壓氣機近失速點的性能仿真及可轉導葉的影響

葛仁超

(海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)第一軍事代表室， 哈爾濱 150036)

壓氣機有兩種典型的不穩(wěn)定的流態(tài)，分別是旋轉失速和喘振。由于附面層承受逆壓力梯度的能力有限，當進氣氣流攻角超過某個值，由于吸力面氣流分離，折轉角和靜壓升系數(shù)均不隨攻角的增大而變大，總結來說失速是附面層分離的結果。一般壓氣機失速指的都是旋轉失速，而對于旋轉失速的發(fā)展傳播機理，Emmnos[1]是這樣解釋的：當某個或某組葉片發(fā)生失速時，該葉片通道產生堵塞情況(失速先兆或失速團)，使得進口氣流向該葉片通道的兩側偏轉，導致了順著旋轉方向的葉片攻角減小，而逆旋轉方向攻角增大，使該葉片退出堵塞狀態(tài)，后方的葉片由于攻角增大導致堵塞，于是失速團以這種接力的方式在相對坐標下逆時針傳遞。

喘振是以由壓氣機及其進出口管道和下游節(jié)流裝置等構成的整個壓縮系統(tǒng)的一種氣流中斷為特征的不穩(wěn)定流態(tài)[2]。旋轉失速與喘振是兩種不同的流態(tài)，但一般來講，喘振的內因是壓氣機的旋轉失速，或者說旋轉失速是造成喘振的根本原因和必要條件。國外對于喘振研究較早，預測到了失速與喘振存在先兆擾動。1900年初，Garnier等[3]運用實驗方法驗證了壓氣機失速之前存在一定先兆擾動；以一個4級壓氣機為研究對象，測量一個喘振周期內速度變化，Day[4]發(fā)現(xiàn)喘振的初始是失速所導致的，并且經(jīng)歷了失速、喘振和恢復三個階段。

旋轉失速這種不穩(wěn)定流動狀態(tài)能對壓氣機的運行產生不良影響，甚至會造成嚴重危害。它不但使壓氣機的性能大大降低，而且會引起強烈的葉片振動和熱端超溫，最嚴重的后果會使葉片斷裂，進而會損壞整個壓氣機[3]。所以為了避免失速，改善壓氣機的工作特性，增大其失速裕度，使整個燃氣輪機具有良好的啟動性能、加速性能，我們更需加深了解壓氣機內部流場特別是近失速點附近的流場，采取主動控制推遲失速的發(fā)生，比如本文提到的可轉導葉。

1 可轉導葉介紹

1.1 可轉導葉的作用

所謂防喘措施，旨在擴大穩(wěn)定工作點與不穩(wěn)定邊界的距離，換句話說，就是提高失速裕度和喘振裕度，使壓氣機穩(wěn)定運行的范圍變得寬廣。對于防喘這個重要課題，主要有兩種方式：一是當葉型進口正攻角過大導致葉背分離十分嚴重時起到作用(雙轉子除外)，我們稱之為“被動式”；二是從設計過程中出發(fā)，從不同的角度來擴大穩(wěn)定邊界，化“被動”為“主動”?！氨粍邮健敝饕兄虚g級放氣、進口可轉導葉與靜子和多轉子技術等，各有其優(yōu)缺點?？烧{進口導葉目前在工程壓氣機中應用十分廣泛，優(yōu)點突出，它在非設計工況下的高效率時起到防喘作用，改進燃氣輪機加速性，也可用在高增壓比上，所以在80年代以后受到廣泛應用，雖然結構較復雜，對多個靜葉難以起到作用，且對葉片的三維流動不能兼顧全部，但是瑕不掩瑜，仍然有較大發(fā)展。

圖1為某一種壓氣機進口導葉示意圖[4]。由氣缸、聯(lián)動齒輪、搖臂等構成的轉動機構使進口導葉按照一定規(guī)則同步轉動，可以保證燃氣輪機在起動時和在給定工況下工作時壓氣機穩(wěn)定工作。原理是在壓氣機第一級動葉前安裝可以進行調整角度的導流葉片，通過控制導流葉片的出氣角來調節(jié)一級動葉的進口攻角，使其后面的葉片處于合理的工作范圍，也可以在非設計工況下避免喘振正常工作。

1—固定環(huán)；2—導葉內環(huán)；3—軸套；4—導葉；5—進氣機匣；6—聯(lián)動齒輪；7—小齒輪；8—外罩；9—氣缸；10—搖臂；11—卡圈。圖1 壓氣機可轉導葉示意圖

1.2 國內外研究成果

與本文結果類似，Broichhausen K D[5]以某兩級壓氣機為實驗對象，通過對結果處理后發(fā)現(xiàn)，可轉導葉對后面一級動葉部分的流場影響較大，而對之后靜葉葉柵的氣動性能影響較小。

Okiishi T H[6]等人做了關于無彎度可轉導葉的大量實驗測量。他們對基本葉片型線后面70%到尾緣進行測量，角度范圍為從軸向測量0至50°。通過設置不同組的環(huán)形葉柵試驗，確定了進口可轉導葉的氣動性能。Tsalavoutas A[7]研究了多級軸流壓氣機可轉導葉系統(tǒng)故障對燃氣輪機的影響,利用自適應模型，識別不同工況的流場類型并及時進行調整，使可轉導葉起到應有的作用。Cesar C[8]等人對可變進氣導葉VIGVs(Variable Inlet Guide Vanes)也做了相關研究，其中一個重要作用就是功率控制，包括進氣流量和恒轉速輸出功率控制,通過改變VIGVs對下游流場進行調整達到優(yōu)化的目的。

國內學者也漸漸開始對可轉導葉感興趣。范非達[9-10]等西北工業(yè)大學學者發(fā)現(xiàn)端彎技術對壓氣機在非設計工況下提升效果明顯。崔凝和王兵樹等人[11-13]在全工況下采用逐級疊加法開發(fā)出了靜葉可調的變幾何多級軸流壓氣機預測模型。在低速下模擬出各級的壓氣機特性線，在每一級的基礎上，依據(jù)動葉的速度三角形以及動力計算公式導出IGV對各級乃至整臺壓氣機性能的影響。這樣有助于預測大型燃氣輪機預裝IGV對壓氣機性能調整的影響。

本文主要研究不同的可轉導葉角度對近失速點的影響，不同的調整方式會對不同工況下的失速邊界以及內部流場產生作用。

2 計算模型

2.1 數(shù)值模擬方案

本文使用UG進行葉片與流道建模，并采用ICEM生成三維網(wǎng)格，如圖2和圖3所示。在該軟件中分析幾何模型，理清分塊思路，前后延伸段采用非結構化網(wǎng)格，葉片通流部分采用結構化網(wǎng)格，最后生成網(wǎng)格數(shù)量都在500萬以上。

圖2 整體單通道UG建模

圖3 計算模型一級靜葉網(wǎng)格示意圖

前處理(CFX-Pre)用于建立計算域、選擇物質及湍流模型、設置初場、設置邊界條件和關于求解器的處理，確定模型尺寸、計算精度和殘差目標、迭代步數(shù)和監(jiān)測面數(shù)據(jù)等[14]。求解器(CFX-Solver)是軟件模擬的核心部分，它使用有限元思想下的有限體積法，具有多種對流項的離散格式，壓力和速度的耦合方式使用SIMPLE系列算法[15]。后處理(CFD-Post)能得出數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和顯示圖像，能將計算結果數(shù)值處理，也能生成某個具體位置的矢量圖、云圖和流線等。在CFX-Pre中進行模型的邊界條件設置，在CFX-Solver求解器中進行計算，具體邊界條件如表1所示。

表1 系統(tǒng)初始參數(shù)

2.2 可轉導葉模型

本文使用2.5級跨音速軸流壓氣機，所謂半級指的就是進口可轉導葉，如圖4所示。

圖4 進口可轉導葉示意圖

圖5中黃色葉片為原安裝角葉片，箭頭為所轉方向，逆時針轉向為正角度，順時針為負角度，在軟件UG中完成調整角度。按照本文調整可轉導葉，當轉角為正時，會引導氣流使進入一級動葉的氣流攻角增大，反之，轉角為負時會使一級動葉的攻角減小。理論上來說動葉進口攻角的減小有助于延遲失速的發(fā)生。

圖5 可轉導葉轉角示意圖

3 計算結果及分析

3.1 全工況計算結果

壓氣機特性線主要有兩種，一種是流量壓比特性線，另一種是流量效率特性線，通過坐標系曲線的方式將壓氣機部分重要的參數(shù)和不同工況下的性能變化體現(xiàn)出來。本章節(jié)主要畫出在原安裝角下(0°)如上文列出的50%～100%轉速中的七種工況的特性線，包括設計轉速與非設計轉速，如圖6所示。

(a) 壓比-質量流量特性線

由圖6(a)可以看出各個轉速下，隨著流量的減小壓比隨之升高，當減小到一定值時壓比無法升高。若將每個工況最左側的點連接起來，便形成了不穩(wěn)定邊界，超過該邊界可能發(fā)生失速甚至喘振，若將右側流量基本不變的點也連接成線，則中間所夾區(qū)域就是壓氣機的穩(wěn)定運行區(qū)域，也就是失速裕度。對比不同工況，當轉速接近設計轉速時，也就是大于90%工況時，能看出曲線明顯變得陡峭，到達不穩(wěn)定邊界之前，在連續(xù)增壓過程后突然進入不穩(wěn)定區(qū)域。

由圖6(b)可以看出，與單級軸流壓氣機不同，效率最高點并不將曲線一分為二，兩邊效率都下降得很迅速，多級軸流壓氣機的特點是在效率最高點左側效率會略微下降，右側效率則隨著流量增大到某個值迅速減小，在高轉速下，效率下降得更為明顯、迅速，這與壓比流量曲線類似。形成這樣的原因是壓氣機在設計轉速狀態(tài)下，各級的通流面積、氣流速度和密度大小是相互協(xié)調的。當降低流量時，第一級葉片的軸向分速度變小，導致進口攻角增加，從而氣流密度變小，通流面積與設計點相比過大，這也加劇了后面幾級軸向速度減小或通流面積變大，葉片攻角過大導致附面層分離產生了旋轉失速，就這樣達到近失速點后迅速進入不穩(wěn)定狀態(tài)。另外，在設計工況的設計點右側，各級的速度都非常大，若持續(xù)增大流量，則極易在某個截面發(fā)生阻塞，所以呈現(xiàn)出迅速下降的狀態(tài)。

近失速點是通過調節(jié)背壓得到，不斷提高背壓，當微調至某個背壓導致計算結果發(fā)散，那么上一個計算收斂的點我們看作近失速點。近阻塞點是隨著壓比減小流量增大，當流量基本不隨壓比變化時也就是突然進入阻塞工況。近堵塞點是隨著壓比減小流量增大，當流量基本不隨壓比變化時也就是突然進入堵塞狀態(tài)，我們近似地認為那個轉折的點為近堵塞點。

圖7是設計工況下對壓氣機葉片近失速點吸力面極限流線的計算結果，注意的是由于動葉的吸力面與靜葉的吸力面并不在同一側，所以在圖中動葉前緣在后。

圖7 設計轉速下壓氣機近失速點吸力面的極限流線

圖8是設計工況下近失速點與近堵塞點下一級動葉的99%葉高的速度矢量圖。從速度的軸向變化可以看出在一級動葉吸力面前緣開始形成了一道明顯的弧線，它是一級動葉接近前緣的吸力面附近發(fā)生泄漏造成的，該泄漏流與主流交匯，并且隨著向近失速點發(fā)展，這條交匯線也向著葉片吸力面前緣移動。

圖8 一級動葉99%葉高速度矢量圖

如圖7和圖8可見，近失速點一級動葉在葉片中間偏后的位置出現(xiàn)明顯的一道分離線，在分離線后葉根處的壓力大于葉頂處的壓力，來流產生了徑向的速度。二級動葉與一級動葉流線類似，原因相同，但是斜率明顯更大，且基本完全到達了葉頂處。一級靜葉受上游流動的影響在葉根與葉頂?shù)奈簿壧幊霈F(xiàn)了較大的旋渦，而二級靜葉在葉根部分的旋渦迅速增長起來，表明出口導葉受上游旋渦的影響發(fā)生了嚴重的流動分離。

3.2 可轉導葉的影響

圖9為中高轉速下不同可轉導葉安裝角下的壓氣機流量-轉速特性曲線。

由圖9可見，隨著轉速的升高，不同安裝角的可轉導葉特性線平行距離越遠，也就是轉速越小，導葉角度的變化造成的影響越小。在較低轉速下，無論是順時針調節(jié)還是逆時針調節(jié)可轉導葉，對不穩(wěn)定邊界的影響都不大，即使在負角度下造成的不良影響也比較輕微。在較高轉速時，負角度的可轉導葉都對失速的推遲起到了良好的作用，而正角度使失速邊界提前，這也印證理論推導。

圖10是100%轉速下-5°、0°、+5°安裝角近失速點一級動葉葉片的吸力面極限流線對比圖。

圖10 三種進口安裝角下一級動葉葉片極限流線圖

如圖10可見，在近失速點導葉角度的變化對一級動葉的影響最大，對后續(xù)一級靜葉、二級動葉、二級靜葉影響較小，甚至有部分基本沒有影響，這是因為導葉安裝角變化直接導致一級動葉的進氣攻角發(fā)生改變，所以變化集中在一級動葉。相比0°安裝角，-5°安裝角的一級動葉極限流線開始分離的位置要晚，并且傾斜角度也少很多，流線變得比較平穩(wěn)；+5°安裝角變化較為劇烈，從葉根到80%葉高處的尾緣部分，流線變得極為不平穩(wěn)，說明向正角度旋轉反而會加劇附面層的分離，向負角度旋轉會推遲不穩(wěn)定邊界的到來。

圖11為100%轉速下三種安裝角下近失速點的一級動葉的進口氣流角對比圖。

圖11 三種安裝角不同位置進口氣流角對比

如圖11可見，在50%葉高以上進口氣流角是大致相同的，但是在50%葉高以下逐漸產生了區(qū)別，安裝角向負向旋轉進口氣流角變大，正向旋轉進口氣流角變小，印證了上文的理論；安裝角負向旋轉會使一級動葉的進口攻角減小，從而達到抑制附面層分離的效果，使失穩(wěn)邊界向左移動，達到擴穩(wěn)的效果。

4 結論

本文以2.5級跨音速軸流壓氣機為研究模型，運用軟件CFX對其進行單通道穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬計算。改變進口可轉導葉的安裝角，研究對壓氣機整體性能的作用，比較-5°、+5°安裝角下的流場的各種參數(shù)與原安裝角(0°)流場的不同。得出的結論如下：

(1) 由極限流線圖可得當壓氣機運行至近失速點附近時，一級動葉開始發(fā)生流動分離；一級靜葉尾緣部分的葉頂與葉根均出現(xiàn)了旋渦；二級動葉相較于一級動葉流動分離的現(xiàn)象更加明顯，分離趨勢更劇烈；二級靜葉尾緣處葉根部分的旋渦大大增強，并且出口導葉的葉根處也出現(xiàn)了大面積的流動分離。配合特性曲線就驗證了失速機理：由于附面層承受逆壓力梯度的能力有限，當進氣氣流攻角超過某個值，由于吸力面氣流分離，折轉角和靜壓升系數(shù)均不隨攻角的增大而變大。

(2) 改變可轉導葉的安裝角，負安裝角(向葉背方向旋轉)使失速邊界向左移動，基本能起到增大壓氣機穩(wěn)定運行范圍、推遲失速和防喘的作用?？赊D角度的變化對一級動葉的內部流場影響是最大的，進口氣流角的增加可以擴大失速裕度。