某13級軸流壓氣機加零級氣動優(yōu)化設(shè)計*

蘇赫 易小蘭*/中國科學(xué)院大學(xué)

張華良 陳海生 高慶*/中國科學(xué)院工程熱物理研究所

某13級軸流壓氣機加零級氣動優(yōu)化設(shè)計*

蘇赫 易小蘭*/中國科學(xué)院大學(xué)

張華良 陳海生 高慶*/中國科學(xué)院工程熱物理研究所

0 引言

由于壓氣機技術(shù)比較復(fù)雜，取得一臺性能優(yōu)良的壓氣機需要花很多的精力與費用，因此壓氣機的加級設(shè)計成為設(shè)計新壓氣機的重要手段之一。通觀國內(nèi)外壓氣機發(fā)展的歷史[1-5],壓比比較高的壓氣機很多都是在原來性能比較優(yōu)秀但壓比比較低的壓氣機（我們通常稱之為母型）的基礎(chǔ)上前后加級提高壓比形成的[6-7]。

采用前加級設(shè)計的優(yōu)點在于，由于新的設(shè)計方法更加先進(jìn)和成熟，數(shù)值計算和實驗調(diào)試較之以往也都進(jìn)行的更加充分，因此零級的設(shè)計性能會更高一些[8]。此外，在多級軸流壓氣機中，前幾級壓比一般較高，對整機的性能影響較大，因此，合理的改型設(shè)計往往可以提高整機效率。本文在原13級軸流壓氣機基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計要求，采用模化加零級設(shè)計方案提高整機壓比，實現(xiàn)整機的優(yōu)化。

1 數(shù)值方法

本文選用NUMECA數(shù)值模擬軟件進(jìn)行全三維計算分析，計算模型選取某13級軸流壓氣機共27排葉片，見圖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，為了使新設(shè)計的壓氣機具有較高的效率，選擇原型機的最高效率點作為設(shè)計的匹配點，其對應(yīng)的流量為31.5kg/s。

圖1 計算模型圖

2 改型方案

2.1 改型要求

根據(jù)要求，需要增大原13級軸流壓氣機的通流能力和壓比，即新設(shè)計的14級壓氣機流量增加不低于5％，壓比增加不低于10％。根據(jù)原13級軸流壓氣機第一級的相關(guān)參數(shù)，初步確定零級總壓比、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

在完成一維計算后，分析原13級軸流壓氣機前幾級動葉環(huán)量沿徑向的分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，原13級壓氣機動葉采用的是變環(huán)量設(shè)計，而環(huán)量沿徑向的分布滿足線性分布規(guī)律，見圖2。這樣的設(shè)計方法既可以保證葉根處的加功量控制在合理的可實現(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。綜合考慮到新加級和原機匹配等問題，決定新加的零級動葉也采用滿足線性分布的變環(huán)量設(shè)計方法。

圖2 環(huán)量沿徑向分布圖

根據(jù)一維計算結(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)過計算驗證并局部修正，才能最終得出理想數(shù)據(jù)。而對于靜葉的設(shè)計造型，需要在完成動葉造型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行進(jìn)一步的匹配設(shè)計。

2.3 最終方案確定

根據(jù)計算要求并反復(fù)驗證，最終確定零級預(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，零級動葉最終積疊規(guī)律見圖3。

圖3 ACL1C.WKN-39各層葉形和積疊規(guī)律圖

3 計算結(jié)果

經(jīng)過反復(fù)計算，并適當(dāng)調(diào)整靜葉扭曲規(guī)律，最終確定?；蛹壏桨?。加級后，匹配點質(zhì)量流量34.5kg/s，壓比為4.7，轉(zhuǎn)速7 350r/min。

3.1 加級前后對比分析

3.1.1 特性曲線

圖4為對比加級前后，壓氣機流量壓比和流量效率特性曲線。圖中黑色曲線表示原13級軸流壓氣機特性曲線，紅色曲線表示加零級后，新的14級軸流壓氣機特性曲線。從圖中可以看出，加級后，無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。設(shè)計點絕熱效率從31.5kg/s增大到34.5kg/s，設(shè)計點壓比從3.9增大到4.6，基本達(dá)到設(shè)計改型要求。加級后，新的14級軸流壓氣機流動效率沒有下降，而在全工況范圍內(nèi)，壓比有了顯著提升，改型成功。

圖4 加級前后特性曲線圖

3.1.2 第一級動葉進(jìn)口參數(shù)徑向分布

圖5是在匹配截面（對原13級壓氣機為導(dǎo)葉與第一級動葉交界面；對加級后新的軸流壓氣機為零級靜葉與第一級動葉交界面）上工質(zhì)的相對氣流角、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?；蛹壓罅慵壓竺媪鲌鰸M足相似定律，加級后母型機部分與原13級軸流壓氣機流場相似，從而在最大程度上保證新的14級壓氣機的流動效率不會出現(xiàn)明顯下降。

圖5 匹配截面上改型前后速度參數(shù)對比圖

3.1.3 極限流線

圖6是對比加級前后，壓氣機各級動靜葉吸力面極限流線圖。從圖中可以很直觀的看出，加級后流場基本與加級前變化不大，甚至流動分離的范圍有所減小，這就在很大程度上保證了新設(shè)計的14級壓氣機流場的穩(wěn)定性。

圖6 匹配點各級動靜葉吸力面極限流線圖

3.2 加級后計算結(jié)果分析

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

圖7 零級動葉進(jìn)出口參數(shù)圖

圖8為零級靜葉進(jìn)出口相對氣流角、進(jìn)出口周向相對速度、進(jìn)出口軸向速度沿徑向分布圖。從圖中可以看出，通過調(diào)整零級靜葉扭曲規(guī)律，使得加零級后零級靜葉出口截面（匹配截面）上出口氣流角和出口周向速度沿徑向分布均勻，但零級靜葉出口軸向速度在端部區(qū)域有所減小。通過加級后流場分析，匹配截面端壁處軸向速度的減小不會對新設(shè)計的14級軸流壓氣機流場帶來明顯惡化，模化加級設(shè)計達(dá)到預(yù)期要求。

圖8 零級靜葉進(jìn)出口參數(shù)圖

4 結(jié)論

本文基于相似準(zhǔn)則，采用數(shù)值模擬的計算方法，成功完成對原13級軸流壓氣機的加零級氣動優(yōu)化設(shè)計，將原13級軸流壓氣機流量提高9.5％、壓比提高18％，并對加級前后，壓氣機的進(jìn)出口相對氣流角、周向速度、軸向速度、特性曲線、極限流線等進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，加零級后新設(shè)計的壓氣機與原13級軸流壓氣機匹配良好，加級后壓氣機性能穩(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.

[2]鄭嚴(yán),龐重義.彈用渦噴（渦扇）發(fā)動機技術(shù)[J].飛機導(dǎo)彈,2001 (12):43-52.

[3]D.E.Brandt.GE Gas Turbine Design Philosophy.GE Power Generation.

[4]R.Wadia,D.P.Wolf,F.G.Haaser.Aerodynamic Design and Testing of an Axial Flow Compressor with Pressure Ratio of 23.3 for the LM2500+Gas Turbine.Jorunal of Turbomachinery.July 2002, Vol.124/331.

[5]王沖,金潔敏，田廣，等.不斷升級改進(jìn)的LM2500燃?xì)廨啓C[J].熱能動力工程,2007(2)：138-141，223.

[6]柯婷鳳,鄭群,明玉周.某三級軸流式低速壓氣機零級氣動優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程學(xué)報,2011,47(6)：160-167.

[7]劉科輝,單鵬,李娜,等.彈用渦噴發(fā)動機加零級壓氣機設(shè)計方法研究[J].航空動力學(xué)報,2006,21(6)：1098-1102.

■

以成熟壓氣機為基礎(chǔ)，通過加零級設(shè)計來增加質(zhì)量流量或提高壓比以得到滿足新要求的壓氣機，可以很大程度上縮短設(shè)計周期、增加設(shè)計可靠性、降低設(shè)計成本。本文在某13級軸流壓氣機基礎(chǔ)上，采用?；恿慵壴O(shè)計方案提高壓比。通過反復(fù)迭代計算確定零級設(shè)計方案，成功地將原13級軸流壓氣機流量提高9.5％、壓比提高18％，加零級后新設(shè)計的壓氣機與原13級軸流壓氣機匹配良好，加級后壓氣機性能穩(wěn)定，改型達(dá)到預(yù)期要求。

軸流壓氣機；模化加級；數(shù)值模擬；匹配；優(yōu)化設(shè)計

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

國家973項目（2012CB720406）；中科院重點部署項目（KGZD-EW-302-3）

*本文其他作者：蘇赫易小蘭譚春青/中國科學(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.