0-0與3-3、4-4截面測量物理參數(shù)相同，為總溫、總壓和靜壓，1-1和2-2截面測量物理參數(shù)相同，為靜壓，具體測量位置如圖5。

圖4 壓氣機實驗參數(shù)測量截面Fig.4 The parameter measurement position of compressor

圖5 實驗測量點在周向位置上分布Fig.5 Measure parameter points in circumferential direction

上述的總壓測量中，所采用的是梳狀探針進行測量。探針共有5個探頭，并為上密下疏的分布方式，用來測量不同截面高度的總壓，測量精度為1%，總壓精度為0.10%。在對靜壓的測量中，如圖6所示。所采用的方式是直接在開孔處進行測量，靜壓測量精度為0.10%。

2.1.2 流量測量

在2.5級壓氣機的實驗質(zhì)量流量測量中，采用的測量儀器是雙扭線流量計進行的流量測量，如圖6所示。所采用的雙扭線流量計的量程0.7～24.5 kg/s，精度0.20%。

2.2 實驗值與數(shù)值模擬結(jié)果對比

由于失速和喘振對壓氣機實驗具有危險性，會導(dǎo)致壓氣機損傷并帶來安全隱患。在做憋喘實驗時，一旦出現(xiàn)喘振的跡象，便立即打開快開閥放氣，使壓氣機迅速退喘，導(dǎo)致喘振的實驗數(shù)據(jù)沒有充足的時間記錄，導(dǎo)致近失速小流量工況的實驗曲線缺失。由于本文側(cè)重研究近失速工況，在接近流量最小邊界時，數(shù)值模擬提高背壓的分辨率為200 Pa，這一點也是實驗不可能達到的。對于大流量范圍實驗值的缺少，是由于壓氣機實驗臺出口有排氣渦殼和較長的排氣通道的存在，使得壓氣機的出口背壓不能調(diào)節(jié)到如數(shù)值模擬設(shè)置的那樣低，導(dǎo)致了實驗值趨于阻塞工況端曲線的缺失。從整體看(圖7)，數(shù)值模擬結(jié)果基本符合實驗數(shù)據(jù)點的變化趨勢，因此認為數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

圖6 雙扭線流量計Fig.6 Double torsion line flowmeter

圖7 壓氣機特征線Fig.7 The characteristic line of the compressor

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 壓氣機在設(shè)計轉(zhuǎn)速下的失速原因

從圖8可知，在3個轉(zhuǎn)速下，隨著背壓升高，在葉頂前緣附近約葉片弦長前0.2區(qū)域，壓力面與吸力面之間的靜壓差增大，此處區(qū)域泄漏流增多(圖9)。在100%轉(zhuǎn)速下，在弦長約0.4處出現(xiàn)較大的靜壓差，此處容易形成泄漏流[12-13](圖9)。

圖8 一級動葉葉片表面靜壓Fig.8 The static pressure of first rotor

從圖9可知，在3個轉(zhuǎn)速下，隨著背壓升高，一級動葉葉頂處二次泄漏流增加，泄漏渦流與軸向角度增大，傳播到上游壓力面，與沿著葉片表面流出葉片尾緣的渦流會合，對主流攔截能力增大，流場惡化。50%轉(zhuǎn)速下，吸力面根部渦流向葉頂傳播，這部分在在葉高約70%以下離開一級動葉。

圖9 一級動葉葉頂泄漏渦流Fig.9 The vortex of R1

3.2 機匣處理

相比于其他幾種傳統(tǒng)機匣處理方式，自適應(yīng)機匣處理能降低更少的效率下，同時具備擴穩(wěn)效果。本文在現(xiàn)有關(guān)于自適應(yīng)機匣處理研究的基礎(chǔ)上，增加一個抽吸口，設(shè)計一種三開口自適應(yīng)機匣處理，每個一級動葉流道設(shè)置一個自適應(yīng)機匣處理結(jié)構(gòu)，而其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均采用已有研究中的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)的參數(shù)[10,12,14]。采用定常計算研究分析其對壓氣機內(nèi)流場的影響。

3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

自適應(yīng)機匣處理由2個抽吸口、一個噴射口和連接兩者的橋路3部分組成。圖10給處理結(jié)構(gòu)示意圖。參考國內(nèi)外針對自適應(yīng)機匣處理的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗[14-15]，本文在合適的范圍選取了以下設(shè)計參數(shù)，見表3。

圖10 自適應(yīng)幾下處理的結(jié)構(gòu)示意Fig.10 The structure model of the self-circulating casing treatment

表3 自適應(yīng)機匣處理結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 The structure parameters of the self-circulating casing treatment

3.2.2 機匣處理對壓氣機性能影響

本文通過擴穩(wěn)裕度增量和峰值效率點變化量來衡量機匣處理的擴穩(wěn)效果和對峰值效率的影響。綜合擴穩(wěn)裕度公式為：

(9)

式中：ΔSM是失速穩(wěn)定裕度變化量；πs,0為未做機匣處理時壓氣機的近失速壓比；πs,c為做機匣處理后壓氣機的近失速壓比；Ws,0為未做機匣處理的近失速換算流量；Ws,c為做機匣處理的近失速換算流量。

從表4可知，在100%和75%轉(zhuǎn)速下，穩(wěn)定裕度增量比較大，同時，峰值效率損失也較多。

表4 機匣處理在不同轉(zhuǎn)速下對壓氣機性能影響量Table 4 The influences of the two casing treatments on compressor performance at different speeds %

做機匣處理之后，選取與未做機匣處理的近失速點同一質(zhì)量流量下的工況點的內(nèi)部流場進行比較。從圖11可知，機匣處理后，3個轉(zhuǎn)速下，葉頂前緣泄漏渦流強度減弱，泄漏渦流速度降低，渦流對主流的攔截作用降低，后在與主流的相互影響中擴散。同時，二次泄漏渦流減少，100%和75%轉(zhuǎn)速較明顯，對應(yīng)的擴穩(wěn)效果也更好。由此可見，機匣處理對壓氣機的擴穩(wěn)途徑，是抑制二次渦流的產(chǎn)生，從而達到延緩失速的目的[16]。

圖11 近葉頂處一級動葉泄漏渦流Fig.11 The first rotor leakage vortex near tip

圖12可知，3種轉(zhuǎn)速在機匣處理后，在0～0.6弦長處吸力面與壓力面的靜壓差減小，抑制了高速二次葉頂泄漏流的產(chǎn)生[17]，從而延緩了失速。

圖12 一級動葉0.99葉高處葉片表面靜壓Fig.12 The pressure of the first rotor surface on 0.99 height

從表5可以看到，隨著背壓升高，3個轉(zhuǎn)速下的開口質(zhì)量流量占通道入口百分比都增加，在弦長40%處的抽吸口1作為抽氣的主要開口，對壓氣機擴穩(wěn)起到主要作用。

表5 開口處質(zhì)量流量占通道入口質(zhì)量流量百分比Table 5 The percentage of the mass flow at the openings to the mass flow at the entrance of the passage %

4 結(jié)論

1)在葉片0.4弦長處增加一個抽吸口有利于抑制此處附近的二次泄漏流的產(chǎn)生。

2)自適應(yīng)機匣處理，能夠改變?nèi)~頂前緣產(chǎn)生的泄漏渦流的發(fā)展方向，使其偏向軸向方向，減少對主流流動的攔截作用，從而有效延緩了失速。

3)自適應(yīng)機匣處理改變了近葉頂處的葉片表面靜壓差分布，降低了0～0.6弦長范圍的壓力面和吸力面的靜壓差，葉頂泄漏流產(chǎn)生的驅(qū)動力降低。