進口氣流角對軸流壓氣機性能的影響研究

郭民

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱150046）

進口氣流角對軸流壓氣機性能的影響研究

郭民

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱150046）

以某軸流壓氣機前四級動/靜葉柵為研究對象，采用商用CFD軟件NUMECA進行了三維求解，分析了不同的進氣預旋轉角度對壓氣機性能的影響。結果表明，增加進口氣流預旋角，可以使動葉負荷明顯減小，且流動更加穩(wěn)定，無論對壓氣機工作的穩(wěn)定性、動葉的氣動性能或者機械性能都是有好處的。

軸流壓氣機；進口氣流角；激波；數值模擬

壓氣機作為燃氣輪機的重要組成部件之一，對燃機的性能起著決定性的作用?，F代壓氣機設計以高負荷、高效能、高壓比為設計標準，其性能的優(yōu)劣很大程度上取決于對壓氣機內部復雜流動現象本質的理解［1］。其中進口氣流預旋的大小和方向將直接影響壓氣機內部的流場結構和做功能力，合理的預旋角度不但可以改善流場、降低損失，壓氣機工作的穩(wěn)定性還可以得到顯著提高。目前，已有很多學者采用實驗或數值模擬方法針對進口預旋在壓氣機中的應用進行了研究［2-3］。

本文針對某型軸流壓氣機前四級，采用三維流體計算軟件NUMECA進行數值模擬，探討了改變進口氣流預旋角，即改變攻角對0級動葉流道內部流動和葉片表面受力的影響，為壓氣機設計提供參考。

1　數值方法和邊界條件

研究針對某型壓氣機前四級動靜葉柵進行，計算域如圖1所示，其中間截面網格示意圖見圖2，網格數約187萬。采用FineTM/Turbo模塊對壓氣機流場進行模擬，選用Spalart-Allamaras（S-A）一方程模型，中心差分格式，時間推進采用四階Runge-Kutta法，為了加速收斂，迭代過程中采用了多重網格法和局部時間步長等措施。邊界條件設置方面，計算中固定壓氣機進口總參數和出口背壓不變，出口利用徑向平衡條件給定出口截面中徑處靜壓值；固壁為絕熱無滑移邊界條件；動靜交界面采用混合平面法處理。

圖1　計算域網格

圖2　中間截面網格示意圖

2　進口氣流角對壓氣機性能的影響

壓氣機0級動葉前存在導流葉柵，以保證進口氣流角為6°，6°的預旋角基本能夠保證0級動葉的攻角在0°左右。但是由于逆壓梯度和激波附面層相互作用的影響，在動葉出口吸力面處存在分離區(qū)。為了研究改變進口氣流預旋角對壓氣機內部流場和葉片表面受力產生的影響，選用進氣角度-10°、-6°、-2°、0°、2°、4°、6°和10°對流場進行求解，獲得不同進口氣流角條件下的壓氣機效率、壓比和流量變化關系曲線如圖3～5所示。為了便于說明，分析中認為進氣角負值時小，正值時為大，氣流角由負到正變化也就是由小到大變化的過程。

圖3　效率

圖4　壓比

圖5　流量

從圖3、圖4、圖5可以看出，隨著進口氣流角由負到正逐漸增加，壓氣機的效率是遞增的，當增加到4°左右時，效率增加趨勢減緩，若再增加氣流角，則應該會出現拐點。而壓比和流量隨著進氣角的增加都是先增加后減小，峰值出現在進氣角-4°附近，而此時的效率相對較低。從具體數值來看，效率在不同進氣角條件下，最大和最小值相差約5.90%，壓比相差0.84%，流量相差2.29%.由此可見，壓氣機的效率受來流角度的影響最大，而壓比受影響很小。綜上可知，從提高壓氣機的性能方面考慮，該壓氣機給定進口氣流6°的預旋是合理的。

3　進口氣流角對0級動葉的影響

圖6～8給出沿徑向不同葉高處零級動葉的壁面靜壓系數沿弦長的分布曲線。圖中僅給出5種進口氣流角±10°、±6°、0°的靜壓系數分布，而進氣角±4° 和±2°時的曲線位于0°和6°對應的曲線之間，從規(guī)律分析上來看，不會影響最終的定性結論，為了讓曲線更容易分辨，因此圖中沒有給出。

圖6　10%相對葉高

圖7　50%相對葉高

圖8　90%相對葉高

圖6為根部區(qū)域10%相對葉高表面靜壓系數隨不同進口氣流角的變化曲線，隨著進氣角由負到正，壓力面的靜壓逐漸減??；吸力面氣流在前10%弦長處先增壓后膨脹，且進氣角度越大，增壓和膨脹的幅度越大。觀察吸力面發(fā)現幾乎在同一個位置壓力驟增，即根部區(qū)域激波的位置基本一致，說明此時進氣角對激波位置影響不大，但是激波強度隨角度增加有所減弱，但正角和正角之間（即10°和6°），負角和負角即（-10°和-6°）之間相差不明顯。

中徑附近（圖7），壓力面靜壓差異主要體現在前30%弦長，進氣角越大，靜壓越小，也就是說氣流在壓力面前30%弦長處加速，而后70%弦長處靜壓差別不大。在吸力面，當進氣角為負值時，氣流先增壓后膨脹，而從0°開始，氣流在前半程流道只膨脹。并且隨著角度增加，氣流膨脹范圍越大。相應地，激波位置隨著角度的增加向流道中央移動，也就是說流動相對更加穩(wěn)定。從激波前后靜壓系數的變化來看，激波的強度受進氣角度影響不大。另外，波后氣流參數的變化基本一致。

葉頂附近（圖8），壓力面靜壓差異也主要體現在前30%軸向弦長的范圍，其規(guī)律與中徑處類似，但幅度明顯增強。另外，值得注意的是，當進氣角度為正值時，壓力面前緣氣流略微增壓，然后加速，增壓和加速的幅度都很小。吸力面靜壓系數的分布規(guī)律與中徑附近也基本一致，但是激波位置的變化更加明顯，正進氣角時對應的流動愈加穩(wěn)定。換句話說，進氣角度的變化對葉頂區(qū)域的影響更突出。

4　結束語

本文以某軸流級壓氣機前四級為研究對象，探索了不同的進口氣流角對壓氣機總體性能、激波位置和葉片表面受力的影響。主要結論如下：

（1）進口氣流預旋角對壓氣機效率影響最大，而對壓比影響最小。針對該壓氣機，給定進口氣流6°的預旋是合理的。

（2）不同的預旋角對零級動葉表面的壓力分布和流道內流場結構影響很大。尤其是中徑以上，隨著預旋角度的增加，激波逐漸向下游移動，激波的強度受進氣角度影響不大。

（3）研究中暫未考慮葉頂間隙的影響。間隙內的流動必然受橫向壓力梯度的影響向吸力面流動，很可能與動葉主流區(qū)氣流摻混，增加動葉內的損失。

［1］Chunill Hah.Large eddy simulation of transonic flow field in NASA Rotor 37［C］.47th Aerospace Sciences Meeting，2009.

［2］楊其國，呂智強，胡平金，等.進口氣流角對某跨音級葉柵影響的數值分析［J］.汽輪機技術，2011，53（5）：321-323.

［3］周帆，葉舟.基于風機進口預旋的數值分析與應用研究［J］.機械研究與應用，2012，34-37.

Numerical Research of Intake Flowangle’s Effects on the Axial Compressor

GUO Min
（Harbin Turbine Company Limited，Harbin 150046，China）

By analyzing the front 4-stage cascade of the axial compressor，analyzed several different intake flowangle’s effect on the flow field of compressor cascade by using three-dimensional CFD software NUMECA. The results indicated that the loading of rotor reduced clearly and the performance of rotor，the stability of compressor was improved obviously with the increasing of the intake flowangle.

sxial compressor；intake flowangle；shockwave；numerical simulation

TK473

A

1672-545X（2016）07-0059-03

2016-04-03

郭民（1981-），男，哈爾濱人，本科，工程師，主要從事透平機械及輔助系統的設計研發(fā)工作。