九級(jí)軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)性能數(shù)值與試驗(yàn)對(duì)比分析

王歡樂胡勝波王建李建華

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

1 背景

壓氣機(jī)的研發(fā)過程是計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)相互迭代和印證的過程。一方面，目前計(jì)算流體力學(xué)已經(jīng)與理論和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)成為平等的角色[1]，廣泛用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)，這對(duì)降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本起到了很大作用。另一方面，由于預(yù)測(cè)手段的局限性和壓氣機(jī)內(nèi)部逆壓流動(dòng)的復(fù)雜性，需要通過試驗(yàn)才能最終確定壓氣機(jī)性能。文獻(xiàn)[2]對(duì)西門子V84.3A燃機(jī)的15級(jí)軸流壓氣機(jī)的性能進(jìn)行了CFD和試驗(yàn)分析，無論是從流場(chǎng)的細(xì)節(jié)還是整體性能看，試驗(yàn)和CFD預(yù)測(cè)的結(jié)果都比較吻合。文獻(xiàn)[3]對(duì)阿爾斯通GT24燃機(jī)22級(jí)、壓比35∶1的軸流壓氣機(jī)的性能預(yù)測(cè)表明CFD能夠正確預(yù)測(cè)多級(jí)軸流壓氣機(jī)的流量和效率特性。本文的研究對(duì)象為自主研發(fā)的50 MW重型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件軸流壓氣機(jī)的后半段（后九級(jí)）。通過九級(jí)軸流壓氣機(jī)的試驗(yàn)與數(shù)值對(duì)比分析，對(duì)該壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能進(jìn)行了全轉(zhuǎn)速范圍的試驗(yàn)驗(yàn)證，并且建立起了一套能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多級(jí)軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)性的CFD方法。

2 CFD計(jì)算模型及初步結(jié)果

2.1 壓氣機(jī)幾何結(jié)構(gòu)

該九級(jí)軸流壓氣機(jī)分別由一排進(jìn)口固定導(dǎo)葉、9級(jí)動(dòng)葉和靜葉以及出口導(dǎo)葉組成。在第4級(jí)后設(shè)置有一個(gè)放氣口，用于調(diào)整前4級(jí)和后5級(jí)之間的匹配。試驗(yàn)件主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓氣機(jī)試驗(yàn)件

本文研究的壓氣機(jī)級(jí)數(shù)較多，使用周期邊界條件對(duì)每一排葉片的單個(gè)氣流通道進(jìn)行定常模擬。動(dòng)葉使用J型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，靜葉使用H/J/C/L拓?fù)洌~片周圍使用O型網(wǎng)格環(huán)繞，動(dòng)葉葉頂間隙按照設(shè)計(jì)值給定，約為葉高的1.5%，典型級(jí)的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 典型的網(wǎng)格劃分

2.2 流體模型及邊界條件

該9級(jí)壓氣機(jī)模化試驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速8 970 r/min，設(shè)計(jì)壓比2.8，最大總溫升約150 K，由于壓氣機(jī)內(nèi)部溫度變化不大，所以工作介質(zhì)使用標(biāo)準(zhǔn)理想空氣，沒有考慮比熱以及黏度隨溫度的變化。

軸流壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)速度較大，缸體換熱面積有限，換熱量一般較小，壁面可按絕熱壁面處理。但是也有研究認(rèn)為絕熱壁面處理會(huì)低估壓氣機(jī)的絕熱效率，后續(xù)可做進(jìn)一步研究。

2.2.1 邊界條件

進(jìn)口邊界條件為均勻總壓和總溫進(jìn)口，放氣出口為流量。

壓氣機(jī)出口邊界條件有靜壓出口和流量出口兩種設(shè)置方式。具體的出口邊界條件應(yīng)該根據(jù)壓氣機(jī)工作點(diǎn)的位置確定：當(dāng)壓氣機(jī)工作在堵塞工況附近時(shí)使用靜壓出口邊界，這種邊界條件的給定方式對(duì)計(jì)算的初始值比較敏感[4]，因此在給定初值時(shí)需特別謹(jǐn)慎，如果初場(chǎng)不合適，壓氣機(jī)的工作點(diǎn)可能越過失速邊界，同時(shí)由于失速后到正常工作點(diǎn)的“滯后現(xiàn)象”，可能得不到正常工作點(diǎn)的流場(chǎng)解[5]；在靠近失速邊界時(shí)由于壓氣機(jī)的壓比特性曲線比較平坦，流量邊界條件更加穩(wěn)定[6]。

2.2.2 湍流模型

湍流的模擬對(duì)葉片表面氣流分離的計(jì)算結(jié)果影響較大。目前較為常用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)兩方程模型k-ε和基于k-ω模型的SST模型。k-ε模型在存在逆壓梯度條件下氣流分離的預(yù)測(cè)過晚，預(yù)測(cè)的喘振壓比比實(shí)際值高，結(jié)果過于樂觀；SST模型克服了k-ε的上述缺點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣流分離的出現(xiàn)，但是在氣流分離出現(xiàn)后會(huì)高估分離泡的增長，因此SST預(yù)測(cè)的結(jié)果是悲觀的；SST+RM（reattachment）模型解決了上述問題，能夠更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分離的增長和衰減[6]。

2.2.3 動(dòng)靜葉交接面

葉輪機(jī)械流場(chǎng)定常模擬目前用的最為廣泛的動(dòng)靜交界面處理方式是混合平面法，已經(jīng)成功進(jìn)行了一些高性能葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)。該方法在交界面處對(duì)控制方程的各個(gè)通量進(jìn)行周向平均，產(chǎn)生一次性的混合損失，等同于假設(shè)氣流在進(jìn)入下游葉片排時(shí)速度分布已經(jīng)混合均勻而產(chǎn)生的損失，該模型適用于流場(chǎng)的周向變化相對(duì)于葉片排節(jié)距不大的情況。

2.3 CFD初步結(jié)果

由于葉片表面和端壁的流場(chǎng)參數(shù)變化梯度較大， SST湍流模型屬于低雷諾數(shù)湍流模型，壁面附近的網(wǎng)格越密，對(duì)邊界層的求解也就越準(zhǔn)確，但過密的網(wǎng)格意味著計(jì)算量大大增加，不便于工程應(yīng)用。在得到計(jì)算結(jié)果后可以查看各處壁面上Y+的數(shù)值判斷壁面處網(wǎng)格是否合適。對(duì)于低雷諾數(shù)湍流模型，有文獻(xiàn)推薦Y+在1～10取值，文獻(xiàn)[4]對(duì)平板T3A的測(cè)試表明在Y+小于等于8時(shí)獲得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。圖3為壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)工況各個(gè)葉片表面和內(nèi)外端壁上的Y+的數(shù)值，可以看出，除進(jìn)口固定導(dǎo)葉Y+數(shù)值略大外，其余壁面處的值均小于10，基本符合上述文獻(xiàn)得出的結(jié)論，即壁面處的網(wǎng)格是合適的。圖4為50%葉高處的總壓分布，可以看出總壓從進(jìn)口到出口逐步升高，直至設(shè)計(jì)值。

圖3 壁面上的Y+分布云圖

圖4 50%葉高處總壓分布

為獲得完整的壓氣機(jī)特性，使用上述CFD模型對(duì)該9級(jí)壓氣機(jī)在30%，50%，70%，80%，90%，100%，110%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，每個(gè)轉(zhuǎn)速線上分布6～9個(gè)工況點(diǎn)，總共進(jìn)行了49個(gè)工況點(diǎn)計(jì)算，設(shè)計(jì)壓比2.8的工況，多變效率為88%。

3 壓氣機(jī)試驗(yàn)及結(jié)果分析

公司建設(shè)了拖動(dòng)功率為25 MW，最高轉(zhuǎn)速12 000 r/min的壓氣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，該9級(jí)軸流壓氣機(jī)在該平臺(tái)上開展了30%～110%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的氣動(dòng)性能試驗(yàn)，獲得了完整的壓氣機(jī)特性曲線。圖5顯示的是壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)工況葉片排間的靜壓從進(jìn)口到出口的變化情況，橫坐標(biāo)“0”代表進(jìn)口固定導(dǎo)葉進(jìn)口，“1”代表第1級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口，依次類推，“20”代表壓氣機(jī)出口截面。縱坐標(biāo)為實(shí)際靜壓和進(jìn)口總壓的比值。從圖5中可以看出，CFD預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值吻合的非常好，表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下CFD對(duì)各級(jí)的氣動(dòng)負(fù)荷的預(yù)測(cè)是比較準(zhǔn)確的。

圖5 葉片排間靜壓沿軸向變化

試驗(yàn)件第4級(jí)靜葉前緣安裝了4點(diǎn)總溫和總壓受感部，圖6為設(shè)計(jì)壓比工況測(cè)量得到的第4級(jí)靜葉前緣的總壓、總溫沿徑向的分布和CFD預(yù)測(cè)值的對(duì)比。橫坐標(biāo)分別為使用進(jìn)口參數(shù)進(jìn)行了無量綱化總壓和總溫。從圖中可以看出，CFD計(jì)算和試驗(yàn)得到的總溫和總壓沿徑向的變化趨勢(shì)和數(shù)值都比較一致，圖中的少量差別主要是由于葉高尺寸較小，沿徑向能夠布置的葉型受感部數(shù)量有限，難以對(duì)參數(shù)的徑向變化進(jìn)行更加細(xì)致的測(cè)量。類似的，圖7為壓氣機(jī)出口總溫和總壓沿徑向的分布，試驗(yàn)中壓氣機(jī)出口使用6支4點(diǎn)總溫、總壓復(fù)合探針進(jìn)行測(cè)量。總體上看，CFD預(yù)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果非常接近。圖7（a）中6支探針靠近內(nèi)外壁處測(cè)量的總壓分散度較大，可能是由于該處的壓力梯度非常大，壓力探針探頭徑向位置的微小差別（探針加工誤差所致）就能引起較大的總壓變化。圖7（b）中試驗(yàn)測(cè)量的總溫分布要比CFD預(yù)測(cè)平坦（均勻）一些，表明CFD可能低估了氣流的徑向摻混。

圖6 設(shè)計(jì)點(diǎn)第4級(jí)靜葉前緣總壓總溫徑向分布

圖7 設(shè)計(jì)點(diǎn)壓氣機(jī)出口總壓總溫徑向分布

圖8為壓氣機(jī)“壓比-流量”和“多變效率-流量”總體性能的試驗(yàn)和CFD預(yù)測(cè)圖譜，可以看出，CFD的預(yù)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均吻合較好，設(shè)計(jì)點(diǎn)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。從壓比特性看，在高轉(zhuǎn)速特性線上靠近喘振點(diǎn)區(qū)域的壓比略低于CFD的預(yù)測(cè)值，但由于實(shí)測(cè)喘振點(diǎn)的流量也低于預(yù)測(cè)值，高轉(zhuǎn)速區(qū)域試驗(yàn)喘振邊界與CFD預(yù)測(cè)的喘振邊界幾乎一致，在低轉(zhuǎn)速區(qū)域試驗(yàn)喘振邊界略好于CFD的預(yù)測(cè)值，整體的喘振邊界達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖8 壓氣機(jī)壓比-流量特性和壓氣機(jī)效率-流量特性

從效率特性曲線看，在高轉(zhuǎn)速區(qū)域試驗(yàn)和CFD預(yù)測(cè)一致性較好，低轉(zhuǎn)速區(qū)域試驗(yàn)值高于CFD預(yù)測(cè)值，可能是由于低轉(zhuǎn)速工況的溫升較小，此時(shí)溫度微小的測(cè)量誤差就會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生較大的影響。例如，在50%轉(zhuǎn)速最高效率工況點(diǎn)，出口溫度測(cè)量值偏差0.5 K，將導(dǎo)致等熵效率約1.4%的變化，該效率誤差可以通過使用恰當(dāng)量程的扭矩儀測(cè)量壓氣機(jī)的實(shí)際耗功消除，代替目前使用溫升計(jì)算耗功的方法。

對(duì)于高轉(zhuǎn)速靠近喘振邊界區(qū)域的實(shí)際壓比低于CFD預(yù)測(cè)的現(xiàn)象，進(jìn)一步分析喘振點(diǎn)第4級(jí)靜葉前緣總溫和總壓（見圖9）發(fā)現(xiàn)，CFD和試驗(yàn)結(jié)果的總溫分布比較一致，但試驗(yàn)的總壓值低于CFD的預(yù)測(cè)，說明動(dòng)葉做功能力是足夠的，壓氣機(jī)前4級(jí)的真實(shí)效率比CFD預(yù)測(cè)要低。圖10是喘振點(diǎn)壓氣機(jī)各個(gè)葉片排前、后壁面靜壓的比值，可以看出動(dòng)葉的預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值相符，但靜葉的試驗(yàn)值低于預(yù)測(cè)值，說明靜葉可能提前發(fā)生氣流分離，導(dǎo)致實(shí)際損失大于CFD的預(yù)測(cè)值。CFD模型中沒有包含靜葉根部氣封可能是上述推論的原因。公司另外一臺(tái)更高參數(shù)的壓氣機(jī)全轉(zhuǎn)速試驗(yàn)范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象，因此該問題的原因還需要進(jìn)一步的研究確定。

圖9 喘振點(diǎn)第4級(jí)靜葉前緣總壓和總溫徑向分布

圖10 喘振點(diǎn)葉片排前、后壁面靜壓比

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)和CFD研究了某重燃?jí)簹鈾C(jī)高壓9級(jí)軸流壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能，得出以下結(jié)論：

（1）從總體性能上看，壓氣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果和CFD預(yù)測(cè)吻合較好，該壓氣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文介紹的一套CFD模擬方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多級(jí)軸流壓氣機(jī)的總體特性。

（2）從級(jí)間參數(shù)和出口參數(shù)的徑向分布看，試驗(yàn)和CFD計(jì)算的結(jié)果基本一致，CFD可能低估了氣流的徑向摻混。

（3）高轉(zhuǎn)速靠近喘振區(qū)域試驗(yàn)壓比低于預(yù)測(cè)值，可能是CFD模型中沒有考慮靜葉氣封導(dǎo)致的。需要進(jìn)一步研究查找原因，比如細(xì)化CFD計(jì)算幾何模型（靜葉氣封，葉根圓角等）、流體模型（比如變比熱、黏度，考慮空氣濕度等），改變壁面換熱邊界條件，在靠近喘振區(qū)域使用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算等。