離心壓氣機相似轉速數值研究

田澤，鐘易成，徐偉祖，沈永涵

(1. 南京航空航天大學 動力與能源學院，南京 210016； 2. 南京普國科技有限公司，南京 210016)

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離心壓氣機相似轉速數值研究

田澤1，鐘易成1，徐偉祖2，沈永涵1

(1. 南京航空航天大學 動力與能源學院，南京 210016； 2. 南京普國科技有限公司，南京 210016)

摘要：以某型地面燃機的離心式低壓壓氣機為對象進行了全三維數值模擬，分別計算了折合轉速相同但進口總溫、總壓及物理轉速不同的7種狀態的壓氣機工作特性曲線，其中物理轉速分別為90%、100%及105%。結果表明：折合轉速相同時流場的相似程度較高但性能差別較大，隨著進口總溫升高、總壓減小雷諾數降低，壓氣機增壓比、效率降低。

關鍵詞：離心式壓氣機；雷諾數；壓氣機性能

0引言

在燃氣輪機及其部件的性能研究中相似理論具有重要的地位[1-2]，應用相似理論可以把燃氣輪機各部件在特定條件下的工作特性推廣到與它相似的情況下。相似理論認為當雷諾數進入自模化區即不再是相似準則。目前國內外學者的研究主要集中于高空低雷諾數問題[3-5]，對于地面燃氣輪機，在雷諾數較高的情況下，地面大氣條件、海拔高度或進排氣系統損失不同導致發動機進口參數改變，引起的雷諾數變化同樣會對發動機各部件的性能產生影響。尤其是低壓壓氣機進口參數值較小，各參數通過比值進行換算時偏差較為明顯。本文以某型地面燃機的低壓離心壓氣機為研究對象，采用數值模擬的方法分別計算了物理轉速為90%、100%及105%，但折合轉速均為100%的不同進口條件下共7個狀態的工作特性，分析了相似轉速下離心壓氣機性能的變化及雷諾數對壓氣機性能的影響。

1物理模型

本文采用商業NUMECA軟件對某型地面燃機低壓級離心式壓氣機進行數值模擬，研究了相似轉速對壓氣機性能的影響。

低壓級壓氣機二維結構如圖1所示，幾何模型含6個部件，分別為進口支板、預旋葉片、工作葉片、徑向擴壓器、軸向擴壓器和徑向回流器。其中，進口支板4個；預旋葉片19個；轉子葉片為帶冠葉片，總數為22；徑向和軸向擴壓器，葉片數分別為17和120；徑向回流器葉片數為9。

圖1　低壓級壓氣機二維結構圖

2數值計算方法

高品質的網格有利于提高數值計算的精度、速度和收斂性。采用IGG/AUTOGRID生成網格,低壓級壓氣機網格如圖2所示，網格總量為160萬，其中，轉子葉片網格為25萬，如圖3所示。近壁面第一層網格高度為0.006mm，網格最小正交性16.032，最大網格延展比3.074，根據經驗滿足湍流模型計算要求。

圖2　低壓級壓氣機通道網格

圖3　轉子葉片計算網格

采用FINE/TURBO進行數值計算，求解三維雷諾平均N-S方程，數值方法采用時間追趕的有限體積法，空間離散采用二階精度中心差分格式，時間離散應用二階后差歐拉格式，湍流模型采用S-A (spalart-allmaras)單方程模型，流動介質為理想氣體，使用多重網格法、局部時間步長和殘差光順等多種措施加速收斂。

根據相似理論，壓氣機特性曲線可以在任意進口溫度下測取，通過相似理論進行換算應該得到同樣的結果。折合參數[2]就是應用相似理論，把不同大氣條件下所得參數換算成海平面國際標準大氣條件下相似狀態的對應參數。

折合轉速：

折合流量：

表1為不同狀態下低壓級壓氣機通道計算域的進口邊界參數，其中編號NO.4_100per是在設計轉速下，模擬壓氣機標準大氣狀態下的工作特性；調整進口總溫使物理轉速為90%、105%的折合轉速均為100%，根據相似理論總壓對結果沒有影響，故相同物理轉速下分別給定了不同進口總壓。

表1　不同狀態下壓氣機參數

3結果與分析

3.1　氣動性能

運用NUMECA軟件包對上述7種狀態的低壓壓氣機進行了數值模擬，得到了壓氣機壓比、效率隨折合流量變化的工作特性。

圖4及圖5給出了不同狀態下壓氣機的流量-壓比特性及流量-效率特性曲線。由圖可以看出，在同一折合轉速下，不同狀態的壓氣機工作特性具有明顯差異，說明本文的離心式壓氣機特性受進口總溫、總壓影響比較顯著。隨著壓比的減小，壓氣機通流能力減弱，折合流量減小，當壓比減小到約3.5以下時，流量發生堵塞，壓比繼續減小流量基本不再變化，且不同狀態下堵塞流量均不同；隨著折合流量的增大壓氣機效率減小，當流量堵塞時效率急劇下降。

圖4　壓氣機流量壓比特性

圖5　壓氣機流量效率特性

為更直觀的研究壓氣機內部性能的變化，圖6給出了折合流量相同時不同狀態的壓比、效率隨雷諾數的變化。根據相似理論，壓氣機在某一工作狀態與標準大氣條件下工作的折合轉速與折合流量相等時，這兩個狀態就相似，壓氣機其他各性能相似參數也應該相等。雷諾數的定義[6]基于離心壓氣機轉子葉片出口周向速度及轉子葉片出口高度。

由圖6可以看出各狀態雷諾數均比較高，從NO.1到NO.7雷諾數5×105增加到7.6×105，增加超過50%，說明不同狀態參數對雷諾數影響比較嚴重。雷諾數與壓比、效率呈現出近似線性關系，雷諾數越低壓氣機壓比越小，損失越大，效率越低。當進口總壓保持不變(NO.1、4、7)時，隨著物理轉速的增加及進口總溫的升高雷諾數減小，壓氣機的增壓比、效率均降低。當物理轉速及進口總溫保持不變(NO.1、2、3及NO.5、6、7)時，隨著進口總壓的減小雷諾數降低，壓氣機的增壓比、效率均降低。

圖6　壓比、效率隨雷諾數變化

為更好并且更方便地對比不同條件下壓氣機內部流動變化，本文選取編號分別為NO.2_90per、NO.4_100per、NO.6_105per的3個狀態(因為此3個狀態的折合流量與物理流量相同)，比較流量相同的計算點，分析其他參數的變化。具體參數如表2所示，可以看出隨著物理轉速由90%增加到105%，以標準狀態為基準，雷諾數由+19.87%減小到-8.35%，，壓氣機增壓比由+4.92%減小至-2.66%，效率由+3.76%降至-2.03%。雷諾數共降低28.225 %，增壓比及效率分別降低了7.581%、5.787%。

表2　不同狀態等折合流量壓氣機性能參數

表3給出了3種狀態壓氣機各部件通道內出口總壓與進口總壓的比值。可以看出隨著雷諾數的減小，進口支板、預旋葉片、徑向擴壓器、軸向擴壓器和徑向回流器的總壓恢復系數都減小。其中進口支板及預旋葉片的變化都比較小，隨雷諾數的減小轉子葉片產生的增壓比由2.688%減小到-1.784%，而由于轉子葉片出口氣流速度較高，位于轉子葉片后方的徑向擴壓器和軸向擴壓器總壓損失也遠高于其他非旋轉部件。

表3　不同狀態等折合流量各部件總壓比

3.2　流場相似性

為了更詳細地分析雷諾數對壓氣機性能的影響，研究其對壓氣機性能的影響機理，圖7給出了3種狀態下轉子葉片S2流面流場的相對馬赫數分布云圖。可以看出3種流場的馬赫數分布比較相似，葉片葉根與葉尖都存在一個較明顯的低速區，馬赫數較小。葉根的低速區主要是葉輪進口處的擴壓作用造成的，低速區范圍較小，沒有導致損失明顯增加，但是由于此處低能流體的存在，不利于控制二次流的發展，在葉尖可看到明顯的馬赫數變化，說明此處存在泄露流。

圖7　轉子通道相對Ma分布

對比不同狀態的流場分布，可以看出隨著雷諾數的降低，物理轉速增加，馬赫數分布呈現“兩極分化”的趨勢，通道內的高馬赫數范圍增加，但同時低馬赫數范圍也增加。葉片前緣處的馬赫數增大，導致分離區的范圍增大；葉尖低速區逐漸增大，同時低速區的起始位置逐漸向前移動，這主要是由于離心壓氣機轉子葉片受離心力影響，氣流從葉根向葉尖遷移流動，流體低能區的由葉根向葉尖的遷移流動也逐漸增強，低能區的堆積導致葉尖低速區加強，低馬赫數區的增大，導致了工作葉片的增壓比減小，這也是離心葉輪總壓損失重要原因。

圖8給出了徑向擴壓器50%高度絕對馬赫數云圖和流線圖，可以看出3種流場的馬赫數分布及流線均比較相近。在葉背均出現了明顯的低速區，氣流發生了分離。隨著雷諾數的減小，轉子葉片出口Ma減小，同時氣流角發生改變，攻角增大，在擴壓器葉片葉背分離區起始位置前移、范圍增大，從而導致了總壓損失增大，通道的通流能力減弱。

圖8　徑向擴壓器絕對馬赫數及流線圖

4結論

本文以某型地面燃機離心式低壓壓氣機為對象，采用數值模擬的方法分析了7種狀態的部件特性，對工作特性曲線及壓氣機流場進行了分析，得出的結論如下：

1) 對于本文所研究的離心壓氣機，折合轉速與折合流量均相同時，從NO.2_90per到NO.6_105per狀態雷諾數共降低28.225 %，增壓比降低了7.581%，效率降低了5.787%。

2) 折合轉速相等時，隨著進口總溫的升高、總壓的降低雷諾數減小，壓氣機的增壓比、效率均減小。

3) 本文所研究的離心壓氣機在折合轉速相等時，通道內的流場相似程度比較高，流場存在一定分離現象，但相似換算參數與標準狀態存在較大差別。

參考文獻:

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[5] 喬渭陽，王占學，伊進寶. 低雷諾數渦輪流動損失控制技術研究[J].推進技術.2005.

[6] CASEY MV. The effects of Reynolds number on the efficiency of centrifugal compressor stages. ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power . 1985.

Numerical Analysis of Centrifugal Compressor in Similar Speed

TIAN Ze1, ZHONG Yi-cheng1, XU Wei-zu2,SHEN Yong-han1

(1. College. of Energy and Power, Nanjing University. of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China；

2. The Limited Company of Nanjing Puguo Technology, Nanjing 210016, China)

Abstract:A type of low pressure centrifugal compressor of a ground gas turbine is used to do its three dimensional numerical simulation and calculate the characteristic curres of the compressor in the seven different cases of inlet total temperature, total pressure, and different physical speed of 90%, 100% and 105%, with same conversion speed. The results show that in the same conversion speed the flow of the compressor is quite similar, but its performance is different largely, and with the rising of the inlet total temperature and the reducing the inlet total pressure, Reynolds number, the compressor pressure ratio and efficiency are reduced.

Keywords:centrifugal compressor; Reynolds number; Compressor performance

中圖分類號：V231.3

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)02-0059-04

作者簡介：田澤(1989-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為航空發動機總體及葉輪機氣動設計。