張宇坤 李 昂 張 赟

（海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）

1 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，壓氣機(jī)的性能不斷提高，對(duì)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)也提出了更多的要求。壓氣機(jī)不但要在設(shè)計(jì)工作狀態(tài)下滿足各種性能要求，也需要在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下能夠穩(wěn)定工作［1］。因此，對(duì)多級(jí)壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)狀態(tài)和非設(shè)計(jì)狀態(tài)各種性能的準(zhǔn)確預(yù)估具有十分重要的意義。

隨著CFD技術(shù)日臻成熟和計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的提高，壓氣機(jī)的數(shù)值模擬技術(shù)也得到了發(fā)展迅速，為預(yù)估壓氣機(jī)的工作性能提供了有效手段。CFX是一款基于CFD理論的仿真軟件，其計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)、適應(yīng)性強(qiáng)，目前已廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程實(shí)踐領(lǐng)域［2～6］。

某型渦漿發(fā)動(dòng)機(jī)采用十級(jí)軸流壓氣機(jī)，其設(shè)計(jì)增壓比為8.0，設(shè)計(jì)點(diǎn)效率達(dá)到88%。該型壓氣機(jī)涉及改型，為完整地了解其工作過(guò)程，文本利用CFX軟件對(duì)該壓氣機(jī)多個(gè)工況的流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬。將仿真結(jié)果與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性，并通過(guò)仿真結(jié)果分析該壓氣機(jī)的工作規(guī)律和流場(chǎng)參數(shù)分布，為該壓氣機(jī)之后的使用和改進(jìn)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

2 模型建立和網(wǎng)格劃分

2.1 幾何模型重構(gòu)

該壓氣機(jī)的葉型數(shù)據(jù)和氣流通道參數(shù)均來(lái)自型號(hào)數(shù)據(jù)。為了保證壓氣機(jī)幾何模型不存在缺陷，能夠用于Turbogrid軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文根據(jù)其葉型數(shù)據(jù)重構(gòu)了每一級(jí)葉片的等葉高葉型曲線和氣流通道，生成通用幾何文件IGES。之后利用Bladegen軟件對(duì)幾何文件進(jìn)行處理，識(shí)別葉尖、葉根，根據(jù)葉型曲線進(jìn)行擬合，并生成葉片的幾何模型。幾何模型如圖1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

將幾何模型導(dǎo)入Turbogrid軟件，進(jìn)行網(wǎng)格的生成，葉片采用H-O-H結(jié)構(gòu)。為了盡可能地使仿真結(jié)果精準(zhǔn)，在劃分網(wǎng)格時(shí)，根據(jù)提供的數(shù)據(jù)對(duì)葉頂間隙進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。通過(guò)Turbogrid軟件，得到了各級(jí)葉片單通道的網(wǎng)格劃分情況。每級(jí)壓氣機(jī)網(wǎng)格數(shù)大約在25萬(wàn)左右，改壓氣機(jī)共十級(jí)，并包含一級(jí)進(jìn)口導(dǎo)流葉片，共21排葉片單通道。通過(guò)CFD的前處理軟件將各級(jí)葉片通過(guò)混合平面法拼接到一起，形成整個(gè)壓氣機(jī)單通道流域的網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)共556萬(wàn)，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。從圖2可以看出，該型壓氣機(jī)采用了等外徑設(shè)計(jì)。

3 理論模型和計(jì)算方法

設(shè)燃?xì)鉃橥耆珰怏w，不計(jì)化學(xué)反應(yīng)和組分輸運(yùn)的三維時(shí)均N-S方程：

其中，μeff=μ+μt，μt即為湍流模型，本文選擇能夠較好地計(jì)算近壁低雷諾數(shù)流場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的k-ω湍流模型，k-ω湍流模型為

各級(jí)靜轉(zhuǎn)子之間的連接面采用混合平面法處理。該方法在坐標(biāo)變化的基礎(chǔ)上，在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上對(duì)各個(gè)物理量進(jìn)行加權(quán)平均?？梢栽诒ＷC精度的情況下，有效減少計(jì)算量［7～8］。將氣流通道的兩側(cè)設(shè)置為周期邊界條件；0級(jí)導(dǎo)向器入口給定標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，10級(jí)靜子出口根據(jù)轉(zhuǎn)速和增壓比給定靜壓條件。

離散格式采用的是CFX的high resolution格式，這種格式根據(jù)流場(chǎng)內(nèi)參數(shù)變化情況使用不同的格式，具有普遍二階精度。求解方法采用CFX的偽瞬態(tài)算法。

4 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到在不同轉(zhuǎn)速和不同壓力條件下得到的壓氣機(jī)特性曲線。本文分析涉及轉(zhuǎn)速附近的工作情況，仿真轉(zhuǎn)速選擇在98%～101%額定轉(zhuǎn)速。圖3所示為計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。

圖中實(shí)線為標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，點(diǎn)畫(huà)線為仿真數(shù)據(jù)。從圖3可以看出仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，仿真結(jié)果在100%額定轉(zhuǎn)速時(shí)精度最高，最大誤差為0.7%；轉(zhuǎn)速為101%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，誤差達(dá)到1.2%；轉(zhuǎn)速為98%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，誤差達(dá)到了2.5%。造成誤差的原因：一是靜轉(zhuǎn)子葉片之間使用混合平面方法鏈接，使葉片前緣和后緣處流場(chǎng)有一定程度失真造成的；二是湍流模型在刻畫(huà)流場(chǎng)湍流不精確，影響精度。總體來(lái)說(shuō)，仿真結(jié)果的誤差在可接受范圍內(nèi)，計(jì)算精度較高。

圖4 為壓氣機(jī)100%額定轉(zhuǎn)速條件下的計(jì)算結(jié)果。從圖中可見(jiàn)，流場(chǎng)中壓力和溫度隨流動(dòng)逐漸增加，不同葉高壓力分布較為均勻，每排葉片通道壓力、溫度分布合理，壓氣機(jī)整體工作穩(wěn)定。

圖4 （c）為100%轉(zhuǎn)速的流場(chǎng)相對(duì)馬赫數(shù)云圖，從圖中可以看出，壓氣機(jī)中相對(duì)馬赫數(shù)分布較為穩(wěn)定合理。馬赫數(shù)在轉(zhuǎn)子通道相對(duì)較高，前五級(jí)轉(zhuǎn)子葉背出現(xiàn)較大范圍的近音速區(qū)，轉(zhuǎn)子葉背頂部區(qū)域馬赫數(shù)最高，達(dá)到1.3Ma，這會(huì)導(dǎo)致流道壅塞。在其他葉高處也存在類(lèi)似的壅塞情況，加上該型壓氣機(jī)級(jí)數(shù)較多，這使得其壓氣機(jī)流量特性曲線較陡，這在改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高性能時(shí)應(yīng)引起注意。

該壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)工作點(diǎn)整體流場(chǎng)流動(dòng)穩(wěn)定，前五級(jí)轉(zhuǎn)子前緣氣流相對(duì)速度接近音速，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子的加速后，在葉背后緣存在低速區(qū)。這主要是由于該型壓氣機(jī)受到當(dāng)時(shí)的工藝和材料限制，采用的葉型較為簡(jiǎn)單，葉片后緣沒(méi)有很好地貼合流場(chǎng)。葉背后緣的低速區(qū)在工況偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，低速區(qū)會(huì)逐漸擴(kuò)大，可能會(huì)存在氣流分離的趨勢(shì)，影響工作效率。由于前五級(jí)轉(zhuǎn)子流場(chǎng)趨勢(shì)基本相同，所以本文以第五級(jí)轉(zhuǎn)子為例，分析轉(zhuǎn)速和壓比變化對(duì)轉(zhuǎn)子流場(chǎng)的影響。

如圖5所示，第五級(jí)轉(zhuǎn)子前緣來(lái)流相對(duì)速度為0.6Ma，經(jīng)過(guò)葉背加速至0.9Ma～1.1Ma。在70%葉寬處，葉背出現(xiàn)低速區(qū)，并向后延伸逐漸擴(kuò)大。

通過(guò)圖6可以看到，五級(jí)轉(zhuǎn)子葉背在30%～100%葉高大部分氣流沿著葉片弦向呈現(xiàn)二維流動(dòng)特性；在30%葉高以下則氣流流動(dòng)較為混亂。這是由于該型壓氣機(jī)為等外徑設(shè)計(jì)，所以其輪轂會(huì)有較明顯的收縮，導(dǎo)致葉片根部的氣流沒(méi)有組織好。

圖7 為轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)第五級(jí)轉(zhuǎn)子葉根處的速度流線圖。從圖中可以看出，隨著增壓比的增加，氣流在葉片前緣的加速明顯，葉背尾部的低速區(qū)逐漸擴(kuò)大，當(dāng)增壓比為7.8時(shí)，葉背尾部已有氣流分離的趨勢(shì)。造成這種現(xiàn)象主要是由于一方面壓比增大，氣流流量減少，氣流流動(dòng)速度降低；另一方面壓比增大，流場(chǎng)內(nèi)逆壓梯度增大。

圖8 為非額定轉(zhuǎn)速下第五級(jí)轉(zhuǎn)子葉根處速度流線圖，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏離額定轉(zhuǎn)速時(shí)，不論轉(zhuǎn)速升高還是降低，低速區(qū)相比于額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)都會(huì)擴(kuò)大。其原因是壓氣機(jī)工作在非額定轉(zhuǎn)速時(shí)，進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片的氣流攻角未對(duì)準(zhǔn)葉片前緣，導(dǎo)致了流線和葉片的貼合度降低，低速區(qū)域增加。

該型壓氣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)從工藝角度考慮，最后兩級(jí)靜子采用了直葉型靜子葉片。圖9為第十級(jí)靜子葉背流動(dòng)情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，第十級(jí)靜子葉背流線只有在葉高中段沿葉片弦向流動(dòng)，在葉片的根部和頂部都有明顯的三維特性。這是由于第十級(jí)靜子為直葉片，只能使葉片中段的來(lái)流氣流與葉片前緣較好的對(duì)準(zhǔn)，葉片頂部和根部的氣流的攻角較大造成了葉背后緣有較大的低速區(qū)。

第十級(jí)靜子葉片后緣的氣流分布不均勻使得葉片的尾跡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生渦系，也使壓氣機(jī)出口的總壓分布不均勻，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的整體工作。在改進(jìn)過(guò)程中，可以將直葉片替換為有適當(dāng)扭轉(zhuǎn)角的葉片，以更好地組織靜子葉片通道的氣流流動(dòng)，進(jìn)而提升壓氣機(jī)整體性能。

5 結(jié)語(yǔ)

1）在壓氣機(jī)流場(chǎng)計(jì)算中，利用混合平面法拼接多級(jí)壓氣機(jī)葉片，處理每排葉片間的相互干擾和數(shù)據(jù)傳輸是合理的，在設(shè)計(jì)工況下仿真誤差較?。坏S著工作狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，葉片前緣的低壓區(qū)和葉片后緣的氣流尾跡區(qū)影響逐漸增大，仿真精度有所下降，但仍在可接受范圍內(nèi)。

2）該壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)工作穩(wěn)定，但該壓氣機(jī)前五級(jí)轉(zhuǎn)子葉片存在近音速區(qū)，流道壅塞，加上壓氣機(jī)級(jí)數(shù)較多，使得其流量特性曲線較陡。

3）在非設(shè)計(jì)點(diǎn)多排葉片后緣存在氣流分離趨勢(shì)。由于氣流在最后兩級(jí)靜子葉片為直葉片，導(dǎo)致壓氣機(jī)出口存在總壓分布不均勻。本文根據(jù)分析結(jié)果為壓氣機(jī)改進(jìn)提出了合理建議。