某多級壓氣機流場數值計算?

張宇坤 李 昂 張 赟

（海軍航空大學 煙臺 264001）

1 引言

隨著航空發動機技術的快速發展，壓氣機的性能不斷提高，對壓氣機的設計也提出了更多的要求。壓氣機不但要在設計工作狀態下滿足各種性能要求，也需要在非設計狀態下能夠穩定工作［1］。因此，對多級壓氣機在設計狀態和非設計狀態各種性能的準確預估具有十分重要的意義。

隨著CFD技術日臻成熟和計算機計算速度的提高，壓氣機的數值模擬技術也得到了發展迅速，為預估壓氣機的工作性能提供了有效手段。CFX是一款基于CFD理論的仿真軟件，其計算結果精準、適應性強，目前已廣泛應用于各個工程實踐領域［2～6］。

某型渦漿發動機采用十級軸流壓氣機，其設計增壓比為8.0，設計點效率達到88%。該型壓氣機涉及改型，為完整地了解其工作過程，文本利用CFX軟件對該壓氣機多個工況的流場進行仿真模擬。將仿真結果與臺架實驗數據進行對比以驗證數值仿真的準確性，并通過仿真結果分析該壓氣機的工作規律和流場參數分布，為該壓氣機之后的使用和改進提供重要的數據支撐。

2 模型建立和網格劃分

2.1 幾何模型重構

該壓氣機的葉型數據和氣流通道參數均來自型號數據。為了保證壓氣機幾何模型不存在缺陷，能夠用于Turbogrid軟件進行網格劃分。本文根據其葉型數據重構了每一級葉片的等葉高葉型曲線和氣流通道，生成通用幾何文件IGES。之后利用Bladegen軟件對幾何文件進行處理，識別葉尖、葉根，根據葉型曲線進行擬合，并生成葉片的幾何模型。幾何模型如圖1所示。

2.2 網格劃分

將幾何模型導入Turbogrid軟件，進行網格的生成，葉片采用H-O-H結構。為了盡可能地使仿真結果精準，在劃分網格時，根據提供的數據對葉頂間隙進行了網格劃分。通過Turbogrid軟件，得到了各級葉片單通道的網格劃分情況。每級壓氣機網格數大約在25萬左右，改壓氣機共十級，并包含一級進口導流葉片，共21排葉片單通道。通過CFD的前處理軟件將各級葉片通過混合平面法拼接到一起，形成整個壓氣機單通道流域的網格，總網格數共556萬，網格劃分情況如圖2所示。從圖2可以看出，該型壓氣機采用了等外徑設計。

3 理論模型和計算方法

設燃氣為完全氣體，不計化學反應和組分輸運的三維時均N-S方程：

其中，μeff=μ+μt，μt即為湍流模型，本文選擇能夠較好地計算近壁低雷諾數流場和旋轉流場的k-ω湍流模型，k-ω湍流模型為

各級靜轉子之間的連接面采用混合平面法處理。該方法在坐標變化的基礎上，在網格節點上對各個物理量進行加權平均。可以在保證精度的情況下，有效減少計算量［7～8］。將氣流通道的兩側設置為周期邊界條件；0級導向器入口給定標準大氣條件，10級靜子出口根據轉速和增壓比給定靜壓條件。

離散格式采用的是CFX的high resolution格式，這種格式根據流場內參數變化情況使用不同的格式，具有普遍二階精度。求解方法采用CFX的偽瞬態算法。

4 計算結果分析

經過計算，得到在不同轉速和不同壓力條件下得到的壓氣機特性曲線。本文分析涉及轉速附近的工作情況，仿真轉速選擇在98%～101%額定轉速。圖3所示為計算結果與標準臺架實驗數據的對比。

圖中實線為標準臺架實驗數據，點畫線為仿真數據。從圖3可以看出仿真結果與實驗數據吻合較好，仿真結果在100%額定轉速時精度最高，最大誤差為0.7%；轉速為101%額定轉速時，誤差達到1.2%；轉速為98%額定轉速時，誤差達到了2.5%。造成誤差的原因：一是靜轉子葉片之間使用混合平面方法鏈接，使葉片前緣和后緣處流場有一定程度失真造成的；二是湍流模型在刻畫流場湍流不精確，影響精度。總體來說，仿真結果的誤差在可接受范圍內，計算精度較高。

圖4 為壓氣機100%額定轉速條件下的計算結果。從圖中可見，流場中壓力和溫度隨流動逐漸增加，不同葉高壓力分布較為均勻，每排葉片通道壓力、溫度分布合理，壓氣機整體工作穩定。

圖4 （c）為100%轉速的流場相對馬赫數云圖，從圖中可以看出，壓氣機中相對馬赫數分布較為穩定合理。馬赫數在轉子通道相對較高，前五級轉子葉背出現較大范圍的近音速區，轉子葉背頂部區域馬赫數最高，達到1.3Ma，這會導致流道壅塞。在其他葉高處也存在類似的壅塞情況，加上該型壓氣機級數較多，這使得其壓氣機流量特性曲線較陡，這在改進設計、提高性能時應引起注意。

該壓氣機在設計工作點整體流場流動穩定，前五級轉子前緣氣流相對速度接近音速，經過轉子的加速后，在葉背后緣存在低速區。這主要是由于該型壓氣機受到當時的工藝和材料限制，采用的葉型較為簡單，葉片后緣沒有很好地貼合流場。葉背后緣的低速區在工況偏離設計點時，低速區會逐漸擴大，可能會存在氣流分離的趨勢，影響工作效率。由于前五級轉子流場趨勢基本相同，所以本文以第五級轉子為例，分析轉速和壓比變化對轉子流場的影響。

如圖5所示，第五級轉子前緣來流相對速度為0.6Ma，經過葉背加速至0.9Ma～1.1Ma。在70%葉寬處，葉背出現低速區，并向后延伸逐漸擴大。

通過圖6可以看到，五級轉子葉背在30%～100%葉高大部分氣流沿著葉片弦向呈現二維流動特性；在30%葉高以下則氣流流動較為混亂。這是由于該型壓氣機為等外徑設計，所以其輪轂會有較明顯的收縮，導致葉片根部的氣流沒有組織好。

圖7 為轉速為額定轉速時第五級轉子葉根處的速度流線圖。從圖中可以看出，隨著增壓比的增加，氣流在葉片前緣的加速明顯，葉背尾部的低速區逐漸擴大，當增壓比為7.8時，葉背尾部已有氣流分離的趨勢。造成這種現象主要是由于一方面壓比增大，氣流流量減少，氣流流動速度降低；另一方面壓比增大，流場內逆壓梯度增大。

圖8 為非額定轉速下第五級轉子葉根處速度流線圖，當轉速偏離額定轉速時，不論轉速升高還是降低，低速區相比于額定轉速狀態都會擴大。其原因是壓氣機工作在非額定轉速時，進入轉子葉片的氣流攻角未對準葉片前緣，導致了流線和葉片的貼合度降低，低速區域增加。

該型壓氣機設計時從工藝角度考慮，最后兩級靜子采用了直葉型靜子葉片。圖9為第十級靜子葉背流動情況，從圖中可以發現，第十級靜子葉背流線只有在葉高中段沿葉片弦向流動，在葉片的根部和頂部都有明顯的三維特性。這是由于第十級靜子為直葉片，只能使葉片中段的來流氣流與葉片前緣較好的對準，葉片頂部和根部的氣流的攻角較大造成了葉背后緣有較大的低速區。

第十級靜子葉片后緣的氣流分布不均勻使得葉片的尾跡區內產生渦系，也使壓氣機出口的總壓分布不均勻，不利于發動機的整體工作。在改進過程中，可以將直葉片替換為有適當扭轉角的葉片，以更好地組織靜子葉片通道的氣流流動，進而提升壓氣機整體性能。

5 結語

1）在壓氣機流場計算中，利用混合平面法拼接多級壓氣機葉片，處理每排葉片間的相互干擾和數據傳輸是合理的，在設計工況下仿真誤差較小；但隨著工作狀態偏離設計點，葉片前緣的低壓區和葉片后緣的氣流尾跡區影響逐漸增大，仿真精度有所下降，但仍在可接受范圍內。

2）該壓氣機在設計點工作穩定，但該壓氣機前五級轉子葉片存在近音速區，流道壅塞，加上壓氣機級數較多，使得其流量特性曲線較陡。

3）在非設計點多排葉片后緣存在氣流分離趨勢。由于氣流在最后兩級靜子葉片為直葉片，導致壓氣機出口存在總壓分布不均勻。本文根據分析結果為壓氣機改進提出了合理建議。