4級(jí)重復(fù)級(jí)低速模擬壓氣機(jī)的試驗(yàn)與計(jì)算

劉寶杰 ，張 帥 ，于賢君

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院北京100191；2.北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國(guó)防重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100191；3.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191）

0 引言

高壓壓氣機(jī)的研制一直是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]。在當(dāng)前的設(shè)計(jì)體系下，高性能高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)很大程度上依賴于對(duì)其內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，由于受其轉(zhuǎn)速高、葉片相對(duì)尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊以及高溫高壓的環(huán)境、昂貴的試驗(yàn)費(fèi)用等的限制，采用常規(guī)方法很難詳細(xì)測(cè)量高壓壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)。這也直接限制了壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系的發(fā)展和完善。

20世紀(jì)70年代中后期發(fā)展起來(lái)的低速模擬試驗(yàn)研究技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在低速環(huán)境下模擬高壓壓氣機(jī)后面級(jí)高速環(huán)境流動(dòng)，試驗(yàn)成本大大降低，而且便于進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)的詳細(xì)測(cè)量。D.C.Wisler等[2-3]最早在GE公司E3計(jì)劃支持下，首次提出保持雷諾數(shù)、稠度、葉表無(wú)量綱速度分布等參數(shù)相同的低速模型，建立了4級(jí)重復(fù)級(jí)低速大尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)并以此為依托發(fā)展了定制裁剪葉型和3維造型技術(shù)；PW公司[4-5]、NASA[6]以及RR公司聯(lián)合Cambridge大學(xué)和Cranfield大學(xué)[7-9]等，也開(kāi)展了低速模擬技術(shù)的研究。低速模擬技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)20世紀(jì)七八十年代壓氣機(jī)設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步提供了關(guān)鍵支持[10]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于低速模擬試驗(yàn)技術(shù)也做了大量工作，北京航空航天大學(xué)在20世紀(jì)80年代建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)低速大尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[11]，并研發(fā)了1整套轉(zhuǎn)子流場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)；南京航空航天大學(xué)在2010年前后，按照GE公司的思路建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)4級(jí)重復(fù)級(jí)低速大尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[12]，并發(fā)展了相關(guān)的試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)[13]；中科院工程熱物理所在近年也進(jìn)行了低速模擬技術(shù)的研究并設(shè)計(jì)和建造了低速大尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[14]；上海交通大學(xué)和中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所合作開(kāi)展了高壓壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)低速模擬設(shè)計(jì)的數(shù)值分析[15]。國(guó)內(nèi)對(duì)于壓氣機(jī)低速模擬技術(shù)的發(fā)展比國(guó)外落后一些，除了需要建立完備的低速模擬技術(shù)設(shè)計(jì)體系外，完善準(zhǔn)確的試驗(yàn)測(cè)量也迫在眉睫。此外，當(dāng)前對(duì)于壓氣機(jī)設(shè)計(jì)人員而言，在對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行最終試驗(yàn)驗(yàn)證前往往通過(guò)商用軟件校核，但數(shù)值模擬軟件的可靠性有待商榷，而完整的低速模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了軟件校核的細(xì)致數(shù)據(jù)。

本文在北京航空航天大學(xué)新建立的4級(jí)重復(fù)級(jí)低速模擬壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[16]上搭建了全面的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)做了細(xì)致測(cè)量，同時(shí)應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)常用的數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了校驗(yàn)分析。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

為了系統(tǒng)地開(kāi)展4級(jí)重復(fù)級(jí)低速模擬研究，于賢君、劉寶杰等完成了模擬某先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)后面級(jí)典型流動(dòng)的氣動(dòng)方案設(shè)計(jì)[16]的同時(shí)，與某研究所共同完成了4級(jí)重復(fù)級(jí)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工和裝配以及試驗(yàn)測(cè)量。試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)由導(dǎo)葉和4級(jí)幾何參數(shù)相同的葉片組成，試驗(yàn)葉片加工采用樹(shù)脂加玻璃纖維強(qiáng)化的方式，試驗(yàn)臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱4Stages）的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)測(cè)量方案

本文系統(tǒng)測(cè)量了4級(jí)重復(fù)級(jí)壓氣機(jī)的特性、級(jí)間氣動(dòng)參數(shù)的展向分布以及靜子后的流場(chǎng)。試驗(yàn)臺(tái)的所有測(cè)量截面如圖2所示。

圖1 4級(jí)重復(fù)級(jí)低速模擬壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)模型

表1 4級(jí)重復(fù)級(jí)低速模擬壓氣機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 4級(jí)重復(fù)級(jí)測(cè)量截面

本文測(cè)量的壓氣機(jī)的特性是總壓升系數(shù)和效率隨流量系數(shù)的變化曲線，通過(guò)調(diào)節(jié)壓氣機(jī)出口機(jī)械閥門的開(kāi)度來(lái)控制壓氣機(jī)的流量狀態(tài)。為了測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的流量系數(shù)，通過(guò)在進(jìn)口Inlet截面均勻布置的4個(gè)壁面靜壓孔測(cè)量到的平均靜壓Ps,in，結(jié)合通過(guò)振筒氣壓計(jì)和高精度溫度傳感器測(cè)量的壓氣機(jī)進(jìn)口的大氣壓強(qiáng) Pt,in和溫度 Tt,in，通過(guò)式（1）求得

式中：Umid為轉(zhuǎn)子葉中切線速度。

總壓升系數(shù)定義為

式中：Pt,ave為試驗(yàn)臺(tái)出口截面的平均總壓，通過(guò)在出口截面布置的8個(gè)總壓耙通過(guò)面積加權(quán)的方式求得。

本文測(cè)量的壓氣機(jī)效率為扭矩效率

式中：π為壓氣機(jī)壓比；Win為壓氣機(jī)進(jìn)口物理流量；n為物理轉(zhuǎn)速；k為定比熱；R為氣體參數(shù)；M為扭矩。

本文通過(guò)控制位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)5孔氣動(dòng)探針移動(dòng)到待測(cè)點(diǎn)，并設(shè)置等待時(shí)間，待流場(chǎng)穩(wěn)定后采集5個(gè)孔壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲取級(jí)間各截面的氣動(dòng)參數(shù)，5孔針數(shù)據(jù)處理方法見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。測(cè)量用的5孔探針?lè)糯笳掌娃D(zhuǎn)子后測(cè)量用的位移機(jī)構(gòu)如圖3所示，轉(zhuǎn)子后測(cè)點(diǎn)沿徑向的布置如圖4所示。近機(jī)匣第1個(gè)測(cè)點(diǎn)距離機(jī)匣2 mm，近輪轂第1個(gè)測(cè)點(diǎn)距離輪轂3 mm，主流區(qū)域的測(cè)點(diǎn)間隔約5%葉高，在葉根和葉尖區(qū)域加密，共布置24個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖3 試驗(yàn)用5孔探針?lè)糯蠹稗D(zhuǎn)子后測(cè)量用位移機(jī)構(gòu)

圖4 轉(zhuǎn)子后測(cè)點(diǎn)沿徑向的布置

靜子后的流場(chǎng)測(cè)量采用2維位移機(jī)構(gòu)控制5孔探針掃描靜子出口扇形截面的方式進(jìn)行。靜子后測(cè)量用的位移機(jī)構(gòu)和測(cè)量網(wǎng)格如圖5所示。測(cè)量節(jié)點(diǎn)共18×17（306）個(gè)，覆蓋了1.1倍靜子周期，并在尾跡區(qū)域和端壁進(jìn)行加密。與輪轂最近的測(cè)點(diǎn)距離為4 mm，與機(jī)匣最近的測(cè)點(diǎn)距離為2 mm。靜子出口氣動(dòng)參數(shù)的展向分布通過(guò)相同半徑的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)得到。

1.3 5孔針重復(fù)性測(cè)量和精度

為了考察5孔探針測(cè)量的重復(fù)性，對(duì)第2級(jí)轉(zhuǎn)子（R2）后的設(shè)計(jì)狀態(tài)（流量系數(shù)為0.62）和第2級(jí)靜子（S2）后的堵塞狀態(tài)（流量系數(shù)為0.68）進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。第2級(jí)轉(zhuǎn)子后氣流角和流量系數(shù)（Vz/Umid）沿展向分布的對(duì)比如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，前后2次試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有高度的一致性。

圖5 靜子后測(cè)量用位移機(jī)構(gòu)及測(cè)量網(wǎng)格

圖6 設(shè)計(jì)狀態(tài)下第2級(jí)轉(zhuǎn)子展向分布的重復(fù)性對(duì)比

圖7 堵塞狀態(tài)下第2級(jí)靜子展向分布的重復(fù)性對(duì)比

堵塞狀態(tài)（流量系數(shù)為0.68）下第2級(jí)靜子后氣流角和流量系數(shù)展向參數(shù)以及流場(chǎng)的重復(fù)性對(duì)比如圖7、8所示。從圖中可見(jiàn)，靜子出口流場(chǎng)周期性良好，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)參數(shù)展向分布都具有很強(qiáng)的重復(fù)性。5孔針測(cè)量的精度見(jiàn)表2。

圖8 堵塞狀態(tài)下第2級(jí)靜子后無(wú)量綱軸向速度重復(fù)性對(duì)比

表2 5孔針測(cè)量精度

圖9 數(shù)值模擬采用的計(jì)算網(wǎng)格

2 數(shù)值模擬方法

當(dāng)前的設(shè)計(jì)體系的初步方案校驗(yàn)主要采用3維數(shù)值模擬軟件。本文利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)了3種常用的計(jì)算程序：Turbo程序和商用軟件CFX、Numeca。

Turbo程序最初由Denton[18]開(kāi)發(fā)，湍流效應(yīng)通過(guò)采用混合長(zhǎng)度模型考慮，氣體的黏性通過(guò)薄剪切層近似模擬，計(jì)算程序可以實(shí)現(xiàn)在可接受的精度下盡量占用少的計(jì)算資源，迅速得到計(jì)算結(jié)果，從而幫助設(shè)計(jì)者很快地調(diào)整設(shè)計(jì)方案。本文采用的計(jì)算程序是劉寶杰等[19]通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)結(jié)果校驗(yàn)改進(jìn)的版本TURBO-N7。Turbo采用簡(jiǎn)單的H型網(wǎng)格，如圖9上圖所示。這里只給出導(dǎo)葉和第1級(jí)網(wǎng)格，因?yàn)楹竺?級(jí)網(wǎng)格與第1級(jí)網(wǎng)格參數(shù)完全一致，IGV網(wǎng)格塊在流向、周向和徑向分別有175、37和45個(gè)節(jié)點(diǎn)，Stator和Rotor的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)是138、37和45個(gè)，第4級(jí)靜子的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為178、37和45個(gè)。計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約217.1萬(wàn)。網(wǎng)格在壁面進(jìn)行適當(dāng)加密y+=11左右，以滿足湍流模型的計(jì)算要求。

CFX與Numeca計(jì)算采用同一套網(wǎng)格，如圖9的下圖所示。使用Autogrid5模塊生成，葉片主流通道采用典型的O6H型網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，間隙內(nèi)采用OH蝶型網(wǎng)格，從而保證網(wǎng)格的正交性，同時(shí)在葉片前尾緣、葉片表面、間隙、壁面適當(dāng)加密，網(wǎng)格的Y+絕大部分控制在1左右，總網(wǎng)格數(shù)為767萬(wàn)，保證了對(duì)流場(chǎng)特征的捕捉。Numeca計(jì)算采用S-A湍流模型，CFX采用kω湍流模型。

3個(gè)計(jì)算程序的計(jì)算求解都是給定了進(jìn)口的總壓、總溫和氣流角，計(jì)算域出口給定的是反壓。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓氣機(jī)特性

試驗(yàn)測(cè)量得到的壓氣機(jī)特性如圖10所示。設(shè)計(jì)點(diǎn)流量系數(shù)為0.62，效率為88.7%，總壓升系數(shù)為3.06，峰值效率約89%，綜合裕度為39.04%，這些性能指標(biāo)對(duì)于當(dāng)前的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)水平來(lái)說(shuō)具有典型性，并且具有較高水平，證明該低速模擬壓氣機(jī)的高壓原型同樣具有良好的性能指標(biāo)。本文沿特性線選取4個(gè)狀態(tài)點(diǎn)分別為近堵點(diǎn)（NC）、設(shè)計(jì)點(diǎn)（DE）、中間狀態(tài)點(diǎn)（MID）和近失速點(diǎn)（NS），流量系數(shù)分別對(duì)應(yīng)0.68、0.62、0.54、0.46，進(jìn)行級(jí)間參數(shù)和流場(chǎng)的測(cè)量。

圖10 4級(jí)重復(fù)級(jí)試驗(yàn)特性

3.2 展向氣動(dòng)參數(shù)分布

各級(jí)轉(zhuǎn)子出口流量系數(shù)展向分布在4個(gè)流動(dòng)狀態(tài)下的對(duì)比如圖11所示。首先在NC和DE流量較大的狀態(tài)下第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖區(qū)域的端壁堵塞較弱，出口流量的展向分布比較均勻，經(jīng)過(guò)第1級(jí)的充分發(fā)展后端壁的流通能力在第2～4級(jí)轉(zhuǎn)子出截面尖部區(qū)域基本相似；在MID和NS流量較小的狀態(tài)下，4級(jí)轉(zhuǎn)子出口端壁的流通能力基本相當(dāng)；在所有工況下，4級(jí)轉(zhuǎn)子的根部流通能力逐漸降低。盡管各級(jí)轉(zhuǎn)子的流量展向分布有些許差異，但是總體來(lái)看，在所有工況下，第2～4級(jí)轉(zhuǎn)子出口的流量沿展向的分布非常近似。第2～4級(jí)轉(zhuǎn)子的氣流折轉(zhuǎn)角（如圖12所示）和D因子（如圖13所示）的展向分布也是一致的，說(shuō)明2～4級(jí)轉(zhuǎn)子內(nèi)的流動(dòng)也基本一致。

圖11 不同流量狀態(tài)下各級(jí)轉(zhuǎn)子出口流量系數(shù)展向分布對(duì)比

圖12 不同流量狀態(tài)下各級(jí)轉(zhuǎn)子氣流折轉(zhuǎn)角展向分布對(duì)比

圖13 不同流量狀態(tài)下各級(jí)轉(zhuǎn)子D因子展向分布對(duì)比

前3級(jí)靜子在機(jī)匣輪轂處都沒(méi)有間隙，第4級(jí)靜子是懸臂安裝，在輪轂一側(cè)有1 mm的間隙。所以由流量展向分布來(lái)看，4個(gè)狀態(tài)下第4級(jí)靜子根部的流通能力較弱，這是由于泄漏造成的。不同流量狀態(tài)下各級(jí)靜子出口流量系數(shù)、D因子展向分布對(duì)比分別如圖14、15所示。從圖中可見(jiàn)，第2、3級(jí)靜子出口截面流量的展向分布有很高的一致性，靜子D因子沿展向的分布也是相同的規(guī)律，第2、3級(jí)靜子基本一致。結(jié)合轉(zhuǎn)子的流動(dòng)特點(diǎn)，本文的4級(jí)重復(fù)級(jí)在第2、3級(jí)流場(chǎng)有很好的重復(fù)性。

圖14 不同流量狀態(tài)下各級(jí)靜子出口流量系數(shù)展向分布對(duì)比

圖15 不同流量狀態(tài)下各級(jí)靜子D因子展向分布對(duì)比

圖16 近堵點(diǎn)各級(jí)靜子出口無(wú)量綱軸向速度

3.3 靜子出口流場(chǎng)

4種狀態(tài)下各級(jí)靜子出口的流場(chǎng)如圖16～19所示。在每個(gè)流動(dòng)狀態(tài)都清晰可見(jiàn)，第4級(jí)靜子葉根間隙泄漏所形成流動(dòng)堵塞，在每個(gè)狀態(tài)下靜子出口流場(chǎng)結(jié)構(gòu)清晰可辨且結(jié)構(gòu)比較一致；隨著流量系數(shù)的減小，靜子的尾跡均勻增厚，但是并未發(fā)生明顯的角區(qū)分離，可以看出本文4級(jí)重復(fù)級(jí)壓氣機(jī)靜子的流場(chǎng)組織合理，是比較理想的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)，也是高效率高壓壓氣機(jī)的必要特征。

圖17 設(shè)計(jì)點(diǎn)各級(jí)靜子出口無(wú)量綱軸向速度

圖18 中間狀態(tài)點(diǎn)各級(jí)靜子出口無(wú)量綱軸向速度

圖19 近失速點(diǎn)各級(jí)靜子出口無(wú)量綱軸向速度

3.4 低速模擬與高速原型對(duì)比

4級(jí)重復(fù)級(jí)第3級(jí)轉(zhuǎn)靜子進(jìn)、出口的氣流角與高速原型的對(duì)比如圖20所示。從圖中可見(jiàn)，轉(zhuǎn)靜子的進(jìn)口氣流角比較吻合，出口氣流角有所偏差，但是分布規(guī)律較相似，這個(gè)偏差是由于低速情況下氣流是不可壓的，增加氣流的折轉(zhuǎn)來(lái)補(bǔ)償高速氣流的壓縮性造成的。

圖20 低速模擬試驗(yàn)進(jìn)、出口氣流角與高速原型對(duì)比

圖21 低速模擬試驗(yàn)轉(zhuǎn)、靜子D因子與高速原型對(duì)比

4級(jí)重復(fù)級(jí)第3級(jí)轉(zhuǎn)靜子D因子與高速原型的對(duì)比如圖21所示。從圖中可見(jiàn)，轉(zhuǎn)靜子的D因子與原型的分布規(guī)律基本相似，低速模擬試驗(yàn)結(jié)果D因子稍偏大。總體來(lái)看重復(fù)級(jí)的設(shè)計(jì)較好地模擬出高壓原型的氣動(dòng)參數(shù)的分布情況，其負(fù)荷水平和內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn)相對(duì)于當(dāng)前的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)水平來(lái)說(shuō)具有典型性。

綜上所述，4級(jí)重復(fù)級(jí)試驗(yàn)臺(tái)是為了研究高壓壓氣機(jī)后面級(jí)中的復(fù)雜流動(dòng)，導(dǎo)葉的作用是為了給定下游轉(zhuǎn)子的工作條件，前2級(jí)是最為重要的試驗(yàn)研究級(jí)，第4級(jí)是為了提供下游流場(chǎng)環(huán)境，減少設(shè)計(jì)和加工成本，通常選用重復(fù)級(jí)的形式。重復(fù)級(jí)最為核心的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在合適的雷諾數(shù)和馬赫數(shù)條件下，保證進(jìn)口來(lái)流條件相似的情況下，保證壓氣機(jī)級(jí)的進(jìn)出口氣流角和擴(kuò)散因子等氣動(dòng)參數(shù)相似。在保證上述相關(guān)參數(shù)相似的情況下，其它氣動(dòng)參數(shù)基本相似。需要指出的是，這里無(wú)法保證速度三角形完全相同，只能保證級(jí)進(jìn)出口氣流角相同。為了保證負(fù)荷相似，葉片的彎角增大，因此轉(zhuǎn)子/靜子的出口/進(jìn)口氣流角必然不同，但這種不同是可以預(yù)知的，并且只有這樣才能保證高速和低速情況的流動(dòng)基本相似。

圖22 4級(jí)重復(fù)級(jí)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的特性對(duì)比

4 數(shù)值軟件的校驗(yàn)

4.1 特性

3維數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)特性的對(duì)比如圖22所示。從圖中可見(jiàn)，對(duì)于效率特性，在大流量狀態(tài)下，CFX、Numeca計(jì)算值比較吻合，Turbo計(jì)算值偏低；在小流量狀態(tài)下只有Numeca計(jì)算值相差較小，CFX計(jì)算的效率整體趨勢(shì)比較吻合，但是效率預(yù)估的太過(guò)理想，Turbo計(jì)算值也偏理想。對(duì)于總壓升特性，在大流量狀態(tài)下，Turbo和Numeca計(jì)算值比較吻合，但CFX計(jì)算值偏小；在小流量狀態(tài)下，與試驗(yàn)值相比，3種軟件計(jì)算值都偏高，Numeca計(jì)算值偏離得最遠(yuǎn)，CFX的最接近，Turbo的居中。3種計(jì)算軟件在試驗(yàn)的近失速狀態(tài)的算例均不能收斂，Numeca計(jì)算得到的穩(wěn)定工作的流量范圍最窄，Turbo的稍有增加，CFX計(jì)算的穩(wěn)定工作的流量范圍最寬但距離試驗(yàn)值還有一定差距。計(jì)算得到的重復(fù)級(jí)的綜合裕度，Numeca的最低為21.47%，Turbo和CFX的相當(dāng)，分別為 31.17%和32.94%，但是均比試驗(yàn)值39.04%的低。

由于是重復(fù)級(jí)設(shè)計(jì)，由前述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，實(shí)際上各級(jí)的工作狀態(tài)基本相似，在中間狀態(tài)下Numeca和CFX計(jì)算的單級(jí)特性對(duì)比如圖23所示。相對(duì)于Numeca而言，CFX計(jì)算的總特性效率偏高、總壓升偏低的特點(diǎn)在每一級(jí)呈現(xiàn)相同的規(guī)律。下面進(jìn)行第3級(jí)在設(shè)計(jì)狀態(tài)和中間狀態(tài)下氣動(dòng)參數(shù)展向分布和流場(chǎng)的3種軟件計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析。

圖23 中間狀態(tài)下單級(jí)特性Numeca與CFX計(jì)算值對(duì)比

圖24 設(shè)計(jì)狀態(tài)下展向參數(shù)對(duì)比

4.2 設(shè)計(jì)狀態(tài)

從圖22中可知，在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的壓氣機(jī)總壓升特性，Turbo計(jì)算值與試驗(yàn)值相近，CFX的偏小，Numeca的偏大。轉(zhuǎn)子的總壓升系數(shù)展向分布及靜子的損失沿展向分布的對(duì)比如圖24所示。從圖中可見(jiàn)，對(duì)于轉(zhuǎn)子總壓升系數(shù)，Numeca計(jì)算值比試驗(yàn)值整體偏高，靜子的損失水平相當(dāng)；而Turbo轉(zhuǎn)子總壓升系數(shù)計(jì)算值在尖部比試驗(yàn)值低，但靜子在尖部的總壓損失也比試驗(yàn)值低，所以總壓升特性與試驗(yàn)值相近；而CFX計(jì)算的轉(zhuǎn)子總壓升偏小，靜子損失水平基本相當(dāng)，故而計(jì)算得到的總壓升特性比試驗(yàn)值偏低。

在亞聲速轉(zhuǎn)子中，轉(zhuǎn)子的總壓升與氣流的折轉(zhuǎn)角成正比，計(jì)算和試驗(yàn)得到的轉(zhuǎn)子攻角、落后角沿展向分布的對(duì)比如圖25所示，在設(shè)計(jì)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子效率和轉(zhuǎn)子氣流折轉(zhuǎn)角的展向分布對(duì)比如圖26所示。從圖中可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子攻角落后角計(jì)算值比試驗(yàn)值都有不同程度的偏差，Numeca計(jì)算值最接近，但是根部氣流折轉(zhuǎn)角比試驗(yàn)值大，CFX與Turbo計(jì)算值相當(dāng)?shù)仍囼?yàn)值偏小。也就是說(shuō)轉(zhuǎn)子壓升系數(shù)的差異本質(zhì)上是由于數(shù)值模擬軟件對(duì)于落后角計(jì)算的偏差使得葉片的工作狀態(tài)與實(shí)際工作狀態(tài)不一致造成的。

圖25 設(shè)計(jì)狀態(tài)下試驗(yàn)值和計(jì)算值對(duì)比

圖26 設(shè)計(jì)狀態(tài)下展向分布對(duì)比

對(duì)于在設(shè)計(jì)狀態(tài)下壓氣機(jī)的效率特性，CFX計(jì)算值與試驗(yàn)值較接近，Numeca和Turbo計(jì)算值偏低，由于試驗(yàn)沒(méi)有得到轉(zhuǎn)子效率的展向分布，這里只給出3種軟件得到的轉(zhuǎn)子效率展向分布對(duì)比（圖26左圖），效率的差異主要集中在葉尖區(qū)域，Turbo計(jì)算的損失最大，Numeca的次之，CFX計(jì)算的尖區(qū)損失最小效率最高，正好與特性線上Turbo的最低，CFX的最高的計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)。尖區(qū)效率不一致反映了各軟件對(duì)于葉尖泄漏渦的模擬存在差異。

4.3 中間狀態(tài)

在中間狀態(tài)下轉(zhuǎn)子總壓升系數(shù)和靜子損失展向參數(shù)對(duì)比如圖27所示。從圖中可見(jiàn)，對(duì)于在中間狀態(tài)下的壓氣機(jī)總壓升特性，3種軟件計(jì)算值都偏高（圖27左圖），Numeca的最高，Turbo的次之。對(duì)于總壓升系數(shù)，Numeca計(jì)算值明顯偏高，CFX的稍高，Turbo的主流和根部稍高，70%～90%葉高偏低；但是對(duì)于靜子的總壓損失（圖27右圖），Turbo計(jì)算值明顯偏低，所以總壓升比試驗(yàn)值高，Numeca計(jì)算的根部損失偏大，尖部偏小，綜合起來(lái)壓氣機(jī)總壓升特性偏高，CFX計(jì)算值也呈相同的規(guī)律，只是偏高的程度沒(méi)有Numeca的大。對(duì)比DE和MID2種狀態(tài)下轉(zhuǎn)子總壓升系數(shù)展向分布的差別可見(jiàn)，隨著流量的減小，CFD計(jì)算的總壓升的增大程度要比試驗(yàn)值的增大程度大，也意味著轉(zhuǎn)子的負(fù)荷隨流量的減小增大得較快，這也是流量邊界估計(jì)不準(zhǔn)的原因。由于Numeca計(jì)算的負(fù)荷在相同的流量系數(shù)下最大，所以Numeca失速邊界的流量最大，CFX與Turbo計(jì)算的失速邊界相近，但也不能與試驗(yàn)值相吻合。

圖27 中間狀態(tài)下展向參數(shù)對(duì)比

對(duì)于在中間狀態(tài)下壓氣機(jī)的效率，Numeca計(jì)算值與試驗(yàn)值比較接近，Turbo的偏高，CFX的最高。效率展向分布對(duì)比如圖28所示。Turbo計(jì)算值仍然是尖區(qū)的效率最低，但是不同的是Numeca計(jì)算的根部的效率偏低，再加上Turbo對(duì)于靜子的損失估計(jì)的理想，所以使得Numeca計(jì)算的效率比Turbo的低，CFX對(duì)于葉尖區(qū)域的計(jì)算過(guò)于理想，效率偏高，根部沒(méi)有明顯虧損，所以CFX計(jì)算的效率最高。

綜上所述，數(shù)值計(jì)算主要在葉片的攻角落后角估計(jì)、葉尖泄漏的模擬及靜子損失估計(jì)等方面存在不足，導(dǎo)致壓氣機(jī)特性模擬產(chǎn)生偏差，同時(shí)對(duì)于失速邊界的估計(jì)也存在偏差。

圖28 中間狀態(tài)下轉(zhuǎn)子效率展向分布計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文對(duì)某高壓壓氣機(jī)后面級(jí)的4級(jí)重復(fù)級(jí)低速大尺寸軸流壓氣機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

（1）獲得4級(jí)重復(fù)級(jí)低速大尺寸壓氣機(jī)完整、詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用小尺寸高精度5孔探針獲得靜子高分辨率的出口流場(chǎng)，可以清晰地分辨尾跡和角區(qū)等流動(dòng)細(xì)節(jié)；

（2）流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，該4級(jí)低速模擬壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)了典型的重復(fù)級(jí)流動(dòng)，較好地模擬了高壓壓氣機(jī)后面級(jí)原型的流動(dòng)特征，驗(yàn)證了原型壓氣機(jī)具有氣動(dòng)特征效率高和綜合裕度大的性能優(yōu)勢(shì)；

（3）利用詳細(xì)流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果校驗(yàn)了常用3維計(jì)算軟件Numeca、CFX和Turbo，校驗(yàn)結(jié)果表明：3種軟件在估計(jì)葉片攻角、落后角、葉尖泄漏流等方面存在不足，無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)壓氣機(jī)的特性，特別是近失速工況；

（4）4級(jí)重復(fù)級(jí)低速模擬壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)為高壓壓氣機(jī)后面級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)參數(shù)選擇以及設(shè)計(jì)計(jì)算軟件的校驗(yàn)提供了良好的試驗(yàn)手段及平臺(tái)。