過渡段和離心一體化設計技術探討

田奎 唐方明 余佳

摘 要：本文針對組合壓氣機中過渡段的設計，提出了過渡段和離心一體化設計技術。此技術的核心是在設計組合壓氣機時綜合權衡過渡段和離心的相互影響，將二者作為一個整體來考慮，而不是割裂開來分開設計。 本文采用商用軟件CFX13.0，評估了過渡段旋轉與否、過渡段坡角以及過渡段流通面積分布這三個方面對過渡段和離心的影響。

關鍵詞：過渡段;離心;一體化設計

在中大功率范圍和高壓比渦軸/渦槳發動機中，軸流離心組合壓氣機成為該類型渦軸發動機的典型壓氣機結構形式。該類壓氣機結合了軸流級適應大進口流量、效率高以及離心級適應小流量、穩定工作范圍寬廣的特點，能夠在較小的迎風面積和較少的級數下滿足流量、壓比和效率的多重要求。壓氣機過渡段是連接低壓壓氣機和高壓壓氣機的重要部件，它負責將前者已經壓縮過的空氣輸送到后者中進行進一步壓縮。隨著壓氣機增壓能力和負荷的不斷提高，軸流和離心間的半徑落差朝著增大的趨勢發展，而出于減重的考慮，過渡段設計時應盡可能減小軸向長度。

近年來，國內外開展了較多關于過渡段的研究工作。Ortiz等[1]通過比較平板附面層和帶曲率端壁附面層的區別，指出軸向長度的縮短將使流動損失增大以及流動分離發生在壓力極小值之后具有強逆壓梯度的位置。Bailey[2]通過實驗指出S彎過渡段無支板損失的產生是壓力梯度與曲率共同造成的，其中曲率、壓力梯度影響著附面層雷諾切應力的發展，而壓力梯度影響附面層形狀因子。Wallin[3]和Tiziano[4]等通過優化算法結合計算流體力學（CFD）方法計算探討了壓氣機過渡段的設計方法，優化設計的目標是為減小過渡段的總壓損失。文獻[3]和文獻[4]的研究結果都指出，流通面積先擴張后收縮的過渡段設計可以有效減小后半段逆壓梯度帶來的總壓損失，使總壓損失大幅減小。英國懷特實驗室的Naylor等[5]對壓氣機過渡段進行了非軸對稱端壁的優化，指出支板后部與輪轂交界位置存在雙重逆壓梯度疊加引起的回流現象，通過非軸對稱端壁可以達到減小甚至消除回流的目的。國內的闕曉斌等[6]開展了壓氣機過渡段的設計探索，提出了半程落差比的概念，并用于過渡段設計。

本文研究對象為某組合壓氣機中的過渡段和離心級，該組合壓氣機軸流末級靜子D因子很大，負荷很重，再減小軸流出口輪轂比已經不太現實，受制于整個壓氣機的長度，過渡段的軸向長度也不能過長。本文采用過渡段和離心一體化設計技術來設計此組合壓氣機的過渡段和離心級，對影響過渡段和離心級性能的三點因素進行了探討，并采用商用軟件CFX13.0評估了各個因素的影響。

1 設計思路

（1）評估過渡段采用靜止和旋轉兩種結構形式下離心級的特性;（2）權衡過渡段坡角與離心進口輪轂比的影響，選取最佳的坡角和輪轂比 ;（3）優化過渡段的流通面積分布，以減小過渡段的損失并改善離心進口的流場。

2 設計方法與結果分析

2.1 過渡段旋轉與否的影響

采用CFX13.0對離心壓氣機進行計算，計算域見圖1。網格劃分采用同樣的網格模板，以保證結果的可比性。

圖3給出了兩種情況下離心根部截面的馬赫數云圖。由于只是過渡段根部旋轉與否，因此其對離心進口流場的影響主要是體現在根部截面，中、上部截面流場幾乎沒有變化。從圖中可以看出，過渡段旋轉時，離心大小葉片進口低速區明顯增加，特別是進口葉盆部分，低速區尤其明顯，導致離心流量減小，效率降低。

2.2 過渡段坡角的影響

圖4給出了兩種不同坡角的過渡段流道圖，方案1對應大坡角小輪轂比的過渡段流道，方案2對應小坡角大輪轂比的過渡段流道。

為真實模擬組合壓氣機中過渡段進口來流條件，三維計算計算域帶上軸流末級靜子，且末級靜子的進口條件，包括進口總溫、總壓以及氣流方向的徑向分布與組合壓氣機中的末級靜子進口條件一致。出口條件為給定靜壓值，不斷調整出口的靜壓值直到過渡段出口流量與組合壓氣機設計點的流量值一致。

圖5給出了兩個方案下的過渡段子午馬赫數云圖，由圖可知，方案1相比方案2，由于方案1坡角更大，過渡段根部靠出口位置曲率變化較大，根部區域低速區明顯增大，過渡段損失更大。但方案1對應的離心進口輪轂相比方案2更小，離心輪轂比越小，離心力做功能力越強，氣動損失越小，對應的離心效率會更高。

表1為過渡段進出口截面總壓值，不同方案下的過渡段進出口的位置取子午方向的同樣位置。結果顯示，方案1，也就是大坡角情況下，過渡段總壓恢復系數相比方案2減小，說明過渡段損失較大。

2.3 過渡段流通面積分布的影響

圖6給出了兩個流通面積分布規律不同的過渡段的流道對比圖，方案1為流通面積分布為先減小再增大，方案2為先增大后減小。

圖7為過渡段子午絕對馬赫數分布，由圖可知，兩個方案下過渡段的子午絕對馬赫數分布有較大不同，方案2的支板區馬赫數明顯低于方案1，考慮到支板的損失與氣流速度有關，速度越高損失越大，反之，速度越小損失越小，所以過渡段前半段快速擴壓有助于減小支板區的總體流速，進而減小由于支板造成的損失，但是這一擴壓過程將造成端壁附面層的加厚，加重損失，所以存在最佳擴壓度使總體損失最小[7]。在支板出口離心進口處，方案2過渡段出口根部的低速區小于方案1， 這是由于方案2過渡段后半段面積收縮，氣流在此區間加速，氣流處于順逆壓梯度下，小的低速區意味著過渡段的損失減小，而且由于通道收縮，離心進口的流場會更加均勻，對離心的設計更有利。

圖8給出了兩個方案下過渡段在組合環境下的總壓恢復系數分布，結果顯示，方案2，也就是過渡段流通面積先增大后減小的情況下，過渡段的總壓恢復系數達到了0.998，在整個流量范圍內，方案2的過渡段總壓恢復系數均高出方案1約0.4個百分點。

3結束語

（1）過渡段根部采用靜子結構，相比旋轉結構，離心級的壓比、效率提升明顯。可見，過渡段的旋轉與否對離心級特性影響很大。

（2）在軸流出口一定的情況下，增大離心葉輪的進口輪轂比可以適當的減少過渡段的坡角，過渡段出口的低速區會減小，損失會降低，但離心葉輪的效率會有所降低;反之，如果減小離心葉輪的進口輪轂比，過渡段的坡角就會增大，過渡段的損失增加，出口根部低速區范圍增加。所以在組合壓氣機設計過程中，如何權衡過渡段的坡角和離心葉輪進口輪轂的關系至關重要。

（3）過渡段的流通面積分布對過渡段的損失影響較大，在過渡段帶支板的情況下，過渡段流通面積采用先擴張后收縮的分布形式時，過渡段的總壓恢復系數最高，氣動損失最小，同時離心進口的流場也會更加均勻，對離心的設計也更有利。

參考文獻：

[1]? Ortiz D C，Miller R J，Hodson H P，et al.Effect of length on compressor inter-stage duct performance.ASME Paper，GT-2007-27752，2007.

[2]? Bailey D W. The aerodynamic performance of an annular S-shape duct. Leicestershire， K：Department of Aero-nautical and Automotive Engineering and Transport Studies，Loughborough University，1997.

[3]? Wallin F，Eriksson L.Response surface-based transition duct shape optimization. ASME Paper，GT-2006-90978，2006.

[4]? Tiziano G，Massimiliano M，Geoffrey T P，et al.Axial compressor intermediate duct design and optimization. AIAA-2007-1868，2007.

[5]? Naylor E M J，Duenas C O，Miller R J，et al. Optimisation of non-axisymmetric endwalls in compressor S-shaped ducts. ASME Paper， GT-2008-50448，2008.

[6]? Que X B， Hou A P，Zhou S. S-shaped compressor transition duct design based on wall pressure gradient control. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2010，31（3）：459-465.（in Chinese）

[7] 高麗敏，馮旭棟等.關于壓氣機過渡段設計方法的探討.航空學報.2013.

作者簡介：

田奎（（1988-）男，漢族，湖北仙桃人，碩士，工程師，現就職于中國航發湖南動力機械研究所，研究方向：壓氣機氣動設計。