胡勝波，趙世全，艾松，王歡樂，程國強，吳文彭，王建，李建華

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

1 背景

軸流壓氣機由于單級壓比低，往往級數(shù)較多，這就導(dǎo)致壓氣機實際運行時內(nèi)部各級的運行狀況十分復(fù)雜，級與級之間往往具有較大差別。比如，壓氣機在高轉(zhuǎn)速條件下運行時易呈現(xiàn)出 “前堵后喘”的特點，而在低轉(zhuǎn)速條件下，則會出現(xiàn) “前喘后堵”的現(xiàn)象。但是通過測量壓氣機進出口參數(shù)的傳統(tǒng)性能試驗獲取的壓氣機總體性能曲線是不能反映壓氣機內(nèi)的這些局部特性的。而這恰巧是了解壓氣機內(nèi)級間匹配狀況，發(fā)現(xiàn)壓氣機設(shè)計缺陷，并進一步改進設(shè)計的關(guān)鍵所在。因此，如何獲取壓氣機內(nèi)部各級的運行特性并進一步掌握各級之間匹配狀況將是多級壓氣機試驗的重要內(nèi)容。

要獲取壓氣機各級的特性只需要測量各級或各葉片排進出口的參數(shù)即可。由于壓氣機高速旋轉(zhuǎn)，動、靜葉片相間排列，詳細測量各級或各葉片排進出口的三維流場顯然是不現(xiàn)實的。從分析的角度，若能測得各級均徑處的平均參數(shù)，從而得到壓氣機的一維參數(shù)也是可行的方法。即便如此，對于多級壓氣機而言，其測量仍然是不容易的。主要的困難在于葉片排之間的空間非常狹窄，而且布置插入式探針將不可避免地產(chǎn)生堵塞效應(yīng)，對氣流流動狀態(tài)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)失真。尤其是多級軸流壓氣機，上游探針的堵塞效應(yīng)逐級累積，將可能使下游級的流場相對于無測量探針的真實流場產(chǎn)生較大的偏差。因此，本文提出了一種試驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，盡可能降低探針堵塞效應(yīng)。將該方法應(yīng)用于某9級軸流壓氣機，結(jié)果顯示該方法能夠深刻揭示壓氣機內(nèi)部各級的運行情況以及各級之間的匹配狀況。

2 試驗分析方法

為了分析壓氣機各級之間的匹配情況，需要了解壓氣機內(nèi)部各級的運行特性，獲得壓氣機級間的完整氣流參數(shù)。這既可以通過試驗直接測量，也可通過對試驗數(shù)據(jù)的分析間接獲得。

一般而言，壓氣機級間參數(shù)的測量都是在相鄰兩排葉片之間的間隙里測量的。各測量截面的幾何參數(shù)都是確定的，流過各測量截面的流量一般也是確定的 （可通過進口流量和抽氣流量的測量來確定）。為了確定各測量截面的完整氣流參數(shù)，還必須獲得該截面的壓力參數(shù)、溫度參數(shù)以及氣流的方向參數(shù)。其中，壓力的測量是最容易的，可在測量截面布置壁面靜壓，通過簡單徑向平衡方程就可以獲得均徑處的壓力。由于壁面靜壓為非插入式探針，不對流場形成干擾，可布置在每個葉間間隙的測量截面上。級間溫度的測量一般通過在靜葉片上布置總溫受感部測點來實現(xiàn)，該類測點直接布置于流場中，將對流場形成干擾。而氣流方向的測量則困難得多，一般來說三元流的方向可采用五孔探針進行測量[1]，考慮到壓氣機復(fù)雜的運行工況，氣流總是難以正對五孔探針，尤其是深度變工況下，氣流方向?qū)⑵x很大，即使進行了校準，此時由于工況的復(fù)雜性其測量的準確性也會降低。此外，這類探針的堵塞效應(yīng)也是不容忽視的。

為此，本文提出了一種試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。該方法首先通過CFD手段計算各葉片排（包括動、靜葉）的進出口氣流角關(guān)系，并假設(shè)壓氣機實際運行中各排葉片的進出口氣流角也符合上述關(guān)系。然后通過試驗測量各葉片排間的壁面靜壓，以及壓氣機進出口的氣流壓力、溫度等參數(shù)。最后根據(jù)上述各葉片排的氣流角關(guān)系及測得的壁面靜壓、進出口氣流參數(shù)，運用流量函數(shù)、簡單徑向平衡方程等關(guān)系式進行迭代計算，以確保各級歐拉方程得到滿足，從而得到各葉片排的進出口總溫、總壓、靜溫、靜壓、氣流角、馬赫數(shù)等參數(shù)，并進一步計算出各葉片排的總壓損失系數(shù)和靜壓升系數(shù)。為了盡可能保證計算結(jié)果符合實際情況，計算過程中還考慮了大氣濕度的影響[2]。該方法不對氣流方向進行測量，簡化了測量系統(tǒng)的設(shè)計，可根據(jù)需要在個別靜葉排上布置有限的溫度受感部測點，以強化對溫度進行迭代計算的準確性，最大限度減少了壓氣機內(nèi)部插入式探針的布置，顯著降低了探針的堵塞效應(yīng)及其對氣流的擾動，確保了測量的可靠性。

3 試驗結(jié)果分析

將上述方法應(yīng)用于某9級軸流壓氣機，根據(jù)試驗實測的壓氣機進出口總溫、總壓以及級間受感部總溫、各葉片排間的壁面靜壓，計算出在所有試驗工況下壓氣機內(nèi)各排葉片的工作特性。本文采用無量綱的總壓損失系數(shù)和靜壓升系數(shù)隨進口氣流角的變化關(guān)系來表征壓氣機各排葉片的工作特性。為了敘述簡便，本文不一一展開，僅選取壓氣機第1級動靜葉、第5級動葉和第9級靜葉作為典型葉排來分析壓氣機軸向匹配情況，如圖1～圖4所示。其中橫坐標為相對于設(shè)計氣流角的相對值。為了進一步顯示壓氣機在不同轉(zhuǎn)速下的運行特點，選取了100%轉(zhuǎn)速和50%轉(zhuǎn)速的試驗數(shù)據(jù)。作為對比，運用CFX進行數(shù)值計算的結(jié)果也一并呈現(xiàn)在圖1～圖4中，需要說明的是，圖中CFX的計算結(jié)果是對所有不同運行轉(zhuǎn)速的特性的擬合。此外，試驗及CFX計算的設(shè)計點的結(jié)果也標識在圖中。

第1級：如圖1所示，在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，第1級動葉工作狀況良好；但是在50%轉(zhuǎn)速下，隨著進氣沖角的增加，動葉損失迅速增加，壓升也很快達到了峰值?？梢钥吹?，此時損失顯著大于預(yù)測值而壓升則低于預(yù)測值，說明該轉(zhuǎn)速下壓氣機的壓比可能低于預(yù)測值。圖2表明，靜葉的特性與CFX的計算結(jié)果比較一致。顯然，無論動靜葉，其設(shè)計點都工作于最低損失附近，且50%轉(zhuǎn)速的進氣沖角明顯大于設(shè)計轉(zhuǎn)速，說明第1級的運行狀態(tài)在50%轉(zhuǎn)速下更接近失速和喘振。

圖1 第1級動葉無量綱特性

圖2 第1級靜葉無量綱特性

第5級動葉：第5級作為中間級，剛好位于抽氣口下游。如圖3所示，在設(shè)計轉(zhuǎn)速，第5級動葉的工作特性與CFX的預(yù)測結(jié)果基本一致；但在50%轉(zhuǎn)速，其損失則顯著降低了，相應(yīng)地，壓升明顯增加。這可能是由于該轉(zhuǎn)速下抽氣量的增加移除了汽缸壁附近的低能流體，使得第5級進口條件改善所致。圖3還表明，在100%轉(zhuǎn)速和50%轉(zhuǎn)速下，第5級動葉的進口氣流角范圍基本相同，這正是軸流壓氣機中間級的運行特點。

第9級靜葉：如圖4所示，在50%轉(zhuǎn)速時第9級靜葉工作于損失特性的左半支，進氣角較低，壓升系數(shù)也較低，但損失卻顯著增加，表明此時接近于堵塞工況。而在100%轉(zhuǎn)速時第9級靜葉則工作于損失特性的右半支，進氣角較高，壓升系數(shù)也較高，表明此時接近于喘振工況?？傮w而言，其設(shè)計工況位于最低損失點附近，且壓升梯度為正，表明第9級靜葉的匹配特性非常好。

圖3 第5級動葉無量綱特性

圖4 第9級靜葉無量綱特性

其他各級也可采用類似的方法進行分析。上述結(jié)果清晰地顯示了壓氣機在低轉(zhuǎn)速下 “前喘后堵”，而在高轉(zhuǎn)速下則剛好相反的運行特點，充分展示了壓氣機各級的運行情況及范圍，有助于分析壓氣機的異常工況及其原因，也便于查找壓氣機本身存在的不足，為進一步改進設(shè)計提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

針對軸流壓氣機級間匹配的試驗研究問題，本文提出了一種結(jié)合數(shù)值模擬的試驗分析方法，并通過某9級軸流壓氣機的試驗研究進行驗證，試驗的結(jié)果表明：

（1）壓氣機各排葉片在設(shè)計點處均工作于最低損失附近，顯示出各級之間良好的匹配；

（2）本文提出的級間匹配分析方法是有效的，該方法能夠深刻揭示出壓氣機內(nèi)部各級的運行情況及范圍，從而清晰地呈現(xiàn)出級與級之間的匹配狀況。