蔡留成，王 俊，劉蕊蕊

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

隨著軍用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件的要求越來(lái)越高，級(jí)負(fù)荷逐漸提高，風(fēng)扇/壓氣機(jī)內(nèi)部氣流三維流動(dòng)效應(yīng)明顯。目前，大部分研究機(jī)構(gòu)采用三維軟件進(jìn)行流場(chǎng)分析。三維軟件能較全面地反映風(fēng)扇/壓氣機(jī)的流場(chǎng)特征，但受目前計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的限制，加之風(fēng)扇/壓氣機(jī)級(jí)數(shù)多，若再考慮結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，網(wǎng)格數(shù)量將非常龐大，設(shè)計(jì)效率較低。為解決該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)通過(guò)提升計(jì)算機(jī)軟硬件水平來(lái)提高計(jì)算能力，但目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力已近極致，提升空間非常有限。若將多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)分解為多個(gè)單級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)，網(wǎng)格數(shù)量將大幅降低，而且還可進(jìn)行多人多平臺(tái)設(shè)計(jì)，從而節(jié)省大量時(shí)間，但涉及級(jí)間匹配問(wèn)題[1]。工程上較多使用級(jí)疊加法進(jìn)行壓氣機(jī)級(jí)間匹配，其理論依據(jù)是假定在下游疊加上去的葉片排不影響上游原有流場(chǎng)[2]。對(duì)級(jí)疊加法國(guó)內(nèi)外已有較多研究，從上世紀(jì)五六十年代至今，國(guó)外 Robbins[3]、Klapprot[4]、Soltani[5]等及國(guó)內(nèi)曲愛(ài)民[6]等對(duì)級(jí)疊加法進(jìn)行了研究。

本文以疊加理論為基礎(chǔ)，對(duì)某三級(jí)風(fēng)扇進(jìn)行適當(dāng)拆分，然后分別進(jìn)行全三維計(jì)算。對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果與聯(lián)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用該方法計(jì)算的各級(jí)氣動(dòng)流場(chǎng)與三級(jí)聯(lián)算流場(chǎng)基本一致。為驗(yàn)證該計(jì)算方法的有效性，選取一型高壓壓氣機(jī)的第三、四級(jí)進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。

2 計(jì)算方法

本文計(jì)算采用NUMECA軟件，紊流模型采用SST模型，計(jì)算格式選用中心差分格式，對(duì)三級(jí)風(fēng)扇第一級(jí)(包括IGV)、前兩級(jí)(包括IGV)及后兩級(jí)進(jìn)行三維計(jì)算。計(jì)算時(shí)所有葉排均采用AUTOGRID5的默認(rèn)網(wǎng)格，機(jī)匣與轉(zhuǎn)子葉片的間隙全部取0.2 mm，網(wǎng)格細(xì)節(jié)見(jiàn)圖1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 風(fēng)扇計(jì)算結(jié)果分析

以設(shè)計(jì)點(diǎn)(100%相對(duì)換算轉(zhuǎn)速)為計(jì)算工況，對(duì)風(fēng)扇設(shè)計(jì)點(diǎn)下第一級(jí)、前兩級(jí)、后兩級(jí)及整個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行了NUMECA全三維數(shù)值計(jì)算，計(jì)算所采用的邊界條件均來(lái)自風(fēng)扇設(shè)計(jì)工況下結(jié)果。計(jì)算完后作如下選取：取單算的第一級(jí)計(jì)算結(jié)果為第一級(jí)參數(shù)，取前兩級(jí)聯(lián)算的后面級(jí)計(jì)算結(jié)果為第二級(jí)參數(shù)，取后兩級(jí)聯(lián)算的后面級(jí)計(jì)算結(jié)果為第三級(jí)參數(shù)。采用該方式計(jì)算得到的性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，第一級(jí)單算、前兩級(jí)聯(lián)算的流量與三級(jí)聯(lián)算的流量基本一致，后兩級(jí)聯(lián)算時(shí)的流量略微偏大。這說(shuō)明在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，整個(gè)風(fēng)扇流量主要是受到第一級(jí)的控制，風(fēng)扇后面級(jí)流量逐級(jí)增大，符合風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)律。從各級(jí)壓比和效率對(duì)比也可看出，采用這種方式得到的各級(jí)壓比和效率，與三級(jí)聯(lián)算的各級(jí)壓比和效率基本相同。

圖1 網(wǎng)格細(xì)節(jié)示意圖Fig.1 Detailed grid map

表1 各計(jì)算方式的三維計(jì)算結(jié)果Table 1 The results of the all computed modes

以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的計(jì)算結(jié)果為例，對(duì)采用本文計(jì)算方式下的各級(jí)流場(chǎng)參數(shù)與整個(gè)風(fēng)扇部件聯(lián)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖2～圖4分別為5%、50%和95%葉高擬S1流面馬赫數(shù)等值線圖。

圖2 5%徑向位置葉片槽道馬赫數(shù)等值線圖Fig.2 Relative Mach number isolines at 5%span of blade

圖3 50%徑向位置葉片槽道馬赫數(shù)等值線圖Fig.3 Relative Mach number isolines at 50%span of blade

圖4 95%徑向位置葉片槽道馬赫數(shù)等值線圖Fig.4 Relative Mach number isolines at 95%span of blade

從圖2中可看出，采用該方式計(jì)算的各級(jí)流場(chǎng)分布和三級(jí)聯(lián)算各級(jí)根部流場(chǎng)分布基本一致：在轉(zhuǎn)子葉片排的根部截面，由于葉型較厚，氣流在葉背加速較明顯，但由于根部進(jìn)口馬赫數(shù)較低，葉片排前緣加速并未在槽道內(nèi)形成強(qiáng)激波，轉(zhuǎn)子的根部加功平穩(wěn)，最高馬赫數(shù)點(diǎn)基本上都出現(xiàn)在喉道位置。第一級(jí)靜子入口附近產(chǎn)生超音泡，局部區(qū)域氣流出現(xiàn)超聲現(xiàn)象；在二、三級(jí)靜子葉片排的根部截面，氣流經(jīng)前緣加速后很快達(dá)到最高速度點(diǎn)，由于葉柵通道中的擴(kuò)壓段較長(zhǎng)，逆壓梯度小，氣流在靜子葉柵通道中平緩減速增壓。

從圖3中可看出，葉片中部各級(jí)流場(chǎng)分布和三級(jí)聯(lián)算的中部流場(chǎng)分布基本相同：第一級(jí)轉(zhuǎn)子中部截面，氣流經(jīng)加速在葉片槽道的進(jìn)口處產(chǎn)生一道斜激波，在葉片槽道中下游產(chǎn)生一道正激波。

從圖4中可看出，葉片尖部各級(jí)流場(chǎng)分布和三級(jí)聯(lián)算的尖部流場(chǎng)分布差別很?。恨D(zhuǎn)子的尖部截面，葉型彎角較小，氣流在吸力面上加速很小，但由于進(jìn)口馬赫數(shù)很高，氣流在轉(zhuǎn)子葉片槽道進(jìn)口處產(chǎn)生了一道斜激波，在葉片槽道中下游產(chǎn)生一道正激波。靜子葉片排的尖部截面，氣流經(jīng)過(guò)前緣加速后很快達(dá)到最高速度點(diǎn)，這是由于葉柵通道中的擴(kuò)壓段較長(zhǎng)，逆壓梯度小，從整體上看，氣流均勻減速增壓；轉(zhuǎn)子葉片尖部的間隙流、二次流對(duì)后面排靜子葉片的影響不明顯。

圖5為各單級(jí)對(duì)應(yīng)位置的葉片表面靜壓分布與整個(gè)風(fēng)扇部件聯(lián)算時(shí)的對(duì)比圖。從圖中看：采用該方式得到的各單級(jí)表面靜壓分布與所有級(jí)聯(lián)算對(duì)應(yīng)級(jí)的表面壓力分布基本重合，用此來(lái)評(píng)估各級(jí)性能參數(shù)，結(jié)果能較真實(shí)地反映其在整個(gè)部件中的氣動(dòng)性能。從整個(gè)計(jì)算耗時(shí)來(lái)看，該方式計(jì)算的單級(jí)耗時(shí)相當(dāng)于三級(jí)聯(lián)算的三分之一，若部件級(jí)數(shù)更多，其優(yōu)勢(shì)將會(huì)更大。另外，在進(jìn)行風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件設(shè)計(jì)時(shí)，該方式可多人多平臺(tái)同時(shí)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

3.2 壓氣機(jī)計(jì)算結(jié)果分析

取某七級(jí)壓氣機(jī)的第三級(jí)和第四級(jí)進(jìn)行聯(lián)算，并將第四級(jí)的結(jié)果與整機(jī)三維計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖6示出了葉片根部、中部和尖部靜壓分布對(duì)比情況，可見(jiàn)，三、四級(jí)聯(lián)算得到的第四級(jí)壓氣機(jī)葉片徑向各截面的靜壓分布，與整機(jī)三維計(jì)算得到的結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

(1)采用第一級(jí)、前兩級(jí)、后兩級(jí)聯(lián)算得到的各單級(jí)性能參數(shù)和流場(chǎng)細(xì)節(jié)，與風(fēng)扇整個(gè)部件聯(lián)算結(jié)果吻合度較高，可用此方法設(shè)計(jì)各級(jí)性能。

(2)對(duì)壓氣機(jī)中的兩級(jí)進(jìn)行聯(lián)算得到的后一級(jí)流場(chǎng)分布，與壓氣機(jī)整機(jī)聯(lián)算的結(jié)果基本一致。

圖5 不同徑向位置葉片表面的壓力分布Fig.5 Blade static pressure distribution at different spans

圖6 不同截面葉片表面的壓力分布Fig.6 The comparison of surface static pressure distribution at different sections

(3) 在進(jìn)行多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)方案設(shè)計(jì)時(shí)，可采用兩級(jí)聯(lián)算的方法對(duì)后一級(jí)性能進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)設(shè)計(jì)。采用此方法能提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，且風(fēng)扇/壓氣機(jī)級(jí)數(shù)越多，其優(yōu)勢(shì)越大。

[1]朱方元.航空軸流葉片機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)[M].北京：航空專業(yè)教材編審組，1984.

[2]北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院流體機(jī)械系.葉輪機(jī)原理講義[M].北京：北京航空航天大學(xué)，2008.

[3]Robbins W H，Dugan J F.Prediction of Off-Design Perfor?mance of Multi-Stage Compressors[R].NASA SP-36，1965.

[4]Klapproth J F，Miller M L，Parker D E.Aerodynamic De?velopment and Performance of the CF6-6/LM2500 Com?pressor[R].AIAA 1979-7030，1979.

[5]Soltani M R，Ghofrani M B，Khaledi H，et al.Optimum De?sign and Sensitivity Analysis of Axial Flow Compressor with Combination of Analytical Method,Qualitative and Quantitative Rules and Genetic Algorithm[R].ASME GT2008-51033，2008.

[6]曲愛(ài)民.某型多級(jí)壓氣機(jī)三維流場(chǎng)分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48(2)：98—100.