靜葉調(diào)節(jié)對(duì)多級(jí)軸流壓縮機(jī)性能影響的分析

王華強(qiáng) 王英鋒 常煒 梁家豪

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院）

靜葉調(diào)節(jié)對(duì)多級(jí)軸流壓縮機(jī)性能影響的分析

王華強(qiáng) 王英鋒 常煒 梁家豪

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院）

民用多級(jí)軸流壓縮機(jī)產(chǎn)品實(shí)際工作中工況點(diǎn)變化較為顯著，因而需要滿足不同的性能參數(shù)的特點(diǎn)。本文采用CFD方法，以靜葉可調(diào)的15級(jí)壓縮機(jī)為研究對(duì)象，考慮壓縮機(jī)在夏季、冬季以及年平均三種不同條件下的工作環(huán)境，通過(guò)大范圍內(nèi)各級(jí)靜葉角度的調(diào)節(jié)，進(jìn)行全工況特性的數(shù)值模擬，研究靜葉角度的改變對(duì)整臺(tái)壓縮機(jī)性能的影響，校驗(yàn)壓縮機(jī)與實(shí)際工況下工作性能需求的匹配性，并得出相應(yīng)工況點(diǎn)合適的靜葉角度，同時(shí)研究靜葉角度變化對(duì)壓縮機(jī)級(jí)間匹配的影響。

多級(jí)軸流壓縮機(jī)；靜葉角度；數(shù)值模擬；壓縮機(jī)性能；級(jí)間匹配

0 引言

多級(jí)軸流壓縮機(jī)由于壓比大、效率高等特點(diǎn)在航空、船舶、能源、冶金和制藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并有著巨大的市場(chǎng)潛力。軸流壓縮機(jī)普遍存在不同客戶，不同季節(jié)，不同地域的使用環(huán)境的差異性，使壓縮機(jī)的工況存在顯著的差異性，同時(shí)壓縮機(jī)在不同的特定工況對(duì)性能的要求差異十分顯著，針對(duì)某一特定用途設(shè)計(jì)的軸流壓縮機(jī)，需要在各種工況環(huán)境下工作時(shí)快速響應(yīng)的能力。靜葉調(diào)節(jié)作為擴(kuò)大壓縮機(jī)穩(wěn)定范圍十分有效且經(jīng)濟(jì)的手段，研究靜葉調(diào)節(jié)對(duì)軸流壓縮機(jī)性能的影響是至關(guān)重要的。

民用軸流壓縮機(jī)的靜葉角度通常設(shè)計(jì)為可調(diào)的，靜葉角度的調(diào)節(jié)會(huì)改變通道中的通流面積，引起流量的變化，從而影響軸流壓縮機(jī)工作時(shí)的性能參數(shù)[1-2]。民用軸流壓縮機(jī)大部分的工作時(shí)間需要放在非設(shè)計(jì)工況時(shí)工作，且滿足一年四季以及不同地域的使用環(huán)境要求。雖然導(dǎo)靜葉可調(diào)技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，但是針對(duì)民用大型多級(jí)軸流壓縮機(jī)在不同工況環(huán)境下,靜葉調(diào)節(jié)對(duì)性能參數(shù)以及匹配性的影響缺乏更多研究。

本文采用CFD方法以一臺(tái)15級(jí)軸流機(jī)為分析對(duì)象，采用CFD方法對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行非工況下的數(shù)值模擬[3]，結(jié)合所得出不同靜葉角度下的流場(chǎng)參數(shù)及性能曲線，總結(jié)分析靜葉角度對(duì)多級(jí)軸流壓縮機(jī)性能的影響，檢驗(yàn)壓縮機(jī)與實(shí)際變化工況需求的匹配性，確定出適合各工況下的靜葉角度，同時(shí)研究靜葉角度改變對(duì)壓縮機(jī)級(jí)間匹配的影響[4]。

1 研究對(duì)象與計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象

以一臺(tái)15級(jí)民用軸流壓縮機(jī)為研究對(duì)象，帶進(jìn)口導(dǎo)葉一共31排葉片，設(shè)計(jì)開(kāi)度為45°，該型壓縮機(jī)采用等內(nèi)徑設(shè)計(jì)，內(nèi)徑為355mm。葉片均采用NACA-65葉型。進(jìn)口導(dǎo)向器及各級(jí)靜葉片均可聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，末級(jí)靜葉安裝角固定，導(dǎo)葉及各級(jí)靜葉片的安裝角度改變通過(guò)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

研究該軸流壓縮機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下的工作性能，表1給出壓縮機(jī)實(shí)際工作時(shí)需求的參數(shù)列表，各個(gè)工作狀態(tài)對(duì)壓縮機(jī)性能要求有顯著的差異。表2給出了靜葉角度的調(diào)節(jié)規(guī)律，列出了導(dǎo)葉和前4級(jí)靜葉的安裝角度，前面級(jí)靜葉調(diào)節(jié)范圍較大，后面角度變化較小。文中壓縮機(jī)開(kāi)度名以第一級(jí)靜葉安裝角度命名。

表1 壓縮機(jī)實(shí)際工作參數(shù)Tab.1The parameters of axial compressor

表2 各靜葉調(diào)節(jié)方案-壓縮機(jī)部分級(jí)靜葉安裝角度Tab.1Install angle of static blade in different stage for axial compressor

圖1和圖2分別顯示了第一級(jí)靜葉安裝角度為28°和72°兩種狀態(tài)下壓縮機(jī)前四級(jí)葉排的安裝方向示意圖。

圖1 第一級(jí)靜葉角度為28°Fig1.The first stage static blade install angle is 28°

圖2 第一級(jí)靜葉角度為72°Fig2.The first stage static blade install angle is 72°

1.2 計(jì)算方法

以商用CFD軟件Numeca進(jìn)行壓縮機(jī)的流場(chǎng)性能計(jì)算分析[5]。流場(chǎng)計(jì)算控制方程采用雷諾平均的湍流N-S方程，紊流模型為SA單方程模型，壁面邊界采用絕熱無(wú)滑移條件。計(jì)算轉(zhuǎn)速4 600r/min，進(jìn)口邊界條件給定進(jìn)口總溫、總壓和速度方向，進(jìn)口速度方向均為軸向進(jìn)氣，出口邊界設(shè)定出口靜壓，轉(zhuǎn)靜交接面采用混合平面法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)據(jù)傳遞。對(duì)于每條等轉(zhuǎn)速特性線，出口靜壓的設(shè)置均由低到高，直到達(dá)到穩(wěn)定邊界為止。

數(shù)值模擬采用NUMECA FINE軟件包的Euranus求解器，CFL數(shù)為3，采用隱式殘差光順?lè)椒ㄒ约岸嘀鼐W(wǎng)格技術(shù)來(lái)加速收斂過(guò)程。各排葉片的計(jì)算網(wǎng)格為H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每排葉片采用一個(gè)計(jì)算通道，各葉片通道中的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為45（徑向）×77（周向）×77（流向）。葉排間軸向間隙內(nèi)沿軸向的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為42（相鄰兩個(gè)葉排各21）。靜葉片與輪轂間的徑向間隙為1.5mm，間隙區(qū)徑向和周向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)均為9。轉(zhuǎn)子葉片與外機(jī)匣間的徑向間隙為1.5mm，間隙區(qū)徑向和周向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)均為9。單通道網(wǎng)格總量達(dá)43萬(wàn)，數(shù)值計(jì)算模型共31個(gè)計(jì)算通道，網(wǎng)格總量達(dá)1 200萬(wàn)，端壁處進(jìn)行加密。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

針對(duì)開(kāi)度為22°、28°、35°、42°、55°、62°、72°等七種不同靜葉角度調(diào)節(jié)方案，開(kāi)展壓縮機(jī)在夏季、冬季以及年平均三種不同季節(jié)環(huán)境下工作時(shí)的數(shù)值計(jì)算。圖3～圖5給出了相應(yīng)的壓縮機(jī)性能曲線圖，各個(gè)靜葉開(kāi)度的壓縮機(jī)特性。圖中，橫坐標(biāo)為質(zhì)量流量，質(zhì)量流量折合成以Nm3/min為單位的體積流量后的各靜葉開(kāi)度的特性，其中標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況下的氣流密度按1.293kg/m3計(jì)算。流量折合是將質(zhì)量流量折合成標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況下的體積流量，縱坐標(biāo)分別為出口總壓和等熵效率。

由圖3～圖5可知由于該15級(jí)軸流壓縮機(jī)級(jí)數(shù)較多，每條特性線流量變化范圍都很小，這與該軸流壓縮機(jī)在特定的工作任務(wù)中提供穩(wěn)定供氣流量的工作有關(guān)?？梢钥闯鲈诟鞣N靜葉調(diào)節(jié)方案中，都是冬季流量最大，夏季流量最小。這是因?yàn)樵诙镜墓ぷ鳁l件下，進(jìn)口壓力高，進(jìn)口溫度低，從而造成進(jìn)口氣流密度大，因而在相同的抽吸氣能力下供氣的質(zhì)量流量也大。相反，夏季進(jìn)口壓力低、進(jìn)口溫度高，進(jìn)口氣流密度也就小，因而質(zhì)量流量小。

圖3 壓縮機(jī)夏季各靜葉開(kāi)度下的特性Fig3.The characteristus of compressor under different static blade install angle in summer

從圖3～圖5中還可以看出，無(wú)論是在夏季、冬季還是年平均的工作條件下，當(dāng)增大靜葉角度時(shí)，流量增大同樣明顯。從圖1和圖2可知，靜葉開(kāi)度越大，靜葉通道中的流通面積越大，因而通流能力強(qiáng)，流量大；相反，在小開(kāi)度下，靜葉通道中的流通面積小，從而限制了總體流量，因而流量也就小。因此壓縮機(jī)可以通過(guò)靜葉角度的改變控制流量。另外，當(dāng)減小靜葉角度時(shí)壓縮機(jī)所能達(dá)到的最大增壓比顯著低于大開(kāi)度時(shí)。這與靜葉的節(jié)流作用有關(guān)。

圖4 壓縮機(jī)冬季各靜葉開(kāi)度下的特性Fig4.The characteristus of compressor under different static blade install angle in winter

從圖3可知，夏季靜葉開(kāi)度為72°時(shí)可滿足表1中的夏季A工況點(diǎn)的流量和壓比要求。由4可知，冬季靜葉采用35°～42°的某個(gè)開(kāi)度時(shí)可滿足表1中冬季C工況點(diǎn)的流量和壓比需求；而靜葉開(kāi)度略大于28°可滿足B點(diǎn)的流量和壓比要求。從圖5可知，在年平均的工作條件下，靜葉開(kāi)度接近62°時(shí)可滿足D工況點(diǎn)的流量和壓比要求。

表3給出了壓縮機(jī)各工況下的穩(wěn)定裕度。該民用壓縮機(jī)以供氣流量和壓力為技術(shù)指標(biāo)，因此穩(wěn)定裕度按等流量定義，即以相同流量下最高壓比與工況點(diǎn)壓比的相對(duì)差值作為穩(wěn)定裕度，定義式如下：

圖5 壓縮機(jī)年平均各靜葉開(kāi)度下的特性Fig5.The aunual average characteristus of compressor in different static blade install angle

表3 壓縮機(jī)各工作狀態(tài)下的穩(wěn)定裕度Tab.3The stablity margin of compressor in different conditions

壓縮機(jī)在各工況點(diǎn)都有較大的穩(wěn)定裕度。對(duì)于工作條件和工況變化較大的壓縮機(jī)，通常要求有較大的穩(wěn)定裕度。燃?xì)廨啓C(jī)上采用的多級(jí)軸流壓氣機(jī)，通常會(huì)預(yù)留15%以上的穩(wěn)定裕度，尤其是工作范圍很寬廣的航空燃?xì)廨啓C(jī)，預(yù)留的壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度更是高達(dá)20%～25%。因此壓縮機(jī)的穩(wěn)定裕度是符合民用環(huán)境下的工作條件。

該型壓縮機(jī)對(duì)流量的調(diào)節(jié)主要取決于第一級(jí)靜葉的安裝角度，另外第二級(jí)和第三級(jí)靜葉的安裝角度也對(duì)流量有較大影響；其他各級(jí)的靜壓角度調(diào)節(jié)主要是為了保證其下游相鄰級(jí)轉(zhuǎn)子在不同流量下均有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子攻角，維持較好地流動(dòng)狀態(tài)，以獲得較高的壓縮效率。在不同季節(jié)工作環(huán)境下調(diào)節(jié)靜葉安裝角度，大型多級(jí)軸流壓縮機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)不同的工況要求，以此滿足不同地域、不同季節(jié)的穩(wěn)定高效工作時(shí)的性能參數(shù)要求，具體反映在特性圖上。

3 靜葉角度調(diào)節(jié)對(duì)壓縮機(jī)匹配特性影響的分析

圖6～圖9是壓縮機(jī)在35°到72°的五個(gè)開(kāi)度下最高效率點(diǎn)時(shí)的級(jí)間匹配特性圖。從圖中可以看出各種靜葉角度方案下的級(jí)匹配特性具有一定的類似性。各級(jí)壓比、加工量以及反力度均隨著靜葉角度的增大而增大。從圖6可以看出，各級(jí)級(jí)壓比分布趨勢(shì)與加工量分配趨勢(shì)是一致的，前面三級(jí)增大，后面級(jí)基逐級(jí)減小，第三級(jí)和第四級(jí)葉排壓比在靜葉安裝角度增大時(shí)有所增加，其余各級(jí)壓比變化不大。從圖8中看出，55°時(shí)除第一級(jí)葉排外各級(jí)效率最高，此時(shí)級(jí)間匹配達(dá)到最佳效果，各級(jí)壓比也較高，但是第一級(jí)葉排效率過(guò)低，從圖10也可以看出，這是由55°時(shí)第一級(jí)動(dòng)葉進(jìn)氣角過(guò)大導(dǎo)致的。此時(shí)隨著靜葉角度的增大或減小，各級(jí)葉排的效率會(huì)逐漸降低，當(dāng)靜葉角度增大到72°時(shí)，此時(shí)壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)已出現(xiàn)明顯的惡化。從圖7和圖9中看出，加工量和反力度在靜葉角度的增大時(shí)增加效果明顯，這是因?yàn)殡S著靜葉角度的增大，流量增加十分顯著的原因引起的。壓縮機(jī)各級(jí)葉排最大反力度均出現(xiàn)在第4級(jí)，說(shuō)明在最初設(shè)計(jì)時(shí)第四級(jí)轉(zhuǎn)子分配較多的做功任務(wù)。

氣流角是分析級(jí)匹配流動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)，進(jìn)口導(dǎo)向器用來(lái)使氣流產(chǎn)生的預(yù)選。靜葉角度的調(diào)節(jié)，改變各級(jí)動(dòng)葉的進(jìn)氣角，影響動(dòng)葉對(duì)流體的做功效果，從而決定各級(jí)葉排的效率。由圖6和圖9知，前面六級(jí)葉排特性在靜葉角度調(diào)節(jié)時(shí)變化明顯，圖10和圖11是靜葉角度調(diào)節(jié)時(shí)壓縮機(jī)前六級(jí)動(dòng)葉的相對(duì)進(jìn)氣角及靜葉的絕對(duì)出氣角對(duì)比圖，這里的角度是指軸向夾角。

圖6 各級(jí)總壓比分布Fig.6The total pressure distribution of every stages

圖7 各級(jí)加工量分布Fig.7The amount of machining of different stages

圖8 各級(jí)絕熱效率分布Fig.8The absolute effiency distribution of different stages

圖9 各級(jí)反力度分布Fig.9The reverse force distribution of stages different

在各排靜葉的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)中，前面級(jí)靜葉角度調(diào)節(jié)范圍大，而中間和后面級(jí)靜葉角度調(diào)節(jié)范圍小。這就使得，前面級(jí)在不同靜葉開(kāi)度時(shí)級(jí)加功量和級(jí)壓比變化大，而中間和后面級(jí)在不同開(kāi)度時(shí)級(jí)加功量和級(jí)壓比變化小。為了獲得較高的總體效率，中間和后面級(jí)的級(jí)加功量和級(jí)壓比設(shè)計(jì)得均不大，這也是民用壓縮機(jī)中常用的通過(guò)增加級(jí)數(shù)來(lái)獲得較高效率、降低設(shè)計(jì)難度的常用設(shè)計(jì)思路。分析靜葉角度變化對(duì)壓縮機(jī)級(jí)匹配的影響[6]，進(jìn)一步確保壓縮機(jī)工作在最有利的條件。

圖11 靜葉出口絕對(duì)氣流角Fig.12Absolute air angle of static blade in outlot

4 CFD方法精度分析

CFD方法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于葉輪機(jī)械的流場(chǎng)和特性分析。然而，對(duì)于CFD方法計(jì)算結(jié)果可信度和精度的校驗(yàn)卻并不多而且很不全面?；旧?，除了CFD方法投入應(yīng)用的初期進(jìn)行的一些經(jīng)典的諸如平板剪切流、管流、孤立翼型擾流等簡(jiǎn)單流動(dòng)校驗(yàn)外，其他的更復(fù)雜流動(dòng)的校驗(yàn)就很難找到了，對(duì)于葉輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算結(jié)果的校驗(yàn)更是難以找到有權(quán)威性的定量數(shù)據(jù)。

下面通過(guò)四級(jí)低速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)的特性計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，圖12中僅給出設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速處的計(jì)算結(jié)果。由圖可知在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，特性的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合很好——設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比相對(duì)誤差僅為-0.37%，效率相對(duì)誤差為2.35%。

圖12 四級(jí)低速軸流壓氣機(jī)特性計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.12Comparison of calculation and experiment performance result of low velocity compressor with four stages

5 結(jié)論

由于靜葉安裝角度的調(diào)節(jié)影響軸流壓縮機(jī)的流通面積以及級(jí)間匹配關(guān)系，使壓縮機(jī)壓比、流量等性能參數(shù)滿足更大的范圍，在特定工作狀態(tài)下的性能要求，保持在寬廣的非設(shè)計(jì)工況范圍內(nèi)穩(wěn)定高效的工作。通過(guò)靜葉角度調(diào)節(jié)對(duì)壓縮機(jī)性能的影響的研究[7-8]，選擇出最有利的工作條件和最佳調(diào)節(jié)方案，改善軸流壓縮機(jī)的性能以及工作范圍。在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，不僅要了解壓縮機(jī)高效穩(wěn)定的工作范圍，而且要充分滿足壓縮機(jī)的工況點(diǎn)要求。

本文對(duì)民用壓縮機(jī)產(chǎn)品的研究?jī)H僅在于探討靜葉安裝角度聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)工作性能參數(shù)的影響，以及靜葉角度調(diào)節(jié)對(duì)壓縮機(jī)級(jí)間匹配特性的影響，通過(guò)靜葉角度調(diào)節(jié)優(yōu)化壓縮機(jī)工作性能。然而壓縮機(jī)各級(jí)葉排之間的匹配效果并未全都達(dá)到最佳效果，從前面級(jí)以及末級(jí)靜葉處的匹配特性可以看出，通過(guò)研究前面單個(gè)靜葉角度的優(yōu)化計(jì)算[9]，還可進(jìn)一步優(yōu)化壓縮機(jī)的工作性能。

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The Effect of Variable Static Blade Adjustable on Multistage Axial Compressor Performance

Hua-qiang WangYing-feng WangWei ChangJia-Hao Liang
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics）

The multistage axial compressor should reach the performance requirements of different work conditions.A 15 stages axial compressor with static blade adjustable running under full working condition was numerical simulated in summer,winter and annual average three conditions which aim at research the influence of static blade angle on the axial compressor performance.According to analyze the matching of compressor performance and real condition requirements,the best static blade angle corresponding to its working condition was be chosen.The influence of varies of static blade angle on the compressor stages matching was also be analyzed.

multistage axial compressor,static blade angle,numerical simulation,compressor performance,stage matching

TH453；TK05

1006-8155-(2017)03-0008-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0002

2016-09-20江蘇南京210016