蘇赫 易小蘭*/中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

張華良 陳海生 高慶*/中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所

某13級(jí)軸流壓氣機(jī)加零級(jí)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

蘇赫 易小蘭*/中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

張華良 陳海生 高慶*/中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所

0 引言

由于壓氣機(jī)技術(shù)比較復(fù)雜，取得一臺(tái)性能優(yōu)良的壓氣機(jī)需要花很多的精力與費(fèi)用，因此壓氣機(jī)的加級(jí)設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)新壓氣機(jī)的重要手段之一。通觀國(guó)內(nèi)外壓氣機(jī)發(fā)展的歷史[1-5],壓比比較高的壓氣機(jī)很多都是在原來(lái)性能比較優(yōu)秀但壓比比較低的壓氣機(jī)（我們通常稱之為母型）的基礎(chǔ)上前后加級(jí)提高壓比形成的[6-7]。

采用前加級(jí)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，由于新的設(shè)計(jì)方法更加先進(jìn)和成熟，數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)調(diào)試較之以往也都進(jìn)行的更加充分，因此零級(jí)的設(shè)計(jì)性能會(huì)更高一些[8]。此外，在多級(jí)軸流壓氣機(jī)中，前幾級(jí)壓比一般較高，對(duì)整機(jī)的性能影響較大，因此，合理的改型設(shè)計(jì)往往可以提高整機(jī)效率。本文在原13級(jí)軸流壓氣機(jī)基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用?；恿慵?jí)設(shè)計(jì)方案提高整機(jī)壓比，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的優(yōu)化。

1 數(shù)值方法

本文選用NUMECA數(shù)值模擬軟件進(jìn)行全三維計(jì)算分析，計(jì)算模型選取某13級(jí)軸流壓氣機(jī)共27排葉片，見(jiàn)圖1。湍流模型為S-A模型，進(jìn)口湍流度取為8×10-5m2/s。為了更好地模擬附面層內(nèi)部的流動(dòng)情況，第一層網(wǎng)格y+值小于10。進(jìn)口總壓、總溫分別取為99 190Pa、300.15K；出口給定背壓；同時(shí)，為了使新設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)具有較高的效率，選擇原型機(jī)的最高效率點(diǎn)作為設(shè)計(jì)的匹配點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的流量為31.5kg/s。

圖1 計(jì)算模型圖

2 改型方案

2.1 改型要求

根據(jù)要求，需要增大原13級(jí)軸流壓氣機(jī)的通流能力和壓比，即新設(shè)計(jì)的14級(jí)壓氣機(jī)流量增加不低于5％，壓比增加不低于10％。根據(jù)原13級(jí)軸流壓氣機(jī)第一級(jí)的相關(guān)參數(shù)，初步確定零級(jí)總壓比、效率；考慮導(dǎo)葉的總壓損失和熵增后，給定進(jìn)口總壓,總溫、R=287.31（J/kg·K）。

2.2 環(huán)量分布規(guī)律選取

在完成一維計(jì)算后，分析原13級(jí)軸流壓氣機(jī)前幾級(jí)動(dòng)葉環(huán)量沿徑向的分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，原13級(jí)壓氣機(jī)動(dòng)葉采用的是變環(huán)量設(shè)計(jì)，而環(huán)量沿徑向的分布滿足線性分布規(guī)律，見(jiàn)圖2。這樣的設(shè)計(jì)方法既可以保證葉根處的加功量控制在合理的可實(shí)現(xiàn)的范圍，又能夠很好的利用葉尖處高的輪緣速度，即加功量是從葉根到葉尖逐漸增大的。綜合考慮到新加級(jí)和原機(jī)匹配等問(wèn)題，決定新加的零級(jí)動(dòng)葉也采用滿足線性分布的變環(huán)量設(shè)計(jì)方法。

圖2 環(huán)量沿徑向分布圖

根據(jù)一維計(jì)算結(jié)果和環(huán)量分布方案，在完成葉根、葉中、葉高速度三角形的初始設(shè)計(jì)后，最終的葉型參數(shù)還要根據(jù)在初始葉片基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證并局部修正，才能最終得出理想數(shù)據(jù)。而對(duì)于靜葉的設(shè)計(jì)造型，需要在完成動(dòng)葉造型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行進(jìn)一步的匹配設(shè)計(jì)。

2.3 最終方案確定

根據(jù)計(jì)算要求并反復(fù)驗(yàn)證，最終確定零級(jí)預(yù)旋方案、子午流道形式、葉片軸向距離和葉片稠度等重要參數(shù)，并選用ACL1C.WKN-39平面葉型，零級(jí)動(dòng)葉最終積疊規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖3 ACL1C.WKN-39各層葉形和積疊規(guī)律圖

3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算，并適當(dāng)調(diào)整靜葉扭曲規(guī)律，最終確定?；蛹?jí)方案。加級(jí)后，匹配點(diǎn)質(zhì)量流量34.5kg/s，壓比為4.7，轉(zhuǎn)速7 350r/min。

3.1 加級(jí)前后對(duì)比分析

3.1.1 特性曲線

圖4為對(duì)比加級(jí)前后，壓氣機(jī)流量壓比和流量效率特性曲線。圖中黑色曲線表示原13級(jí)軸流壓氣機(jī)特性曲線，紅色曲線表示加零級(jí)后，新的14級(jí)軸流壓氣機(jī)特性曲線。從圖中可以看出，加級(jí)后，無(wú)論是流量壓比特性曲線，還是流量效率特性曲線都向右移動(dòng)。設(shè)計(jì)點(diǎn)絕熱效率從31.5kg/s增大到34.5kg/s，設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比從3.9增大到4.6，基本達(dá)到設(shè)計(jì)改型要求。加級(jí)后，新的14級(jí)軸流壓氣機(jī)流動(dòng)效率沒(méi)有下降，而在全工況范圍內(nèi)，壓比有了顯著提升，改型成功。

圖4 加級(jí)前后特性曲線圖

3.1.2 第一級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口參數(shù)徑向分布

圖5是在匹配截面（對(duì)原13級(jí)壓氣機(jī)為導(dǎo)葉與第一級(jí)動(dòng)葉交界面；對(duì)加級(jí)后新的軸流壓氣機(jī)為零級(jí)靜葉與第一級(jí)動(dòng)葉交界面）上工質(zhì)的相對(duì)氣流角、周向速度和軸向速度在改型前后沿徑向分布的變化圖。從圖中可以看出，改型前后，在匹配截面上，工質(zhì)的速度三角形沿徑向的分布基本保持不變，這就保證了模化加級(jí)后零級(jí)后面流場(chǎng)滿足相似定律，加級(jí)后母型機(jī)部分與原13級(jí)軸流壓氣機(jī)流場(chǎng)相似，從而在最大程度上保證新的14級(jí)壓氣機(jī)的流動(dòng)效率不會(huì)出現(xiàn)明顯下降。

圖5 匹配截面上改型前后速度參數(shù)對(duì)比圖

3.1.3 極限流線

圖6是對(duì)比加級(jí)前后，壓氣機(jī)各級(jí)動(dòng)靜葉吸力面極限流線圖。從圖中可以很直觀的看出，加級(jí)后流場(chǎng)基本與加級(jí)前變化不大，甚至流動(dòng)分離的范圍有所減小，這就在很大程度上保證了新設(shè)計(jì)的14級(jí)壓氣機(jī)流場(chǎng)的穩(wěn)定性。

圖6 匹配點(diǎn)各級(jí)動(dòng)靜葉吸力面極限流線圖

3.2 加級(jí)后計(jì)算結(jié)果分析

圖7是零級(jí)靜葉進(jìn)出口相對(duì)氣流角、進(jìn)出口周向相對(duì)速度、進(jìn)出口周向絕對(duì)速度以及進(jìn)出口軸向速度沿徑向分布圖。從圖中可以看出，為了提高零級(jí)和后面級(jí)的匹配特性，零級(jí)動(dòng)葉進(jìn)出口周向速度差從葉根到葉頂略有減小，這就使得零級(jí)動(dòng)葉葉頂處的加工量不會(huì)過(guò)大，從而在損失一定的葉頂處加工量的同時(shí)，提高了零級(jí)動(dòng)葉的流動(dòng)效率。而零級(jí)進(jìn)出口軸向速度沿徑向基本保持不變。

圖7 零級(jí)動(dòng)葉進(jìn)出口參數(shù)圖

圖8為零級(jí)靜葉進(jìn)出口相對(duì)氣流角、進(jìn)出口周向相對(duì)速度、進(jìn)出口軸向速度沿徑向分布圖。從圖中可以看出，通過(guò)調(diào)整零級(jí)靜葉扭曲規(guī)律，使得加零級(jí)后零級(jí)靜葉出口截面（匹配截面）上出口氣流角和出口周向速度沿徑向分布均勻，但零級(jí)靜葉出口軸向速度在端部區(qū)域有所減小。通過(guò)加級(jí)后流場(chǎng)分析，匹配截面端壁處軸向速度的減小不會(huì)對(duì)新設(shè)計(jì)的14級(jí)軸流壓氣機(jī)流場(chǎng)帶來(lái)明顯惡化，?；蛹?jí)設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期要求。

圖8 零級(jí)靜葉進(jìn)出口參數(shù)圖

4 結(jié)論

本文基于相似準(zhǔn)則，采用數(shù)值模擬的計(jì)算方法，成功完成對(duì)原13級(jí)軸流壓氣機(jī)的加零級(jí)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原13級(jí)軸流壓氣機(jī)流量提高9.5％、壓比提高18％，并對(duì)加級(jí)前后，壓氣機(jī)的進(jìn)出口相對(duì)氣流角、周向速度、軸向速度、特性曲線、極限流線等進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，加零級(jí)后新設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)與原13級(jí)軸流壓氣機(jī)匹配良好，加級(jí)后壓氣機(jī)性能穩(wěn)定，改型達(dá)到預(yù)期要求。

[1]Due H F,Teledyne CAE,Toledo OH.Development of the model 373 turbojet engine.1987,AIAA-87-1908.

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以成熟壓氣機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)加零級(jí)設(shè)計(jì)來(lái)增加質(zhì)量流量或提高壓比以得到滿足新要求的壓氣機(jī)，可以很大程度上縮短設(shè)計(jì)周期、增加設(shè)計(jì)可靠性、降低設(shè)計(jì)成本。本文在某13級(jí)軸流壓氣機(jī)基礎(chǔ)上，采用?；恿慵?jí)設(shè)計(jì)方案提高壓比。通過(guò)反復(fù)迭代計(jì)算確定零級(jí)設(shè)計(jì)方案，成功地將原13級(jí)軸流壓氣機(jī)流量提高9.5％、壓比提高18％，加零級(jí)后新設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)與原13級(jí)軸流壓氣機(jī)匹配良好，加級(jí)后壓氣機(jī)性能穩(wěn)定，改型達(dá)到預(yù)期要求。

軸流壓氣機(jī)；?；蛹?jí)；數(shù)值模擬；匹配；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Aerodynamic Design and Optimization of Zero-stage for a 13-stage Axial-flow Gas Compressor

Su He,Yi Xiaolan/University of Chinese Academy of Sciences
Zhang Hualiang,Chen Haisheng,Gao Qing, Tan Qingchun,Su He,Yi Xiaolan/Institute of engineering thermophysics,Chinese Academy of Sciences

axial compressor; zero-staging;numerical simulation;stage matching;optimized design

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）01-0033-05

10.16492/j.fjjs.2015.01.092

國(guó)家973項(xiàng)目（2012CB720406）；中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（KGZD-EW-302-3）

*本文其他作者：蘇赫易小蘭譚春青/中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所

2014-05-15北京100190

Abstract:In the new multi-stage compressor design process,in order to shorten the design cycle,increase design reliability and reduce design costs, compressor zero-staging is an effective way to increase both the pressure ratio and the mass flow rate.Based on the original 13-stage axial-compressor,zero-staging is used to improve the design pressure ratio in this paper.Calculated to determine the final design through iterative,the original 13-stage axial-compressor mass flow successfully improved by 9.5％,the pressure ratio increased by 18％.Through the numerical simulations and the above analysis,we can conclude that the resultant compressor met the new working condition requirements with good match operating characteristics.The zero stage has improved the base compressor operating characteristics and stability.