離心壓氣機流動控制機匣新型處理方式研究

石建成，鄒學奇，溫泉，劉波

（1.南京航空航天大學能源與動力學院,南京210016；2.中國航空動力機械研究所，湖南株洲412002；3.西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安710072）

1 引言

穩(wěn)定裕度已成為現(xiàn)今高性能燃氣輪機研制必須確保的重要技術(shù)指標之一，通過研究找到壓縮系統(tǒng)流動失穩(wěn)觸發(fā)機理，從而實現(xiàn)對流動失穩(wěn)的控制，拓寬葉輪轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作范圍，延遲氣流失速，對于提高航空燃氣輪機的可靠性具有十分重要的意義。

自20世紀90年代以來，對作為提高壓氣機穩(wěn)定裕度關(guān)鍵技術(shù)之一的機匣處理技術(shù)，得到了國外許多專家和學者的深入研究[1-4]，相比之下,國內(nèi)開展得較晚，且絕大多數(shù)研究都是基于軸流壓氣機的，對離心壓氣機的開展得較少[5-8]。

本文描述了機匣的1種新型開槽形式，對開槽前后的離心壓氣機的特性和內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬研究，詳細分析了其特性分布和內(nèi)部流場的變化情況。

2 數(shù)值模擬

某小型離心壓氣機由進口導(dǎo)流葉片、離心葉輪、徑向擴壓器3部分組成。其中進口徑向?qū)Я魅~片19個，離心葉輪大、小葉片各17個，徑向擴壓器葉片50個，進口導(dǎo)葉和離心葉輪上方的軸向槽各60個。離心葉輪進口頂部間隙為0.3 mm，出口頂部間隙為0.1 mm，中間隙光滑過渡。

進口導(dǎo)葉上方軸向槽沿流向長8 mm，沿周向?qū)?.5 mm，沿葉展方向高5.5 mm；離心葉輪上方軸向長6 mm，寬1.7 mm，高3.5 mm；周向槽沿流向?qū)?1 mm，槽深4.5 mm。設(shè)計點性能參數(shù)：流量為1.96 kg/s，轉(zhuǎn)速為40000 r/m in，總壓比為4.22。該離心壓氣機計算過程的三維網(wǎng)格如圖1所示，機匣處理槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 數(shù)值模擬方法及網(wǎng)格生成

目前，機匣處理方式應(yīng)用較多的主要是軸向槽式和周向槽式。軸向槽機匣處理是將高壓區(qū)的間隙泄漏流和低能阻塞團吸入處理槽內(nèi)，并沿軸向輸送，在低壓區(qū)重新將其射入流場通道，有效地抑制了由間隙泄漏流引起的阻塞；可以獲得較大的失速欲度增量，但同時也帶來了大的效率損失。周向槽機匣處理的原理是將吸入處理槽內(nèi)的間隙泄漏流和低能阻塞團沿周向輸送，再重新將其射入流場通道；可以在效率降低較小的條件下提高失速裕度，但提高量較小。

本文針對某小型離心壓氣機，設(shè)計了1種新型機匣開槽形式。對該機匣，分別在進口導(dǎo)葉尾緣和離心葉輪前緣上方開軸向處理槽，再通過1個大的周向槽將2部分軸向槽連通，以求利用軸向槽和周向槽的優(yōu)勢來提高離心壓氣機的性能參數(shù)。

本文用Numeca軟件計算離心壓氣機內(nèi)部三維流場，采用中心差分格式并結(jié)合S-A湍流模型來求解N-S方程。為了提高計算效率，采用了多重網(wǎng)格法和局部時間步長法等加速收斂措施。用AutoGrid軟件分別生成壓氣機各部分網(wǎng)格，在IGG中實現(xiàn)各部分網(wǎng)格的連接，在交界面選用摻混面模型。離心葉輪采用H-I型網(wǎng)格，進口導(dǎo)葉與徑向擴壓器采用HOH型網(wǎng)格，處理槽內(nèi)用簡單的H型網(wǎng)格；總網(wǎng)格數(shù)約為135萬個。對葉頂間隙與處理槽內(nèi)的網(wǎng)格進行了加密處理，離心葉輪葉頂間隙內(nèi)網(wǎng)格周向×徑向×流向為33×9×173，下面的2個軸向處理槽內(nèi)網(wǎng)格為45×25×17，上面的周向處理槽內(nèi)網(wǎng)格為45×25×33。所有距壁面第1層網(wǎng)格的距離為1×10-6m，y+≤3。

計算中的介質(zhì)為理想氣體，其邊界條件是:進口為標準大氣壓，總溫為288.15 K，總壓為101325.0 Pa，徑向進氣；出口給定平均背壓；輪轂、機匣以及葉片等固壁上給定絕熱無滑移邊界條件。喘振邊界點的判定方法是：采用不斷提高出口背壓的方式對壓氣機進行逼喘，數(shù)值失速前的最后1個收斂解對應(yīng)近失速工況。

在軸向槽數(shù)值模擬的網(wǎng)格生成過程中，開槽處網(wǎng)格的生成及網(wǎng)格塊間的數(shù)據(jù)傳遞是決定數(shù)值研究成敗的關(guān)鍵。軸向槽的非軸對稱性決定了槽內(nèi)網(wǎng)格不能簡單連接。如圖3所示，為保證交接面處數(shù)據(jù)的準確性，在軸向槽網(wǎng)格生成過程中應(yīng)分為3塊網(wǎng)格，其中，網(wǎng)格A的周期與葉片通道的周期相同，二者間采用FNMB連接方式；網(wǎng)格B的周期與槽的周期一致,二者間同樣采用FNMB連接。在A與B之間，以摻混面模式進行數(shù)據(jù)傳遞。機匣網(wǎng)格和轉(zhuǎn)子通道網(wǎng)格之間以摻混面模式進行數(shù)據(jù)傳遞，主要有2個優(yōu)點：降低計算量；可以得到流場的流動情況。但其缺點是不能捕捉到處理機匣與葉片間的非定常效應(yīng)。

本文的研究重點是觀察該新型處理機匣是否可以改善流場的流動，因此處理機匣網(wǎng)格和轉(zhuǎn)子通道網(wǎng)格之間采用定常摻混面方法。

4 計算結(jié)果分析

4.1 特性分析

由文獻[5-8]可知，采用上述數(shù)值方法來模擬帶處理機匣的壓氣機的流場是可行的。圖5、6分別示出了離心壓氣機機匣處理前后，在100%和90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下的壓比/流量和效率/流量的特性；表1、2分別為在100%和90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下、機匣處理前后的壓氣機近失速流量點參數(shù)的對比。

結(jié)合特性圖和參數(shù)對比表可知：（1）采用處理機匣后，壓氣機失速點向小流量方向拓展，流量裕度在100%設(shè)計轉(zhuǎn)速下提高了3.5%，在90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下提高了2.5%；（2）壓氣機最大流量也有所增加，近堵點流量在100%設(shè)計轉(zhuǎn)速下增加了約2%，在90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下增加了約0.7%；（3）在100%和90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下，采用處理機匣后，在大流量范圍內(nèi)、相同出口邊界條件下，壓氣機壓比和效率有一定增加，壓氣機性能提高；（4）在100%設(shè)計轉(zhuǎn)速下，當流量小于2.15 kg/s；在90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下，當流量小于2.00 kg/s時，壓氣機壓比和效率降低，最大效率在100%設(shè)計轉(zhuǎn)速下下降了約1.7%，在90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下下降了約2.5%。

表1 在100%設(shè)計轉(zhuǎn)速下機匣處理前后的壓氣機參數(shù)對比

表2 在90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下機匣處理前后的壓氣機參數(shù)對比

從上述分析可以看出，在機匣處理前后，離心壓氣機特性線分布和走勢基本一致；機匣處理后，在設(shè)計轉(zhuǎn)速相同的流量下，壓氣機壓比、效率特性都有一定程度的降低，壓氣機流量穩(wěn)定裕度提高；在90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下、機匣處理后，壓氣機壓比基本保持不變，效率降低了2%左右，同時壓氣機流量穩(wěn)定裕度有一定的提高。

4.2 流場分析

有研究表明離心壓氣機尖部流動是壓氣機失速的主要誘導(dǎo)因素。為研究本文采用的機匣處理方式改善壓氣機性能改善的機理，特別對失速點附近、機匣處理前后的離心壓氣機內(nèi)部典型截面的流場參數(shù)分布情況進行對比分析，以求了解機匣處理后的壓氣機流動參數(shù)變化，為進一步優(yōu)化機匣處理方案和提高壓氣機性能打下基礎(chǔ)。

圖7給出了在設(shè)計轉(zhuǎn)速下、喘振邊界點，離心壓氣機實壁機匣和軸向槽處理后機匣在98%葉展截面的馬赫數(shù)分布，可以看出在為實壁機匣時，在喘振邊界點，進口導(dǎo)流葉片通道內(nèi)的流場流動情況惡劣，葉片吸力面附近存在較大面積的低馬赫數(shù)區(qū)；機匣處理后，進口導(dǎo)流葉片尖部截面馬赫數(shù)的分布情況得到明顯改善，通道內(nèi)低馬赫數(shù)區(qū)面積減小。從圖中還可以看出為實壁機匣時，離心葉輪進口存在較大面積的高馬赫數(shù)區(qū)域；機匣處理后，高馬赫數(shù)區(qū)面積減小，最高馬赫數(shù)降低，通道內(nèi)馬赫數(shù)分布更加合理。這說明本文采用的機匣處理方案可以有效地控制離心壓氣機尖部的流動，使得壓氣機內(nèi)部流動情況改善，從而達到拓寬壓氣機穩(wěn)定工作范圍的目的。處理槽抑制了由間隙泄漏渦導(dǎo)致的阻塞，這是壓氣機流場改善的主要原因。在進口導(dǎo)葉后方和離心葉輪前方采用處理機匣后，進口導(dǎo)葉后方頂部區(qū)域的氣流能夠借助流場通道內(nèi)的壓差，被抽吸進入處理槽、沿流向輸送，并從離心葉輪前方重新被射入流場通道，有效地吹除了流場通道內(nèi)的低能阻塞團，使得離心葉輪間隙泄漏渦產(chǎn)生的原動力減弱,有效地抑制了由間隙泄漏渦導(dǎo)致的阻塞[6－8]，如圖8所示。但壓氣機效率沒有提高，這是因為被抽吸進入槽內(nèi)的氣體沿槽內(nèi)流動，并在低壓區(qū)重新被射入通道與主流摻混，引起了新的損失。

為詳細分析在機匣處理前后的離心壓氣機內(nèi)部流場分布情況，選取通道內(nèi)典型S3流面進行流場結(jié)構(gòu)分析。S3截面選取位置如圖9所示，進口導(dǎo)流葉片出口選在出口105%弦長截面處，離心葉輪選取進口-2%弦長截面處。

圖10、11分別給出了通道中的進口導(dǎo)流葉片出口處和離心葉輪進口處的S3截面馬赫數(shù)分布，不難發(fā)現(xiàn)機匣處理后，進口導(dǎo)流葉片出口相同位置處的流場分布更加均勻，由尾跡導(dǎo)致的尖部截面低馬赫數(shù)區(qū)面積減小；離心葉輪進口處尖部的高馬赫數(shù)區(qū)域面積減小，流場分布更加均勻合理。這說明機匣新型處理方式能夠有效地改善進口導(dǎo)流葉片和離心葉輪間的流動。

圖12給出了設(shè)計轉(zhuǎn)速喘振邊界點的進口導(dǎo)流葉片吸力面的極限流線分布情況，可以看出為實壁機匣時的進口導(dǎo)流葉片吸力面極限流線的流動較為混亂，在頂部尾緣85%葉展以上處出現(xiàn)了倒流現(xiàn)象；機匣處理后，進口導(dǎo)流葉片吸力面的流動情況得到明顯改善，葉片頂部的回流區(qū)基本消失，而且葉片前緣流場的流動也得到了極大改善。

5 結(jié)論

為了拓寬某小型高轉(zhuǎn)速離心壓氣機的穩(wěn)定工作范圍，對機匣處理前后的壓氣機流場進行了數(shù)值模擬分析，計算結(jié)果表明，機匣處理后：

（1）離心壓氣機穩(wěn)定特性得到一定的改善，失速點向小流量方向拓展，流量裕度在100%設(shè)計轉(zhuǎn)速下提高了3.5%，在90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下提高了2.5%；。

（2）在相同流量下，壓氣機的壓比特性和效率特性都有一定程度的損失，在100%設(shè)計轉(zhuǎn)速下、流量小于2.15kg/s和在90%設(shè)計轉(zhuǎn)速、流量小于2.00kg/s時，壓氣機壓比和效率降低，最大效率在100%設(shè)計轉(zhuǎn)速下下降了約1.7%，在90%設(shè)計轉(zhuǎn)速下下降了約2.5%。

（3）壓氣機喘振邊界點尖部流場得到一定的改善，進口導(dǎo)流葉片尖部截面通道內(nèi)的馬赫數(shù)區(qū)面積減小；離心葉輪進口流場分布更加均勻合理；有效改善了通道內(nèi)的流動。

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