張曉陽(yáng)，陳鏇宇，李良才，任煥

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005

2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

3大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧大連116005

0 引 言

作為燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件之一，壓氣機(jī)直接決定了燃?xì)廨啓C(jī)的性能優(yōu)劣，對(duì)其設(shè)計(jì)起著舉足輕重的作用。隨著燃?xì)廨啓C(jī)功率密度的不斷提高，對(duì)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)性能要求也越來(lái)越高，且主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：高壓比、高絕熱效率和高喘振裕度。從不同時(shí)期發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)總壓比的發(fā)展趨勢(shì)及其葉型的變化情況來(lái)看，實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)更高的轉(zhuǎn)子尖切線速度和平均級(jí)壓比是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。

斜流壓氣機(jī)是介于軸流壓氣機(jī)和離心壓氣機(jī)的一種壓氣機(jī)形式，兼具離心壓氣機(jī)高壓比和軸流壓氣機(jī)迎風(fēng)面積小、流通能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。斜流壓氣機(jī)進(jìn)口曲率半徑大，在相同設(shè)計(jì)條件下，相比于離心壓氣機(jī)，其具有流動(dòng)損失小、流量系數(shù)大、效率高、工作范圍寬等特點(diǎn)，因此適用于高通流條件下壓氣機(jī)整體尺寸受限的情況。

早在上世紀(jì)50年代，國(guó)外就開(kāi)展了斜流壓氣機(jī)的研制工作［1］，但限于計(jì)算和試驗(yàn)條件，斜流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)性能并不理想。隨著CFD技術(shù)的日趨成熟，它為斜流壓氣機(jī)的快速發(fā)展提供了先進(jìn)的技術(shù)手段，斜流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)也迎來(lái)了快速發(fā)展的時(shí)期。Musgrave和Plehn［2］提出了一種單級(jí)總壓比為3.02的斜流壓氣機(jī)，其轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)絕熱效率為91%，超過(guò)了當(dāng)時(shí)所有斜流壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子效率。M?nig等［3-4］提出了總壓比為5的斜流葉輪設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但該斜流壓氣機(jī)的工作線較陡，擴(kuò)壓器進(jìn)口馬赫數(shù)過(guò)高，壓氣機(jī)性能下降劇烈。Cevik和Uzol［5］在一臺(tái)離心葉輪的基礎(chǔ)上對(duì)其中的斜流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明斜流葉輪在性能上有著更好的表現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)在斜流壓氣機(jī)方面研究工作開(kāi)展得較晚。劉寶杰和高星［6-8］以2臺(tái)高負(fù)荷、高比轉(zhuǎn)速離心葉輪和斜流葉輪為例，分析了2種葉輪的總體性能以及內(nèi)部流動(dòng)的差異。研究結(jié)果表明：相比于離心葉輪，斜流葉輪葉尖更低的泄漏及其摻混損失是斜流轉(zhuǎn)子具有更高效率的主要原因；此外，斜流葉輪能夠得到比較均勻的出口流場(chǎng)，尤其是在近失速條件下的流場(chǎng)比較均勻。

組合式多級(jí)壓氣機(jī)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)用并不鮮見(jiàn)。例如，我國(guó)WP-11發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)就是由1級(jí)軸流壓氣機(jī)和1級(jí)離心壓氣機(jī)組成，在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)中也有很多采用了軸流+離心的組合式壓氣機(jī)設(shè)計(jì)，國(guó)產(chǎn)WZ-6和WZ-8發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮系統(tǒng)即為采用1級(jí)軸流+1級(jí)離心構(gòu)成的組合式壓氣機(jī)設(shè)計(jì)。國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，美國(guó)T700發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是5級(jí)軸流+1級(jí)離心構(gòu)成的組合式壓氣機(jī)；英、法聯(lián)合研制的RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮系統(tǒng)采用的則是3級(jí)軸流+1級(jí)離心的組合壓氣機(jī)形式［9］。

隨著對(duì)設(shè)計(jì)流量的要求不斷增加，通過(guò)離心壓氣機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)未來(lái)壓氣機(jī)的難度也越來(lái)越大。鑒于斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)可同時(shí)滿足壓氣機(jī)高流量、高效率、高負(fù)荷的性能要求，研制替代常規(guī)的軸流+離心組合式壓氣機(jī)的新型壓氣機(jī)正逐漸成為下一代發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的新課題［10］。因此，有必要對(duì)斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)行更深入的研究。

本文將對(duì)某斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的研究，并對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以探究斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)的氣流流動(dòng)特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，為燃?xì)廨啓C(jī)的組合式多級(jí)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1 設(shè)計(jì)方法

本文利用一套通用于軸流、離心和斜流壓氣機(jī)的S2流面通流計(jì)算及任意中弧葉片造型程序，根據(jù)流線曲率法確定不同徑向截面處基元葉型的進(jìn)、出口氣流速度、角度等參數(shù)，以得到各基元級(jí)進(jìn)、出口處和內(nèi)部的速度三角形。首先，結(jié)合在進(jìn)口氣流攻角、基元流向的內(nèi)部脫軌角和尾緣處的氣流落后角分布方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定基元中弧線。然后，選取一種基本葉型，調(diào)整葉型的參數(shù)直到參數(shù)滿足要求的氣動(dòng)條件。最后，按照規(guī)定的積疊軸形狀將各基元流面葉型沿展向積疊，從而得到三維葉片坐標(biāo)。

本文將根據(jù)上述造型方法完成多個(gè)高負(fù)荷壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。運(yùn)用子午通流設(shè)計(jì)、全三維粘性CFD數(shù)值模擬分析等手段，對(duì)壓氣機(jī)性能及流場(chǎng)進(jìn)行仿真研究和綜合分析。根據(jù)通流設(shè)計(jì)計(jì)算和葉片設(shè)計(jì)造型的結(jié)果，結(jié)合NUMECA商用數(shù)值模擬軟件對(duì)該壓氣機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬。

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文嘗試對(duì)所研究的某斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)。該壓氣機(jī)的第1級(jí)為斜流，第2級(jí)為軸流。表1給出了該組合式多級(jí)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

因斜流級(jí)的進(jìn)口轉(zhuǎn)子直徑較小且葉尖切線速度較低，故切線速度可使斜流壓氣級(jí)的攻角適應(yīng)范圍較寬。基于斜流轉(zhuǎn)子有較寬的攻角適應(yīng)范圍及其離心力做功能力的優(yōu)點(diǎn)，斜流級(jí)可在多級(jí)壓氣機(jī)的功分布上分配更多的加功量。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)單級(jí)斜流壓氣機(jī)的研究情況，性能穩(wěn)定且成熟的單級(jí)斜流壓氣機(jī)壓比在3這個(gè)量級(jí)上?？紤]到組合式多級(jí)壓氣機(jī)中斜流級(jí)與軸流級(jí)流場(chǎng)的匹配性，針對(duì)總壓比為4.2的雙級(jí)壓氣機(jī)，本文將斜流級(jí)壓比設(shè)置在2.9左右，然后根據(jù)通流計(jì)算結(jié)果多次調(diào)整斜流級(jí)的加功量，將斜流級(jí)設(shè)計(jì)壓比和軸流級(jí)設(shè)計(jì)壓比分別優(yōu)化為2.88和1.46。

表1 組合式多級(jí)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of mixed multi-stage compressor

2 子午流道型線與葉片造型

2.1 葉輪流道型線與環(huán)量分布

葉輪流道形狀對(duì)壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能具有十分重要的作用。在離心葉輪中，機(jī)匣型線由軸向折轉(zhuǎn)到徑向的曲率半徑較小，氣流在流動(dòng)過(guò)程中易發(fā)生邊界層分離，導(dǎo)致葉輪效率降低。而斜流壓氣機(jī)機(jī)匣型線由軸向折轉(zhuǎn)到斜向的曲率半徑相對(duì)較大，可減少此處邊界層的分離情況。結(jié)合對(duì)二維設(shè)計(jì)及三維數(shù)值模擬結(jié)果的分析，確定了所研究的某斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)葉輪的流道形式，如圖1所示。圖中：R1為斜流級(jí)轉(zhuǎn)子，S1為斜流級(jí)靜子；R2為軸流級(jí)轉(zhuǎn)子，S2為軸流級(jí)靜子。為增加斜流葉輪尾緣稠度，在其流道后部布置了分流葉片，以改善斜流轉(zhuǎn)子尾部的流動(dòng)情況。

對(duì)于流向和展向環(huán)量分布，由于其可直接影響氣流角和葉片造型的結(jié)果，故在設(shè)計(jì)時(shí)首先要保證環(huán)量分布曲線足夠光順，同時(shí)考慮在設(shè)計(jì)結(jié)果中靜壓的分布特征。圖2和圖3所示為該組合式多級(jí)壓氣機(jī)中各排葉片在不同展高位置的環(huán)量沿流向分布的方式。由圖可以看出，對(duì)斜流轉(zhuǎn)子根部采用后部大的加功量，而對(duì)尖部則采用前部環(huán)量差比較大的分布方式。之所以采用這種環(huán)量分布方式，是由于葉輪從根到尖，隨著進(jìn)口半徑的增加，切線速度增大，葉尖進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)偏高，增壓能力強(qiáng)。載荷集中在前部一方面實(shí)現(xiàn)了高增壓能力，另一方面，后部負(fù)荷較低也可有效控制該區(qū)域的分離。而斜流葉輪根部進(jìn)口馬赫數(shù)偏低，若進(jìn)口處環(huán)量差過(guò)大，將導(dǎo)致葉片出現(xiàn)過(guò)彎并容易導(dǎo)致氣流分離，從而影響斜流葉輪的性能。同時(shí)，斜流葉輪的出口半徑較大，所以可以在葉輪后部適當(dāng)增加負(fù)荷，以提高葉輪根部的增壓能力。

2.2 葉片造型

本文采用了任意中弧線葉片造型程序，對(duì)該斜流+軸流組合式壓氣機(jī)各級(jí)葉輪葉片進(jìn)行造型。在造型過(guò)程中，需給定一些葉型的基本參數(shù)，如攻角、落后角、前后小緣半徑、最大厚度、最大厚度相對(duì)位置等。葉型厚度分布規(guī)律均采用三次多項(xiàng)式厚度分布。圖4所示為該斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)各級(jí)葉片的造型結(jié)果。為提高斜流級(jí)轉(zhuǎn)子近出口處的稠度，防止氣流在斜流級(jí)出口處發(fā)生大面積的分離，針對(duì)斜流級(jí)轉(zhuǎn)子采用了分流葉片結(jié)構(gòu)。其中，分流葉片弦向位置從40%弦長(zhǎng)處開(kāi)始直到尾緣，周向位置為50%柵距處。

為降低斜流靜子根部進(jìn)口的馬赫數(shù)，一方面通過(guò)調(diào)整斜流轉(zhuǎn)子輪轂機(jī)匣型線來(lái)降低出口馬赫數(shù)，另一方面通過(guò)調(diào)整斜流轉(zhuǎn)子的落后角，給定較負(fù)的落后角來(lái)降低出口的絕對(duì)速度。

3 組合式多級(jí)壓氣機(jī)流場(chǎng)數(shù)值分析

在完成該斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)和葉片造型后，結(jié)合三維數(shù)值模擬方法對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了研究。該多級(jí)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子葉尖間隙為0.2 mm，固壁面第1層網(wǎng)格單元Y+≤10。數(shù)值模擬采用（Spalart-Allmaras）S-A湍流模型，其邊界條件設(shè)置如下：給定進(jìn)口總溫、總壓；給定各轉(zhuǎn)子交界面的靜壓和出口平均背壓；壁面采用無(wú)滑移絕熱條件。

圖5所示為該組合式多級(jí)壓氣機(jī)的特性曲線。由圖可以看出：從流量壓比特性上，近設(shè)計(jì)點(diǎn)的總壓比達(dá)到4.23，滿足了設(shè)計(jì)時(shí)2級(jí)總壓比4.2的要求，絕熱效率也高達(dá)88.3%；設(shè)計(jì)點(diǎn)換算流量為19.6 kg/s，滿足了設(shè)計(jì)換算流量19.36 kg/s的基本要求。

圖6所示為該組合式多級(jí)壓氣機(jī)斜流級(jí)流量壓比和流量效率的特性曲線。由圖可以看出：在近設(shè)計(jì)點(diǎn)，斜流級(jí)的總壓比達(dá)到2.95。但從特性來(lái)看，壓氣機(jī)還存在著堵塞現(xiàn)象，斜流級(jí)絕熱效率特性仍處于特性曲線的左半支，這不利于壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作，需通過(guò)調(diào)整后面級(jí)的設(shè)計(jì)來(lái)解決問(wèn)題。

根據(jù)對(duì)該壓氣機(jī)近設(shè)計(jì)點(diǎn)的分析，得到了如圖7所示組合式多級(jí)壓氣機(jī)斜流級(jí)靜子進(jìn)口處馬赫數(shù)沿展向分布的情況。由圖可以看出：最大馬赫數(shù)位置出現(xiàn)在根部3%展高和尖部91%展高處，葉中50%展高處的馬赫數(shù)較低。其中，根部最大馬赫數(shù)達(dá)到了0.87，該馬赫數(shù)相對(duì)較高，可能會(huì)導(dǎo)致靜子吸力面的氣流馬赫數(shù)接近靜子的臨界馬赫數(shù)。

圖8所示為組合式多級(jí)壓氣機(jī)斜流級(jí)的總壓比和絕熱效率沿展向分布的情況。由圖可以看出：斜流級(jí)的增壓主要集中在50%展高以上的截面，中部及以下位置的增壓能力相對(duì)較弱，這是由于給定根部區(qū)域較低的落后角降低了斜流葉輪根部的增壓能力，也是為了限制斜流轉(zhuǎn)子出口處的馬赫數(shù)所帶來(lái)的影響。

圖9所示為組合式多級(jí)壓氣機(jī)各級(jí)流量系數(shù)和負(fù)荷系數(shù)沿展向分布的情況。由圖可以看出：斜流級(jí)葉中區(qū)域的負(fù)荷系數(shù)仍然較低，需要繼續(xù)提高葉中區(qū)域的負(fù)荷能力；壓氣機(jī)流量系數(shù)均高于設(shè)計(jì)值，流量系數(shù)過(guò)高將會(huì)帶來(lái)后面軸流級(jí)的流動(dòng)堵塞問(wèn)題，若軸流級(jí)處于堵塞狀態(tài)，則會(huì)影響軸流級(jí)的特性。

圖10所示為組合式多級(jí)壓氣機(jī)S1流面10%，50%，90%展高處的相對(duì)馬赫數(shù)等值線。由圖可以看出：對(duì)于壓氣機(jī)近根部區(qū)域的流動(dòng)，斜流級(jí)靜子吸力面最大相對(duì)馬赫數(shù)為1.02，但由于靜子設(shè)計(jì)氣動(dòng)彎角較小，所以并未產(chǎn)生分離流，不過(guò)軸流級(jí)靜子有一個(gè)明顯的分離區(qū)；葉中截面的流動(dòng)情況較為良好，斜流級(jí)靜子吸力面最大相對(duì)馬赫數(shù)為0.97；對(duì)于葉尖截面，斜流級(jí)轉(zhuǎn)子吸力面有一道激波，波前相對(duì)馬赫數(shù)超過(guò)1.2，波后產(chǎn)生了較大的低速區(qū)，這也是導(dǎo)致斜流級(jí)尖部效率較低的原因。此外，軸流級(jí)靜子始終處于一個(gè)較大的負(fù)攻角狀態(tài)，堵塞特征比較明顯，這不利于軸流級(jí)的性能，也符合上述分析過(guò)的由于過(guò)高流量系數(shù)所具有的流動(dòng)特征。

若要改善這種情況，一方面需要增加斜流靜子的彎角，以改善后面級(jí)所具有的負(fù)攻角特性，另一方面則需對(duì)軸流級(jí)進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)整流道型線和攻角落后角的匹配等來(lái)改善流動(dòng)情況。

表2給出了研究的某斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)各級(jí)三維數(shù)值模擬結(jié)果和設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比。從給出的近設(shè)計(jì)點(diǎn)性能結(jié)果可知：斜流級(jí)近設(shè)計(jì)點(diǎn)總壓比為2.95，絕熱效率為93.8%，均滿足設(shè)計(jì)要求，甚至高于設(shè)計(jì)值；軸流級(jí)近設(shè)計(jì)點(diǎn)總壓比為1.433，絕熱效率為84.7%，相比設(shè)計(jì)值偏低。軸流級(jí)偏大的流量系數(shù)反映出有較大的負(fù)攻角特性，并且軸流級(jí)靜子根部的分離流動(dòng)在一定程度上影響了軸流級(jí)的總壓比，造成效率偏低。

表2 壓氣機(jī)設(shè)計(jì)值與三維模擬結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of 3D simulation results with design parameters for multi-stage compressor

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用了一套通用于軸流、離心和斜流壓氣機(jī)的S2流面氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序，對(duì)斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)設(shè)計(jì)，確定了壓氣機(jī)的流道形式、環(huán)量分布及氣動(dòng)布局等，并對(duì)該壓氣機(jī)進(jìn)行了葉片造型。最后，對(duì)該組合式壓氣機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。由組合式多級(jí)壓氣機(jī)總的特性曲線可知，該組合式多級(jí)壓氣機(jī)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，但在軸流級(jí)流動(dòng)及其與斜流級(jí)流動(dòng)匹配性方面仍有進(jìn)一步改進(jìn)的余地，具體設(shè)計(jì)難點(diǎn)包括如下：

1）斜流級(jí)靜子進(jìn)口處相對(duì)馬赫數(shù)過(guò)高，且靜子吸力面最大相對(duì)馬赫數(shù)仍然超過(guò)1，斜流級(jí)靜子易產(chǎn)生氣流分離；

2）為降低斜流級(jí)靜子的氣流分離，斜流級(jí)靜子彎角過(guò)小，且流量系數(shù)偏大，導(dǎo)致軸流級(jí)處于一個(gè)較大的負(fù)攻角狀態(tài)；

3）斜流級(jí)特性曲線仍處于壓氣機(jī)特性曲線的左半支，不利于壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作。

綜上所述，對(duì)于斜流+軸流組合式多級(jí)壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，軸流級(jí)與斜流級(jí)的流動(dòng)匹配性?xún)?yōu)化將是今后設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。