?；O(shè)計在組合壓氣機中的數(shù)值模擬研究

韋威

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

在現(xiàn)代中小型航空發(fā)動機中，組合壓氣機的應用越來越廣泛，其循環(huán)參數(shù)也越來越高，這使得高壓比、高效率、高負荷成為未來組合壓氣機的發(fā)展趨勢。但組合壓氣機因其內(nèi)部流動復雜，部分流動機理尚未得到充分認識，全新設(shè)計組合壓氣機周期長、風險大。?；O(shè)計是根據(jù)相似理論設(shè)計研究對象的模型，然后根據(jù)模型試驗結(jié)果研究并預測研究對象的性能等有關(guān)參數(shù)，從而將現(xiàn)有的非常成功的壓氣機應用到新的壓氣機中[1-2]。經(jīng)過多年發(fā)展，模化設(shè)計已經(jīng)在部分壓縮系統(tǒng)中得到了成功應用。國內(nèi)外的學者對?；O(shè)計也進行了大量的理論及試驗研究[3-4]，但在高負荷、高壓比的在組合壓氣機中的應用研究較少。本文以某由?；O(shè)計而來的組合壓氣機及其母型為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法對其進行了三維數(shù)值仿真,結(jié)果顯示該模化設(shè)計方法用于組合壓氣機的設(shè)計是可行的。

1.?；O(shè)計

壓氣機?；O(shè)計一般需要選取母型壓氣機特性線上的某一個特性點的相關(guān)參數(shù)（流量、壓比、轉(zhuǎn)速）作為?；O(shè)計輸入條件，然后根據(jù)?；瘔簹鈾C的流量指標確定模化比k，通過流量公式可推導其計算公式如下：

式中M、T＊、P＊分別為母型壓氣機進口物理流量、總溫、總壓。M'、T'＊、P'＊分別為?；瘔簹鈾C進口物理流量、總溫、總壓。

根據(jù)相似理論，已知母型壓氣機轉(zhuǎn)速N，則可以通過下式確定?；瘔簹鈾C轉(zhuǎn)速N'：

根據(jù)上述?；O(shè)計公式，本文中的模化壓氣機按?；萲=1.30進行模化設(shè)計。并且在初步模化的基礎(chǔ)上對局部進行了修型。

2.數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值方法及計算模型

采用商用軟件CFX17.2對模化壓氣機以及母型壓氣機進行了三維數(shù)值模擬，?；瘔簹鈾C及母型壓氣機均采用相同的求解計算設(shè)置，如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算模型圖示

2.2 數(shù)值模擬特性對比

為方便比較分析，后文中母型壓氣機的流量均按?；萲進行了變換，得到變換后的流量參與比較與分析。圖2給出了母型壓氣機及模化壓氣機的數(shù)值模擬特性。從圖中可以看出，?；瘔簹鈾C的最高壓比及峰值效率均明顯高于母型壓氣機，但母型壓氣機的流量裕度更大。

圖2 壓氣機特性

選取設(shè)計壓比點的參數(shù)進行對比，表1為對比結(jié)果，結(jié)果顯示?；瘔簹鈾C的流量比母型大0.2%，二者差異非常小；效率較母型增加0.4%；喘振裕度增加0.5%。

表1 設(shè)計壓比點參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果對比

經(jīng)過模化設(shè)計后，組合壓氣機設(shè)計壓比點的流量滿足要求，效率及喘振裕度均有較明顯的提高。這是因為數(shù)值模擬時模化壓氣機及母型壓氣機均給定了相同的葉尖間隙，在?；萲>1的情況下，模化后壓氣機的葉尖相對間隙減小，這有利于提高組合壓氣機的效率及喘振裕度。

2.3 流場及參數(shù)對比

圖3、圖4給出了母型壓氣機及?；瘔簹鈾C部分葉片排的歸一化進口Ma沿葉高的分布。對比可以看出，第1級轉(zhuǎn)子、第1級靜子以及離心葉輪進口的Ma沿葉高的分布基本相同，但徑向擴壓器進口的Ma分布二者存在一定差異，在10%～65%葉高區(qū)域，?；瘔簹鈾C的Ma較母型小，在65%～100%葉高區(qū)域，?；瘔簹鈾C的Ma較母型大。這說明局部突破幾何限制的?；O(shè)計方法會對下游徑向擴壓器的氣動參數(shù)分布造成較明顯影響。

圖3 第1級轉(zhuǎn)子、靜子進口Ma分布對比

圖4 離心葉輪、徑向擴壓器進口Ma分布對比

3.結(jié)論

通過對某?；O(shè)計的組合壓氣機及其母型的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：

（1）?；瘔簹鈾C與母型壓氣機在流場上相似，但徑向擴壓器進口的Ma分布存在一定差異。這說明局部突破幾何限制的?；O(shè)計方法會對下游流場及氣動參數(shù)分布造成影響。

（2）?；瘔簹鈾C設(shè)計壓比點的流量滿足要求，效率及喘振裕度均有較明顯的提高。該模化設(shè)計方法用于組合壓氣機的設(shè)計是可行的。