離心壓氣機(jī)流動(dòng)控制機(jī)匣新型處理方式研究

石建成，鄒學(xué)奇，溫泉，劉波

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,南京210016；2.中國航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002；3.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

1 引言

穩(wěn)定裕度已成為現(xiàn)今高性能燃?xì)廨啓C(jī)研制必須確保的重要技術(shù)指標(biāo)之一，通過研究找到壓縮系統(tǒng)流動(dòng)失穩(wěn)觸發(fā)機(jī)理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)失穩(wěn)的控制，拓寬葉輪轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作范圍，延遲氣流失速，對(duì)于提高航空燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性具有十分重要的意義。

自20世紀(jì)90年代以來，對(duì)作為提高壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度關(guān)鍵技術(shù)之一的機(jī)匣處理技術(shù)，得到了國外許多專家和學(xué)者的深入研究[1-4]，相比之下,國內(nèi)開展得較晚，且絕大多數(shù)研究都是基于軸流壓氣機(jī)的，對(duì)離心壓氣機(jī)的開展得較少[5-8]。

本文描述了機(jī)匣的1種新型開槽形式，對(duì)開槽前后的離心壓氣機(jī)的特性和內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，詳細(xì)分析了其特性分布和內(nèi)部流場的變化情況。

2 數(shù)值模擬

某小型離心壓氣機(jī)由進(jìn)口導(dǎo)流葉片、離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器3部分組成。其中進(jìn)口徑向?qū)Я魅~片19個(gè)，離心葉輪大、小葉片各17個(gè)，徑向擴(kuò)壓器葉片50個(gè)，進(jìn)口導(dǎo)葉和離心葉輪上方的軸向槽各60個(gè)。離心葉輪進(jìn)口頂部間隙為0.3 mm，出口頂部間隙為0.1 mm，中間隙光滑過渡。

進(jìn)口導(dǎo)葉上方軸向槽沿流向長8 mm，沿周向?qū)?.5 mm，沿葉展方向高5.5 mm；離心葉輪上方軸向長6 mm，寬1.7 mm，高3.5 mm；周向槽沿流向?qū)?1 mm，槽深4.5 mm。設(shè)計(jì)點(diǎn)性能參數(shù)：流量為1.96 kg/s，轉(zhuǎn)速為40000 r/m in，總壓比為4.22。該離心壓氣機(jī)計(jì)算過程的三維網(wǎng)格如圖1所示，機(jī)匣處理槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 數(shù)值模擬方法及網(wǎng)格生成

目前，機(jī)匣處理方式應(yīng)用較多的主要是軸向槽式和周向槽式。軸向槽機(jī)匣處理是將高壓區(qū)的間隙泄漏流和低能阻塞團(tuán)吸入處理槽內(nèi)，并沿軸向輸送，在低壓區(qū)重新將其射入流場通道，有效地抑制了由間隙泄漏流引起的阻塞；可以獲得較大的失速欲度增量，但同時(shí)也帶來了大的效率損失。周向槽機(jī)匣處理的原理是將吸入處理槽內(nèi)的間隙泄漏流和低能阻塞團(tuán)沿周向輸送，再重新將其射入流場通道；可以在效率降低較小的條件下提高失速裕度，但提高量較小。

本文針對(duì)某小型離心壓氣機(jī)，設(shè)計(jì)了1種新型機(jī)匣開槽形式。對(duì)該機(jī)匣，分別在進(jìn)口導(dǎo)葉尾緣和離心葉輪前緣上方開軸向處理槽，再通過1個(gè)大的周向槽將2部分軸向槽連通，以求利用軸向槽和周向槽的優(yōu)勢來提高離心壓氣機(jī)的性能參數(shù)。

本文用Numeca軟件計(jì)算離心壓氣機(jī)內(nèi)部三維流場，采用中心差分格式并結(jié)合S-A湍流模型來求解N-S方程。為了提高計(jì)算效率，采用了多重網(wǎng)格法和局部時(shí)間步長法等加速收斂措施。用AutoGrid軟件分別生成壓氣機(jī)各部分網(wǎng)格，在IGG中實(shí)現(xiàn)各部分網(wǎng)格的連接，在交界面選用摻混面模型。離心葉輪采用H-I型網(wǎng)格，進(jìn)口導(dǎo)葉與徑向擴(kuò)壓器采用HOH型網(wǎng)格，處理槽內(nèi)用簡單的H型網(wǎng)格；總網(wǎng)格數(shù)約為135萬個(gè)。對(duì)葉頂間隙與處理槽內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，離心葉輪葉頂間隙內(nèi)網(wǎng)格周向×徑向×流向?yàn)?3×9×173，下面的2個(gè)軸向處理槽內(nèi)網(wǎng)格為45×25×17，上面的周向處理槽內(nèi)網(wǎng)格為45×25×33。所有距壁面第1層網(wǎng)格的距離為1×10-6m，y+≤3。

計(jì)算中的介質(zhì)為理想氣體，其邊界條件是:進(jìn)口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，總溫為288.15 K，總壓為101325.0 Pa，徑向進(jìn)氣；出口給定平均背壓；輪轂、機(jī)匣以及葉片等固壁上給定絕熱無滑移邊界條件。喘振邊界點(diǎn)的判定方法是：采用不斷提高出口背壓的方式對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行逼喘，數(shù)值失速前的最后1個(gè)收斂解對(duì)應(yīng)近失速工況。

在軸向槽數(shù)值模擬的網(wǎng)格生成過程中，開槽處網(wǎng)格的生成及網(wǎng)格塊間的數(shù)據(jù)傳遞是決定數(shù)值研究成敗的關(guān)鍵。軸向槽的非軸對(duì)稱性決定了槽內(nèi)網(wǎng)格不能簡單連接。如圖3所示，為保證交接面處數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在軸向槽網(wǎng)格生成過程中應(yīng)分為3塊網(wǎng)格，其中，網(wǎng)格A的周期與葉片通道的周期相同，二者間采用FNMB連接方式；網(wǎng)格B的周期與槽的周期一致,二者間同樣采用FNMB連接。在A與B之間，以摻混面模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。機(jī)匣網(wǎng)格和轉(zhuǎn)子通道網(wǎng)格之間以摻混面模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，主要有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：降低計(jì)算量；可以得到流場的流動(dòng)情況。但其缺點(diǎn)是不能捕捉到處理機(jī)匣與葉片間的非定常效應(yīng)。

本文的研究重點(diǎn)是觀察該新型處理機(jī)匣是否可以改善流場的流動(dòng)，因此處理機(jī)匣網(wǎng)格和轉(zhuǎn)子通道網(wǎng)格之間采用定常摻混面方法。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 特性分析

由文獻(xiàn)[5-8]可知，采用上述數(shù)值方法來模擬帶處理機(jī)匣的壓氣機(jī)的流場是可行的。圖5、6分別示出了離心壓氣機(jī)機(jī)匣處理前后，在100%和90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的壓比/流量和效率/流量的特性；表1、2分別為在100%和90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下、機(jī)匣處理前后的壓氣機(jī)近失速流量點(diǎn)參數(shù)的對(duì)比。

結(jié)合特性圖和參數(shù)對(duì)比表可知：（1）采用處理機(jī)匣后，壓氣機(jī)失速點(diǎn)向小流量方向拓展，流量裕度在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下提高了3.5%，在90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下提高了2.5%；（2）壓氣機(jī)最大流量也有所增加，近堵點(diǎn)流量在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下增加了約2%，在90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下增加了約0.7%；（3）在100%和90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，采用處理機(jī)匣后，在大流量范圍內(nèi)、相同出口邊界條件下，壓氣機(jī)壓比和效率有一定增加，壓氣機(jī)性能提高；（4）在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)流量小于2.15 kg/s；在90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)流量小于2.00 kg/s時(shí)，壓氣機(jī)壓比和效率降低，最大效率在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下下降了約1.7%，在90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下下降了約2.5%。

表1 在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下機(jī)匣處理前后的壓氣機(jī)參數(shù)對(duì)比

表2 在90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下機(jī)匣處理前后的壓氣機(jī)參數(shù)對(duì)比

從上述分析可以看出，在機(jī)匣處理前后，離心壓氣機(jī)特性線分布和走勢基本一致；機(jī)匣處理后，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速相同的流量下，壓氣機(jī)壓比、效率特性都有一定程度的降低，壓氣機(jī)流量穩(wěn)定裕度提高；在90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下、機(jī)匣處理后，壓氣機(jī)壓比基本保持不變，效率降低了2%左右，同時(shí)壓氣機(jī)流量穩(wěn)定裕度有一定的提高。

4.2 流場分析

有研究表明離心壓氣機(jī)尖部流動(dòng)是壓氣機(jī)失速的主要誘導(dǎo)因素。為研究本文采用的機(jī)匣處理方式改善壓氣機(jī)性能改善的機(jī)理，特別對(duì)失速點(diǎn)附近、機(jī)匣處理前后的離心壓氣機(jī)內(nèi)部典型截面的流場參數(shù)分布情況進(jìn)行對(duì)比分析，以求了解機(jī)匣處理后的壓氣機(jī)流動(dòng)參數(shù)變化，為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)匣處理方案和提高壓氣機(jī)性能打下基礎(chǔ)。

圖7給出了在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下、喘振邊界點(diǎn)，離心壓氣機(jī)實(shí)壁機(jī)匣和軸向槽處理后機(jī)匣在98%葉展截面的馬赫數(shù)分布，可以看出在為實(shí)壁機(jī)匣時(shí)，在喘振邊界點(diǎn)，進(jìn)口導(dǎo)流葉片通道內(nèi)的流場流動(dòng)情況惡劣，葉片吸力面附近存在較大面積的低馬赫數(shù)區(qū)；機(jī)匣處理后，進(jìn)口導(dǎo)流葉片尖部截面馬赫數(shù)的分布情況得到明顯改善，通道內(nèi)低馬赫數(shù)區(qū)面積減小。從圖中還可以看出為實(shí)壁機(jī)匣時(shí)，離心葉輪進(jìn)口存在較大面積的高馬赫數(shù)區(qū)域；機(jī)匣處理后，高馬赫數(shù)區(qū)面積減小，最高馬赫數(shù)降低，通道內(nèi)馬赫數(shù)分布更加合理。這說明本文采用的機(jī)匣處理方案可以有效地控制離心壓氣機(jī)尖部的流動(dòng)，使得壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況改善，從而達(dá)到拓寬壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的目的。處理槽抑制了由間隙泄漏渦導(dǎo)致的阻塞，這是壓氣機(jī)流場改善的主要原因。在進(jìn)口導(dǎo)葉后方和離心葉輪前方采用處理機(jī)匣后，進(jìn)口導(dǎo)葉后方頂部區(qū)域的氣流能夠借助流場通道內(nèi)的壓差，被抽吸進(jìn)入處理槽、沿流向輸送，并從離心葉輪前方重新被射入流場通道，有效地吹除了流場通道內(nèi)的低能阻塞團(tuán)，使得離心葉輪間隙泄漏渦產(chǎn)生的原動(dòng)力減弱,有效地抑制了由間隙泄漏渦導(dǎo)致的阻塞[6－8]，如圖8所示。但壓氣機(jī)效率沒有提高，這是因?yàn)楸怀槲M(jìn)入槽內(nèi)的氣體沿槽內(nèi)流動(dòng)，并在低壓區(qū)重新被射入通道與主流摻混，引起了新的損失。

為詳細(xì)分析在機(jī)匣處理前后的離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場分布情況，選取通道內(nèi)典型S3流面進(jìn)行流場結(jié)構(gòu)分析。S3截面選取位置如圖9所示，進(jìn)口導(dǎo)流葉片出口選在出口105%弦長截面處，離心葉輪選取進(jìn)口-2%弦長截面處。

圖10、11分別給出了通道中的進(jìn)口導(dǎo)流葉片出口處和離心葉輪進(jìn)口處的S3截面馬赫數(shù)分布，不難發(fā)現(xiàn)機(jī)匣處理后，進(jìn)口導(dǎo)流葉片出口相同位置處的流場分布更加均勻，由尾跡導(dǎo)致的尖部截面低馬赫數(shù)區(qū)面積減??；離心葉輪進(jìn)口處尖部的高馬赫數(shù)區(qū)域面積減小，流場分布更加均勻合理。這說明機(jī)匣新型處理方式能夠有效地改善進(jìn)口導(dǎo)流葉片和離心葉輪間的流動(dòng)。

圖12給出了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速喘振邊界點(diǎn)的進(jìn)口導(dǎo)流葉片吸力面的極限流線分布情況，可以看出為實(shí)壁機(jī)匣時(shí)的進(jìn)口導(dǎo)流葉片吸力面極限流線的流動(dòng)較為混亂，在頂部尾緣85%葉展以上處出現(xiàn)了倒流現(xiàn)象；機(jī)匣處理后，進(jìn)口導(dǎo)流葉片吸力面的流動(dòng)情況得到明顯改善，葉片頂部的回流區(qū)基本消失，而且葉片前緣流場的流動(dòng)也得到了極大改善。

5 結(jié)論

為了拓寬某小型高轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，對(duì)機(jī)匣處理前后的壓氣機(jī)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)匣處理后：

（1）離心壓氣機(jī)穩(wěn)定特性得到一定的改善，失速點(diǎn)向小流量方向拓展，流量裕度在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下提高了3.5%，在90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下提高了2.5%；。

（2）在相同流量下，壓氣機(jī)的壓比特性和效率特性都有一定程度的損失，在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下、流量小于2.15kg/s和在90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、流量小于2.00kg/s時(shí)，壓氣機(jī)壓比和效率降低，最大效率在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下下降了約1.7%，在90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下下降了約2.5%。

（3）壓氣機(jī)喘振邊界點(diǎn)尖部流場得到一定的改善，進(jìn)口導(dǎo)流葉片尖部截面通道內(nèi)的馬赫數(shù)區(qū)面積減?。浑x心葉輪進(jìn)口流場分布更加均勻合理；有效改善了通道內(nèi)的流動(dòng)。

[1] Rabe D C,Hah C.Application of casing circum ferential grooves for improved stall margin in a transonic axial compressor[R].ASME Paper GT-2002-230641,2002.

[2] Wilke I,Kau H P.A numerical investigation of the influence of casing treatments on the tip leakage flow in a HPC front stage[R].ASME Paper GT-2002-230642,2002.

[3] Behnam H B.Parametric study of tip clearance casing treatment on performance and stability on a transonic axial compressor[R].ASME Paper GT-2004-53390,2004

[4] Shabbir A,Adamczyk J J.Flow mechanism for stall margin improvement due to circum ferential casing grooves on axial compressors[R].ASM E Paper GT-2004-53903,2004.

[5] 劉志偉,張長生.周向槽機(jī)匣處理增加失速裕度的改進(jìn)機(jī)理[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1986,4(4):405-415.

[6] 朱俊強(qiáng).四種不同型式機(jī)匣處理的實(shí)驗(yàn)研究及機(jī)理分析[J].航空學(xué)報(bào),