某多級(jí)軸流壓縮機(jī)的數(shù)值模擬研究

黨芳， 張俊強(qiáng)

(1.飛邁（煙臺(tái)）機(jī)械有限公司，山東 煙臺(tái)264000; 2.煙臺(tái)現(xiàn)代冰輪重工有限公司，山東 煙臺(tái)264000)

0 引 言

作為燃?xì)廨啓C(jī)的重要組成部件之一，多級(jí)軸流壓縮機(jī)通過自身的壓縮功能向燃燒室提供高壓空氣，以供渦輪膨脹做功。多級(jí)軸流壓縮機(jī)的流量比較大、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)，比較適合于地面燃?xì)廨啓C(jī)[1-2]。

用于燃?xì)廨啓C(jī)的多級(jí)軸流壓縮機(jī)，與傳統(tǒng)工業(yè)上使用的多級(jí)軸流壓縮機(jī)不同，燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)對(duì)效率、流量工況范圍等要求較高；同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)與透平同軸設(shè)計(jì)，由透平直接帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，多級(jí)壓縮機(jī)的級(jí)間匹配關(guān)系復(fù)雜，這都對(duì)壓縮機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)提出了較高的要求。目前國內(nèi)尚無成熟的用于燃?xì)廨啓C(jī)的多級(jí)軸流壓縮機(jī)產(chǎn)品，對(duì)于多級(jí)軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方法多是根據(jù)傳統(tǒng)工業(yè)用壓縮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或參考國外成熟機(jī)組，以獲得高效、大流量的多級(jí)軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方法[3-4]。

根據(jù)引進(jìn)的某型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)，對(duì)其多級(jí)軸流壓縮機(jī)進(jìn)行技術(shù)消化吸收，本文針對(duì)該多級(jí)軸流壓縮機(jī)，利用三維CFD軟件NUMECA[5-8]開展軸流壓縮機(jī)的氣動(dòng)性能計(jì)算分析，分析多級(jí)軸流壓縮機(jī)的總體氣動(dòng)性能、各級(jí)的氣動(dòng)參數(shù)分布、單級(jí)壓縮機(jī)的葉展方向氣動(dòng)參數(shù)分布及壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，掌握該多級(jí)軸流壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)思想，為后續(xù)的燃?xì)廨啓C(jī)軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化改型提供技術(shù)支撐。

1 計(jì)算模型及數(shù)值方法

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，整理該壓縮機(jī)的輪轂、輪緣數(shù)據(jù)，對(duì)葉片吸力面、壓力面數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行整理，將輪緣、輪轂線和葉片數(shù)據(jù)導(dǎo)入NUMECA中，得到壓縮機(jī)的子午流道通流結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該軸流壓縮機(jī)共9級(jí)，計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分采用NUMECA 軟件的網(wǎng)格處理模塊IGG/AutoGrid生成，由于壓縮機(jī)級(jí)數(shù)較多，在滿足網(wǎng)格質(zhì)量的要求下，網(wǎng)格數(shù)約為1900萬，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 壓縮機(jī)子午流道示意圖

圖2 網(wǎng)格模型

壓縮機(jī)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算采用FINE/TURBO模塊進(jìn)行[9-10]。壓縮機(jī)的進(jìn)口設(shè)置總壓和總溫，并給定氣流速度方向，壓縮機(jī)的出口設(shè)置靜壓條件。

2 結(jié)果分析

2.1 總體氣動(dòng)性能分析

該軸流壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為9400 r/min，經(jīng)FINE/TURBO數(shù)值計(jì)算得到壓縮機(jī)的壓比-流量和效率-流量的關(guān)系曲線[11-12]，如圖3和圖4所示。通過圖中的兩條特性曲線可以看到，該9級(jí)軸流壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的工作流量范圍為81.38～83.79 kg/s，最高效率能夠達(dá)到0.8068，此時(shí)對(duì)應(yīng)的增壓比為4.2337，流量為82.69 kg/s；在近失速工況下的效率約為0.804，對(duì)應(yīng)的增壓比為4.5504，流量為81.38 kg/s；在近阻塞工況下，效率約為0.7265，對(duì)應(yīng)的流量為83.79 kg/s，壓比為3.043。

2.2 各級(jí)參數(shù)分布規(guī)律

多級(jí)軸流壓縮機(jī)各級(jí)的氣動(dòng)參數(shù)具有一定的分配規(guī)律[13]，圖5所示為壓縮機(jī)各級(jí)的單級(jí)壓比分配情況，通過壓比分布情況可以看出該壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)思想，前3級(jí)壓比較高，中間3級(jí)壓比次之，最后3級(jí)壓比較??；圖6所示為壓縮機(jī)各級(jí)的效率分配情況，中間級(jí)的效率最高，后3級(jí)的效率比較低。通過對(duì)不同工況條件下的特性曲線的分析，在前6級(jí)，近失速工況下的壓比較近設(shè)計(jì)工況下的壓比高，其效率較之近設(shè)計(jì)工況的降低主要體現(xiàn)在后4級(jí)上，前面幾級(jí)的效率變化比較小，后面級(jí)的降幅則越來越大；而近阻塞工況較之近設(shè)計(jì)工況壓比的降低則是在全部級(jí)上均有體現(xiàn)，且降幅向后不斷增大，其效率的降低也是在全部級(jí)上均有體現(xiàn)，越后面的級(jí)，效率降低幅度越大。

圖7所示為壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)口軸向速度分布，可以看到，軸向速度在前5級(jí)中逐漸減小，降低幅度不大，到第6級(jí)時(shí)降幅突然增大，這是由于在壓縮機(jī)第5級(jí)級(jí)間抽氣造成的，從第6級(jí)至最后級(jí)，軸向速度變化不大。對(duì)比各工況下的軸向速度分布，近阻塞工況下的軸向速度在后4級(jí)中大幅度升高，這是因?yàn)榻枞r的流量比較大，造成軸向速度較大，近失速工況的軸向速度較近設(shè)計(jì)工況低，變化規(guī)律相同；圖8所示為壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)口氣流角分布，設(shè)計(jì)工況下與近失速工況的氣流角變化相同，氣流角變化相對(duì)平穩(wěn)，第1級(jí)角度較大，其他各級(jí)都在-65°～-60°之間，第2、3、4級(jí)，第5、6級(jí)，第7、8、9級(jí)的角度基本相同，而近阻塞工況氣流角則越來越大，且遠(yuǎn)大于近設(shè)計(jì)工況下的進(jìn)口氣流角。

圖3 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下效率-流量曲線

圖4 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓比-流量曲線

圖5 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速各級(jí)總壓比

圖6 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速各級(jí)效率

2.3 氣動(dòng)參數(shù)展向分布

以壓縮機(jī)的第1 級(jí) 為 例，說明氣動(dòng)參數(shù)沿葉高方向的分布情況[14-15]。圖9和圖10所示為壓縮機(jī)第一級(jí)壓比、效率沿葉高方向的分布，第1級(jí)中，設(shè)計(jì)工況下，20%葉高位置的壓比較高，達(dá)到1.27，在18%～85%葉高范圍內(nèi)，壓比分布比較均勻，葉根及葉頂部分由于上下端壁附面層的影響，壓比較低；第1級(jí)的效率展向分布與壓比分布相同，15%～90%葉高范圍內(nèi)效率變化微小，僅在兩端效率由于端壁附面層的影響較低；對(duì)比3個(gè)工況的第1級(jí)壓比和效率展向分布規(guī)律可以看出，壓比隨著工況由近阻塞工況向近失速工況發(fā)展而逐漸升高，效率也略有增加，但變化微小，展向的分布上，3種工況的分布規(guī)律相同。

圖7 各級(jí)進(jìn)口軸向速度分布

圖8 各級(jí)進(jìn)口氣流角分布

壓縮機(jī)第1級(jí)進(jìn)口軸向速度和進(jìn)口氣流角的展向分布如圖11和圖12所示。當(dāng)工況由近失速向近阻塞發(fā)展過程中，第1級(jí)的進(jìn)口軸向速度逐漸增加，進(jìn)口氣流角也逐漸增大。通過軸向速度和進(jìn)口氣流角的分布可以看到，上下端壁附面層厚度逐漸增加，而且軸向速度和進(jìn)口氣流角的變化隨工況的發(fā)展比較均勻。

圖9 壓比展向分布情況

圖10 效率展向分布情況

3 結(jié) 論

本文以某引進(jìn)型多級(jí)軸流壓縮機(jī)為研究對(duì)象，采 用 NUMECA 軟件進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，數(shù)值計(jì)算分析結(jié)論如下：

1) 設(shè)計(jì)工況下，該壓縮機(jī)總的增壓比為4.2337，平均級(jí)壓比為1.182，級(jí)壓比分布相對(duì)較均勻，壓縮機(jī)總效率為80.68%。

2) 通過對(duì)比分析不同工況條件下壓比、效率、軸向速度、進(jìn)口氣流角等氣動(dòng)參數(shù)的級(jí)中和級(jí)間分布規(guī)律，把握壓縮機(jī)的總體設(shè)計(jì)思想和各級(jí)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

圖11 軸向速度展向分布情況

圖12 進(jìn)口氣流角展向分布情況