模化設計在組合壓氣機中的數值模擬研究

韋威

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

在現代中小型航空發動機中，組合壓氣機的應用越來越廣泛，其循環參數也越來越高，這使得高壓比、高效率、高負荷成為未來組合壓氣機的發展趨勢。但組合壓氣機因其內部流動復雜，部分流動機理尚未得到充分認識，全新設計組合壓氣機周期長、風險大。模化設計是根據相似理論設計研究對象的模型，然后根據模型試驗結果研究并預測研究對象的性能等有關參數，從而將現有的非常成功的壓氣機應用到新的壓氣機中[1-2]。經過多年發展，模化設計已經在部分壓縮系統中得到了成功應用。國內外的學者對模化設計也進行了大量的理論及試驗研究[3-4]，但在高負荷、高壓比的在組合壓氣機中的應用研究較少。本文以某由模化設計而來的組合壓氣機及其母型為研究對象，采用數值模擬的方法對其進行了三維數值仿真,結果顯示該模化設計方法用于組合壓氣機的設計是可行的。

1.模化設計

壓氣機模化設計一般需要選取母型壓氣機特性線上的某一個特性點的相關參數（流量、壓比、轉速）作為模化設計輸入條件，然后根據模化壓氣機的流量指標確定模化比k，通過流量公式可推導其計算公式如下：

式中M、T＊、P＊分別為母型壓氣機進口物理流量、總溫、總壓。M'、T'＊、P'＊分別為模化壓氣機進口物理流量、總溫、總壓。

根據相似理論，已知母型壓氣機轉速N，則可以通過下式確定模化壓氣機轉速N'：

根據上述模化設計公式，本文中的模化壓氣機按模化比k=1.30進行模化設計。并且在初步模化的基礎上對局部進行了修型。

2.數值模擬

2.1 數值方法及計算模型

采用商用軟件CFX17.2對模化壓氣機以及母型壓氣機進行了三維數值模擬，模化壓氣機及母型壓氣機均采用相同的求解計算設置，如圖1所示。

圖1 數值計算模型圖示

2.2 數值模擬特性對比

為方便比較分析，后文中母型壓氣機的流量均按模化比k進行了變換，得到變換后的流量參與比較與分析。圖2給出了母型壓氣機及模化壓氣機的數值模擬特性。從圖中可以看出，模化壓氣機的最高壓比及峰值效率均明顯高于母型壓氣機，但母型壓氣機的流量裕度更大。

圖2 壓氣機特性

選取設計壓比點的參數進行對比，表1為對比結果，結果顯示模化壓氣機的流量比母型大0.2%，二者差異非常小；效率較母型增加0.4%；喘振裕度增加0.5%。

表1 設計壓比點參數數值模擬結果對比

經過模化設計后，組合壓氣機設計壓比點的流量滿足要求，效率及喘振裕度均有較明顯的提高。這是因為數值模擬時模化壓氣機及母型壓氣機均給定了相同的葉尖間隙，在模化比k>1的情況下，模化后壓氣機的葉尖相對間隙減小，這有利于提高組合壓氣機的效率及喘振裕度。

2.3 流場及參數對比

圖3、圖4給出了母型壓氣機及模化壓氣機部分葉片排的歸一化進口Ma沿葉高的分布。對比可以看出，第1級轉子、第1級靜子以及離心葉輪進口的Ma沿葉高的分布基本相同，但徑向擴壓器進口的Ma分布二者存在一定差異，在10%～65%葉高區域，模化壓氣機的Ma較母型小，在65%～100%葉高區域，模化壓氣機的Ma較母型大。這說明局部突破幾何限制的模化設計方法會對下游徑向擴壓器的氣動參數分布造成較明顯影響。

圖3 第1級轉子、靜子進口Ma分布對比

圖4 離心葉輪、徑向擴壓器進口Ma分布對比

3.結論

通過對某模化設計的組合壓氣機及其母型的數值模擬研究，結果表明：

（1）模化壓氣機與母型壓氣機在流場上相似，但徑向擴壓器進口的Ma分布存在一定差異。這說明局部突破幾何限制的模化設計方法會對下游流場及氣動參數分布造成影響。

（2）模化壓氣機設計壓比點的流量滿足要求，效率及喘振裕度均有較明顯的提高。該模化設計方法用于組合壓氣機的設計是可行的。