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        某9級(jí)軸流壓氣機(jī)級(jí)間匹配性能的試驗(yàn)研究

        2019-01-24 07:11:10胡勝波趙世全艾松王歡樂(lè)程國(guó)強(qiáng)吳文彭王建李建華
        東方汽輪機(jī) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:靜葉軸流壓氣機(jī)

        胡勝波,趙世全,艾松,王歡樂(lè),程國(guó)強(qiáng),吳文彭,王建,李建華

        (東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽(yáng),618000)

        1 背景

        軸流壓氣機(jī)由于單級(jí)壓比低,往往級(jí)數(shù)較多,這就導(dǎo)致壓氣機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)內(nèi)部各級(jí)的運(yùn)行狀況十分復(fù)雜,級(jí)與級(jí)之間往往具有較大差別。比如,壓氣機(jī)在高轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行時(shí)易呈現(xiàn)出 “前堵后喘”的特點(diǎn),而在低轉(zhuǎn)速條件下,則會(huì)出現(xiàn) “前喘后堵”的現(xiàn)象。但是通過(guò)測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)出口參數(shù)的傳統(tǒng)性能試驗(yàn)獲取的壓氣機(jī)總體性能曲線(xiàn)是不能反映壓氣機(jī)內(nèi)的這些局部特性的。而這恰巧是了解壓氣機(jī)內(nèi)級(jí)間匹配狀況,發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)缺陷,并進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。因此,如何獲取壓氣機(jī)內(nèi)部各級(jí)的運(yùn)行特性并進(jìn)一步掌握各級(jí)之間匹配狀況將是多級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)的重要內(nèi)容。

        要獲取壓氣機(jī)各級(jí)的特性只需要測(cè)量各級(jí)或各葉片排進(jìn)出口的參數(shù)即可。由于壓氣機(jī)高速旋轉(zhuǎn),動(dòng)、靜葉片相間排列,詳細(xì)測(cè)量各級(jí)或各葉片排進(jìn)出口的三維流場(chǎng)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。從分析的角度,若能測(cè)得各級(jí)均徑處的平均參數(shù),從而得到壓氣機(jī)的一維參數(shù)也是可行的方法。即便如此,對(duì)于多級(jí)壓氣機(jī)而言,其測(cè)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(duì)氣流流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生干擾,導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)失真。尤其是多級(jí)軸流壓氣機(jī),上游探針的堵塞效應(yīng)逐級(jí)累積,將可能使下游級(jí)的流場(chǎng)相對(duì)于無(wú)測(cè)量探針的真實(shí)流場(chǎng)產(chǎn)生較大的偏差。因此,本文提出了一種試驗(yàn)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(jí)軸流壓氣機(jī),結(jié)果顯示該方法能夠深刻揭示壓氣機(jī)內(nèi)部各級(jí)的運(yùn)行情況以及各級(jí)之間的匹配狀況。

        2 試驗(yàn)分析方法

        為了分析壓氣機(jī)各級(jí)之間的匹配情況,需要了解壓氣機(jī)內(nèi)部各級(jí)的運(yùn)行特性,獲得壓氣機(jī)級(jí)間的完整氣流參數(shù)。這既可以通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)量,也可通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析間接獲得。

        一般而言,壓氣機(jī)級(jí)間參數(shù)的測(cè)量都是在相鄰兩排葉片之間的間隙里測(cè)量的。各測(cè)量截面的幾何參數(shù)都是確定的,流過(guò)各測(cè)量截面的流量一般也是確定的 (可通過(guò)進(jìn)口流量和抽氣流量的測(cè)量來(lái)確定)。為了確定各測(cè)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(cè)量是最容易的,可在測(cè)量截面布置壁面靜壓,通過(guò)簡(jiǎn)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(duì)流場(chǎng)形成干擾,可布置在每個(gè)葉間間隙的測(cè)量截面上。級(jí)間溫度的測(cè)量一般通過(guò)在靜葉片上布置總溫受感部測(cè)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn),該類(lèi)測(cè)點(diǎn)直接布置于流場(chǎng)中,將對(duì)流場(chǎng)形成干擾。而氣流方向的測(cè)量則困難得多,一般來(lái)說(shuō)三元流的方向可采用五孔探針進(jìn)行測(cè)量[1],考慮到壓氣機(jī)復(fù)雜的運(yùn)行工況,氣流總是難以正對(duì)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(jìn)行了校準(zhǔn),此時(shí)由于工況的復(fù)雜性其測(cè)量的準(zhǔn)確性也會(huì)降低。此外,這類(lèi)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(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。該方法首先通過(guò)CFD手段計(jì)算各葉片排(包括動(dòng)、靜葉)的進(jìn)出口氣流角關(guān)系,并假設(shè)壓氣機(jī)實(shí)際運(yùn)行中各排葉片的進(jìn)出口氣流角也符合上述關(guān)系。然后通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量各葉片排間的壁面靜壓,以及壓氣機(jī)進(jìn)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(cè)得的壁面靜壓、進(jìn)出口氣流參數(shù),運(yùn)用流量函數(shù)、簡(jiǎn)單徑向平衡方程等關(guān)系式進(jìn)行迭代計(jì)算,以確保各級(jí)歐拉方程得到滿(mǎn)足,從而得到各葉片排的進(jìn)出口總溫、總壓、靜溫、靜壓、氣流角、馬赫數(shù)等參數(shù),并進(jìn)一步計(jì)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(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況,計(jì)算過(guò)程中還考慮了大氣濕度的影響[2]。該方法不對(duì)氣流方向進(jìn)行測(cè)量,簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì),可根據(jù)需要在個(gè)別靜葉排上布置有限的溫度受感部測(cè)點(diǎn),以強(qiáng)化對(duì)溫度進(jìn)行迭代計(jì)算的準(zhǔn)確性,最大限度減少了壓氣機(jī)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(duì)氣流的擾動(dòng),確保了測(cè)量的可靠性。

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        將上述方法應(yīng)用于某9級(jí)軸流壓氣機(jī),根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的壓氣機(jī)進(jìn)出口總溫、總壓以及級(jí)間受感部總溫、各葉片排間的壁面靜壓,計(jì)算出在所有試驗(yàn)工況下壓氣機(jī)內(nèi)各排葉片的工作特性。本文采用無(wú)量綱的總壓損失系數(shù)和靜壓升系數(shù)隨進(jìn)口氣流角的變化關(guān)系來(lái)表征壓氣機(jī)各排葉片的工作特性。為了敘述簡(jiǎn)便,本文不一一展開(kāi),僅選取壓氣機(jī)第1級(jí)動(dòng)靜葉、第5級(jí)動(dòng)葉和第9級(jí)靜葉作為典型葉排來(lái)分析壓氣機(jī)軸向匹配情況,如圖1~圖4所示。其中橫坐標(biāo)為相對(duì)于設(shè)計(jì)氣流角的相對(duì)值。為了進(jìn)一步顯示壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行特點(diǎn),選取了100%轉(zhuǎn)速和50%轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。作為對(duì)比,運(yùn)用CFX進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的結(jié)果也一并呈現(xiàn)在圖1~圖4中,需要說(shuō)明的是,圖中CFX的計(jì)算結(jié)果是對(duì)所有不同運(yùn)行轉(zhuǎn)速的特性的擬合。此外,試驗(yàn)及CFX計(jì)算的設(shè)計(jì)點(diǎn)的結(jié)果也標(biāo)識(shí)在圖中。

        第1級(jí):如圖1所示,在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下,第1級(jí)動(dòng)葉工作狀況良好;但是在50%轉(zhuǎn)速下,隨著進(jìn)氣沖角的增加,動(dòng)葉損失迅速增加,壓升也很快達(dá)到了峰值??梢钥吹?,此時(shí)損失顯著大于預(yù)測(cè)值而壓升則低于預(yù)測(cè)值,說(shuō)明該轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)的壓比可能低于預(yù)測(cè)值。圖2表明,靜葉的特性與CFX的計(jì)算結(jié)果比較一致。顯然,無(wú)論動(dòng)靜葉,其設(shè)計(jì)點(diǎn)都工作于最低損失附近,且50%轉(zhuǎn)速的進(jìn)氣沖角明顯大于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速,說(shuō)明第1級(jí)的運(yùn)行狀態(tài)在50%轉(zhuǎn)速下更接近失速和喘振。

        圖1 第1級(jí)動(dòng)葉無(wú)量綱特性

        圖2 第1級(jí)靜葉無(wú)量綱特性

        第5級(jí)動(dòng)葉:第5級(jí)作為中間級(jí),剛好位于抽氣口下游。如圖3所示,在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速,第5級(jí)動(dòng)葉的工作特性與CFX的預(yù)測(cè)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(jí)進(jìn)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(jí)動(dòng)葉的進(jìn)口氣流角范圍基本相同,這正是軸流壓氣機(jī)中間級(jí)的運(yùn)行特點(diǎn)。

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

        圖3 第5級(jí)動(dòng)葉無(wú)量綱特性

        圖4 第9級(jí)靜葉無(wú)量綱特性

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

        4 結(jié)論

        針對(duì)軸流壓氣機(jī)級(jí)間匹配的試驗(yàn)研究問(wèn)題,本文提出了一種結(jié)合數(shù)值模擬的試驗(yàn)分析方法,并通過(guò)某9級(jí)軸流壓氣機(jī)的試驗(yàn)研究進(jìn)行驗(yàn)證,試驗(yàn)的結(jié)果表明:

        (1)壓氣機(jī)各排葉片在設(shè)計(jì)點(diǎn)處均工作于最低損失附近,顯示出各級(jí)之間良好的匹配;

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

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