多級(jí)軸流壓氣機(jī)級(jí)間匹配特性研究

沙心國(guó)，嚴(yán)明，劉政良

(1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191；2.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京100074)

多級(jí)軸流壓氣機(jī)級(jí)間匹配特性研究

沙心國(guó)1，2，嚴(yán)明1，劉政良1

(1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191；2.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京100074)

結(jié)合一臺(tái)出口級(jí)使用大小葉片轉(zhuǎn)子的高負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)其多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)各設(shè)計(jì)方案級(jí)間匹配特性的分析，總結(jié)出多級(jí)軸流壓氣機(jī)的級(jí)間匹配特性。通過(guò)與另一臺(tái)級(jí)數(shù)相當(dāng)?shù)缓笮∪~片轉(zhuǎn)子的低負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)的級(jí)間匹配特性進(jìn)行對(duì)比，研究了在多級(jí)軸流壓氣機(jī)出口級(jí)使用大小葉片轉(zhuǎn)子對(duì)級(jí)間匹配特性的影響。結(jié)果表明，在多級(jí)軸流壓氣機(jī)出口級(jí)使用大小葉片轉(zhuǎn)子，不僅可提高出口級(jí)的負(fù)荷及整機(jī)總壓比，還可增大壓氣機(jī)的失速裕度。

多級(jí)軸流壓氣機(jī)；級(jí)間匹配特性；大小葉片轉(zhuǎn)子；流動(dòng)分離；失速裕度；數(shù)值模擬

1 引言

級(jí)間匹配特性是多級(jí)軸流壓氣機(jī)的重要特性，其優(yōu)劣直接影響壓氣機(jī)的總體性能。在多級(jí)軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中，級(jí)間參數(shù)匹配是設(shè)計(jì)工作的重中之重，也是最困難的部分。任意級(jí)的級(jí)間參數(shù)選擇不合適將導(dǎo)致該級(jí)的性能降低，甚至影響其它多排葉片的運(yùn)行狀況，使其運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)偏離，從而導(dǎo)致壓氣機(jī)整機(jī)性能無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此，對(duì)于多級(jí)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)，級(jí)間匹配往往是決定壓氣機(jī)設(shè)計(jì)成敗的最關(guān)鍵因素。

為找到正確計(jì)算各級(jí)匹配的方法，國(guó)內(nèi)外做了大量研究工作。工程上使用較多的是級(jí)疊加法，但其理論依據(jù)是假定在下游疊加上去的葉片排不影響上游原有流場(chǎng)，因此這種方法的可靠性需要論證[1]。國(guó)外方面，早在20世紀(jì)50～60年代，Stone[2]、Doyle[3]和Robbins[4]等就對(duì)級(jí)疊加法進(jìn)行過(guò)專(zhuān)門(mén)研究。1979年，Klapproth等[5]對(duì)CF6-6發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的總壓比和

軸向速度沿級(jí)分布進(jìn)行了研究。1992年，Smed等[6]對(duì)兩種不同型號(hào)多級(jí)壓氣機(jī)各級(jí)做功系數(shù)在各級(jí)中的分布進(jìn)行了研究。2008年，Soltani等[7]基于遺傳算法，對(duì)多級(jí)壓氣機(jī)中流量系數(shù)、總壓比和效率在各級(jí)的分布進(jìn)行了優(yōu)化研究。

國(guó)內(nèi)方面，鄒正平等[8]指出，多級(jí)壓氣機(jī)匹配是一個(gè)葉輪機(jī)設(shè)計(jì)難題，在設(shè)計(jì)之初就把非設(shè)計(jì)狀態(tài)下影響級(jí)間匹配的主要因素考慮在內(nèi)，是解決多級(jí)壓氣機(jī)匹配問(wèn)題的關(guān)鍵。曲愛(ài)民[9]對(duì)某11級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)行了三維流場(chǎng)分析，得出了各級(jí)反動(dòng)度和總壓比的分布曲線(xiàn)。馬聰慧等[10]使用三維粘性數(shù)值模擬方法，對(duì)某大流量軸流壓氣機(jī)進(jìn)行了計(jì)算研究，并分析了該壓氣機(jī)加功量、絕熱效率、壓比、反力度等參數(shù)在各級(jí)的分布情況，及大流量多級(jí)軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

隨著大小葉片轉(zhuǎn)子技術(shù)的不斷成熟，大小葉片轉(zhuǎn)子逐步應(yīng)用到多級(jí)軸流壓氣機(jī)中[11～15]。由于大小葉片轉(zhuǎn)子具有單級(jí)壓比高、失速裕度大的特點(diǎn)，在多級(jí)軸流壓氣機(jī)中使用必然會(huì)對(duì)壓氣機(jī)的級(jí)間匹配特性帶來(lái)影響。本文結(jié)合一臺(tái)高負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)其多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析，來(lái)研究多級(jí)軸流壓氣機(jī)的級(jí)間匹配規(guī)律；并通過(guò)與另外一臺(tái)級(jí)數(shù)相當(dāng)?shù)牡拓?fù)荷軸流壓氣機(jī)的級(jí)間匹配特性進(jìn)行對(duì)比，來(lái)研究大小葉片轉(zhuǎn)子對(duì)多級(jí)軸流壓氣機(jī)級(jí)間匹配規(guī)律的影響。

2 研究對(duì)象和計(jì)算方法

研究對(duì)象為帶前置導(dǎo)葉的一臺(tái)高負(fù)荷八級(jí)軸流壓氣機(jī)，其最后兩級(jí)使用大小葉片轉(zhuǎn)子，計(jì)算模型如圖1所示。

采用CFD軟件ANSYS CFX對(duì)多級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)行模擬。由結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成軟件Autogrid5進(jìn)行網(wǎng)格繪制，常規(guī)葉片通道采用H-O-H型網(wǎng)格，大小葉片轉(zhuǎn)子通道采用H-I型網(wǎng)格。采用SST二方程湍流模型，使用一階精度迎風(fēng)格式求解含有粘性做功項(xiàng)的總能方程。采用理想氣體作為工質(zhì)，恒定轉(zhuǎn)速，進(jìn)口給定總溫、總壓和氣流角，出口給定平均靜壓，固壁絕熱無(wú)滑移。

通過(guò)調(diào)整周向、軸向和展向三個(gè)方向上的網(wǎng)格層數(shù)，繪制出三種不同數(shù)目(約500萬(wàn)、700萬(wàn)和1 000萬(wàn))的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。可見(jiàn)，計(jì)算結(jié)果不隨網(wǎng)格數(shù)目的變化而改變，三種網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果基本一致。在計(jì)算資源允許的前提下，為獲得更加詳細(xì)的內(nèi)部流場(chǎng)信息，本文選用1 000萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格最小正交性大于10°，最大延展比控制在5以下。由于計(jì)算采用的SST湍流模型對(duì)y+要求較高，需要最內(nèi)層網(wǎng)格厚度較小，同時(shí)由于計(jì)算資源有限，需要控制網(wǎng)格總數(shù)，這就使得壁面處的網(wǎng)格長(zhǎng)寬比很難控制在1 000以下。長(zhǎng)寬比超過(guò)1 000的網(wǎng)格主要集中在葉片、機(jī)匣和輪轂等壁面處，壁面處流動(dòng)參數(shù)在垂直壁面方向的變化最為明顯，而在平行壁面方向的變化相對(duì)要小許多，因而壁面處的網(wǎng)格長(zhǎng)寬比較大對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小，因此以上網(wǎng)格質(zhì)量可保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 級(jí)間匹配特性分析

本文參數(shù)的無(wú)量綱化方法為：XRel=X/X0(X為參

數(shù)，X0為選定的基準(zhǔn)參數(shù))。

3.1 各設(shè)計(jì)方案級(jí)間匹配特性分析

圖3為高負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)五種設(shè)計(jì)方案的級(jí)間匹配特性圖。可見(jiàn)，五種設(shè)計(jì)方案的級(jí)間匹配特性類(lèi)似，總壓比沿流向逐級(jí)減小；絕熱效率中間高、兩端低；第1、第7級(jí)的反力度較大，其它各級(jí)的反力度均在0.45左右；各級(jí)轉(zhuǎn)子的總焓升基本在同一水平；各級(jí)總壓升和靜壓升沿流向逐級(jí)增加。

該高負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)中，第1級(jí)為跨聲速級(jí)，第7級(jí)為大小葉片轉(zhuǎn)子，這兩級(jí)轉(zhuǎn)子的做功能力較大，因此其反力度較大。

方案1在設(shè)計(jì)點(diǎn)靜子葉片吸力面的極限流線(xiàn)如圖4所示。可見(jiàn)，S2、S4和S5葉片吸力面尾部都存在較大的流動(dòng)分離。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)流量減小時(shí)，S2葉片吸力面的分離區(qū)大小基本不變，S4和S5的分離區(qū)逐漸變大，S6尾部出現(xiàn)大的流動(dòng)分離，且S5尾部的分離區(qū)最大。結(jié)合圖3中方案1的級(jí)間匹配特性可知，壓氣機(jī)第2級(jí)的總焓升最大，反力度較小；第4級(jí)的反力度最小；第5級(jí)的總焓升較大，反力度較小。所以這三級(jí)靜子葉片中的逆壓梯度較大，造成靜子葉片吸力面流動(dòng)分離。

方案2在設(shè)計(jì)點(diǎn)靜子葉片吸力面的極限流線(xiàn)如圖5所示。可見(jiàn)，S2、S4、S5和S6葉片吸力面都存在一定的流動(dòng)分離，其中S4的分離最大。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)流量逐漸減小時(shí)，S2、S4、S5和S6葉片吸力面的分離區(qū)逐漸增大，且沿流向增幅逐漸增大。結(jié)合圖3中的級(jí)間參數(shù)分布可知，第2級(jí)的總焓升過(guò)大；第4、第5級(jí)的反力度最小；第6級(jí)總焓升過(guò)大，但反力度不大。以上原因使得這四級(jí)靜子葉片通道中的逆壓梯度過(guò)大，造成吸力面出現(xiàn)流動(dòng)分離。

方案3在設(shè)計(jì)點(diǎn)靜子葉片吸力面的極限流線(xiàn)如圖6所示。可見(jiàn)，S2、S5和S6葉片吸力面存在一定的流動(dòng)分離。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)流量逐漸減小時(shí)，S2、S5和S6葉片吸力面的分離區(qū)逐漸增大，且沿流向增幅逐步增大。結(jié)合圖3中的級(jí)間參數(shù)分布可知，第3、第4級(jí)的總焓升較小，其它各級(jí)的總焓升大小相當(dāng)，但第1級(jí)為跨聲速級(jí)，最后兩級(jí)是大小葉片轉(zhuǎn)子，因此這三級(jí)的做功能力較強(qiáng)。相對(duì)而言，第2、第5和第6級(jí)的總焓升偏大，且這三級(jí)的反力度較小，因此這三級(jí)靜子葉片的逆壓梯度較大，使得S2、S5和S6葉片吸力面尾部發(fā)生大的流動(dòng)分離，引起壓氣機(jī)進(jìn)入失速狀態(tài)。

方案4在設(shè)計(jì)點(diǎn)靜子葉片吸力面的極限流線(xiàn)如圖7所示。可見(jiàn)，S2、S5和S6葉片吸力面尾部發(fā)生了流動(dòng)分離，其中S2的分離區(qū)最大，其它各級(jí)流動(dòng)狀況較好。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)流量逐漸減小

時(shí)，S2、S5和S6葉片吸力面的分離區(qū)逐漸增大，且沿流向增幅逐漸增大。結(jié)合圖3中的級(jí)間參數(shù)分布可知，第2級(jí)的總焓升最大、反力度最小，第2級(jí)靜子葉片通道中逆壓梯度最大，使得靜子葉片吸力面尾部發(fā)生流動(dòng)分離。第4級(jí)的總焓升最小，其氣動(dòng)負(fù)荷最小，絕熱效率最高。后面四級(jí)的總焓升基本相當(dāng)，但由于最后兩級(jí)是大小葉片轉(zhuǎn)子，而第5、第6級(jí)轉(zhuǎn)子是常規(guī)轉(zhuǎn)子，因此這使得第5級(jí)和第6級(jí)的氣動(dòng)負(fù)荷相對(duì)偏大、反力度較小，從而使得第5、第6級(jí)靜子葉片通道逆壓梯度較大，吸力面尾部發(fā)生大的流動(dòng)分離，壓氣機(jī)進(jìn)入失速狀態(tài)。

方案5在設(shè)計(jì)點(diǎn)靜子葉片吸力面的極限流線(xiàn)如圖8所示。可見(jiàn)，S2、S4、S5和S6葉片吸力面尾部發(fā)生了流動(dòng)分離，其中S2和S6的分離較大，S4和S5的分離較小。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)流量逐漸減小時(shí)，S2、S4、S5和S6葉片吸力面的分離區(qū)逐漸增大，

且沿流向增幅逐漸增大。在近失速點(diǎn)，S6葉片吸力面的分離最大，中間葉高分離位置延伸到了葉片50%弦長(zhǎng)位置。結(jié)合圖3中的級(jí)間參數(shù)分布可知，第2級(jí)的總焓升最大、反力度最小；第4、第5級(jí)的反力度較小；后面三級(jí)的總焓升基本相當(dāng)，由于最后兩級(jí)是大小葉片轉(zhuǎn)子，而第6級(jí)是常規(guī)轉(zhuǎn)子，其氣動(dòng)負(fù)荷相對(duì)偏大、反力度較小。因此這四級(jí)靜子葉片通道逆壓梯度較大，吸力面尾部發(fā)生流動(dòng)分離。

由圖3中的級(jí)間匹配特性可知，在設(shè)計(jì)點(diǎn)，五種設(shè)計(jì)方案第1級(jí)的絕熱效率不同，其中方案1的最低，方案5的最高。原因是五種設(shè)計(jì)方案中第1級(jí)轉(zhuǎn)子的掠型不同，使得其通道中激波-附面層干涉引起的流動(dòng)分離區(qū)大小不同(圖9)，從而造成各設(shè)計(jì)方案絕熱效率出現(xiàn)差異。

3.2 大小葉片轉(zhuǎn)子對(duì)級(jí)間匹配特性的影響

圖10為上述高負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)各設(shè)計(jì)方案與一低負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)的級(jí)間匹配特性對(duì)比圖。該低負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)共九級(jí)，含進(jìn)口導(dǎo)葉和可調(diào)靜子葉片，但出口級(jí)不含靜子葉片，且各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片均為常規(guī)葉片，不含大小葉片；圖中用Origin表示。

從圖中可看出，兩種壓氣機(jī)的總壓比均是前高后低，沿流向逐級(jí)降低；絕熱效率均呈中間高、兩端低分布。低負(fù)荷壓氣機(jī)各級(jí)的反力度較大，均在0.5以上；高負(fù)荷壓氣機(jī)各設(shè)計(jì)方案的反力度均較小，基本在0.5以下。低負(fù)荷壓氣機(jī)中各級(jí)轉(zhuǎn)子的總焓升呈沿流向逐漸減小的趨勢(shì)，而高負(fù)荷壓氣機(jī)各設(shè)計(jì)方案各級(jí)轉(zhuǎn)子的總焓升保持在同一水平，相差不大。兩種壓氣機(jī)各級(jí)的總壓升和靜壓升分布規(guī)律基本一致，呈沿流向逐級(jí)增加的趨勢(shì)，但增幅不同。

從圖10(a)可看出，兩種壓氣機(jī)均為第1級(jí)的總壓比最大，沿流向各級(jí)的總壓比逐級(jí)減小，與文獻(xiàn)[7]中多級(jí)軸流壓氣機(jī)中為保證部分轉(zhuǎn)速時(shí)的性能，總壓比沿級(jí)分布應(yīng)中間高、兩端低的結(jié)論不同。兩者差別在于進(jìn)口幾級(jí)總壓比的大小，原因是本文研究的壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)為跨聲速級(jí)，做功能力強(qiáng)，且進(jìn)口幾級(jí)靜子葉片可調(diào)，在轉(zhuǎn)速降低時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口

段靜子葉片的安裝角來(lái)改變進(jìn)氣條件，保證部分轉(zhuǎn)速下的性能。

高負(fù)荷壓氣機(jī)五種設(shè)計(jì)方案中的一個(gè)共同點(diǎn)是：在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)質(zhì)量流量減小時(shí)，S6或S5葉片尾部首先發(fā)生大的流動(dòng)分離，然后整機(jī)進(jìn)入失速狀態(tài)。而不含大小葉片轉(zhuǎn)子的低負(fù)荷壓氣機(jī)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，流量減小時(shí)S7、S8葉片吸力面尾部首先發(fā)生流動(dòng)分離，從而引起整機(jī)失速。據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，多級(jí)軸流壓氣機(jī)中存在放大效應(yīng)，即進(jìn)口流量的變化會(huì)在后面各級(jí)逐級(jí)放大。因此多級(jí)軸流壓氣機(jī)流量減小時(shí)，后面級(jí)首先進(jìn)入失速狀態(tài)。在該高負(fù)荷壓氣機(jī)中，由于后面級(jí)使用的是大小葉片轉(zhuǎn)子，對(duì)進(jìn)口條件變化不敏感，流量裕度大，因此流量變化時(shí)首先在大小葉片轉(zhuǎn)子上游相鄰級(jí)發(fā)生流動(dòng)分離，導(dǎo)致整機(jī)進(jìn)入失速狀態(tài)。即在出口級(jí)使用大小葉片轉(zhuǎn)子，在壓氣機(jī)流量減小時(shí)，可延緩壓氣機(jī)失速，增大壓氣機(jī)失速裕度。

從圖10(d)可看出，出口級(jí)使用大小葉片轉(zhuǎn)子的多級(jí)軸流壓氣機(jī)，出口兩級(jí)總焓升與前面各級(jí)的基本相當(dāng)；而出口未使用大小葉片轉(zhuǎn)子的多級(jí)軸流壓氣機(jī)，出口三級(jí)的各級(jí)總焓升相對(duì)前面各級(jí)有所降低。而從圖10(e)、圖10(f)可看出，對(duì)于低負(fù)荷壓氣機(jī)，出口級(jí)全部使用的是常規(guī)轉(zhuǎn)子，總壓升和靜壓升沿級(jí)增長(zhǎng)較平緩、增幅較小；而對(duì)于高負(fù)荷壓氣機(jī)各設(shè)計(jì)方案，出口兩級(jí)使用的是大小葉片轉(zhuǎn)子，最后兩級(jí)總壓升和靜壓升沿級(jí)增長(zhǎng)較陡峭、幅值較大。因此，在多級(jí)軸流壓氣機(jī)出口級(jí)使用大小葉片轉(zhuǎn)子，可提高出口級(jí)負(fù)荷，增加出口級(jí)壓比，提高整機(jī)壓比。

4 結(jié)論

(1)本文出口級(jí)使用大小葉片轉(zhuǎn)子的高負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)的各設(shè)計(jì)方案中，主要是由于某些級(jí)的總焓升較大或反力度較小，造成靜子葉片通道逆壓梯度過(guò)大而引起流動(dòng)分離。

(2)在多級(jí)軸流壓氣機(jī)出口級(jí)使用大小葉片轉(zhuǎn)子，可提高后面級(jí)負(fù)荷，提高壓氣機(jī)整機(jī)壓比；并且在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)流量減小時(shí)，可延緩壓氣機(jī)失速，增大失速裕度。

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[14]李海鵬，劉火星，蔣浩康.單級(jí)軸流大小葉片壓氣機(jī)非定常流場(chǎng)數(shù)值研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2006，21(6)：1053—1058.

[15]嚴(yán)明，陳懋章.大小葉片軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子流動(dòng)特性分析[J].推進(jìn)技術(shù)，2002，23(4)：280—282.

Stage Matching Characteristics of Multi-Stage Axial Compressor

SHA Xin-guo1，2，YAN Ming1，LIU Zheng-liang1
(1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Aero-Thermodynamics，School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China)

Combined with design process of a high load multi-stage axial compressor having splitters in last two stages,different design cases were calculated and simulated.The matching characteristic of multi-stage axial compressor was researched and summarized by analyzing the matching characteristic of compressor design projects.In addition,the influence of splitter on stage matching characteristic of multi-stage axial compressor was studied through comparing with another low load multi-stage axial com?pressor without splitter.The results show that using splitter in the outlet stage of a multi-stage axial com?pressor not only can increase the loading and the overall pressure ratio of compressor,but also can increase the compressor stall margin.

multi-stage axial compressor；stage matching characteristic；splitter；flow separation；stall margin；numerical simulation

V231.3

：A

：1672-2620(2014)01-0006-06

2013-01-05；

：2013-10-11

沙心國(guó)(1987-)，男，河北邢臺(tái)人，碩士，助理工程師，主要從事流體測(cè)試與計(jì)算。