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    某多級(jí)軸流壓縮機(jī)的數(shù)值模擬研究

    2020-05-08 09:37:42黨芳張俊強(qiáng)
    機(jī)械工程師 2020年4期
    關(guān)鍵詞:軸流氣動(dòng)氣流

    黨芳, 張俊強(qiáng)

    (1.飛邁(煙臺(tái))機(jī)械有限公司,山東 煙臺(tái)264000; 2.煙臺(tái)現(xiàn)代冰輪重工有限公司,山東 煙臺(tái)264000)

    0 引 言

    作為燃?xì)廨啓C(jī)的重要組成部件之一,多級(jí)軸流壓縮機(jī)通過自身的壓縮功能向燃燒室提供高壓空氣,以供渦輪膨脹做功。多級(jí)軸流壓縮機(jī)的流量比較大、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù),比較適合于地面燃?xì)廨啓C(jī)[1-2]。

    用于燃?xì)廨啓C(jī)的多級(jí)軸流壓縮機(jī),與傳統(tǒng)工業(yè)上使用的多級(jí)軸流壓縮機(jī)不同,燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)對(duì)效率、流量工況范圍等要求較高;同時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)與透平同軸設(shè)計(jì),由透平直接帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)速相對(duì)較高,多級(jí)壓縮機(jī)的級(jí)間匹配關(guān)系復(fù)雜,這都對(duì)壓縮機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)提出了較高的要求。目前國內(nèi)尚無成熟的用于燃?xì)廨啓C(jī)的多級(jí)軸流壓縮機(jī)產(chǎn)品,對(duì)于多級(jí)軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方法多是根據(jù)傳統(tǒng)工業(yè)用壓縮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或參考國外成熟機(jī)組,以獲得高效、大流量的多級(jí)軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方法[3-4]。

    根據(jù)引進(jìn)的某型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī),對(duì)其多級(jí)軸流壓縮機(jī)進(jìn)行技術(shù)消化吸收,本文針對(duì)該多級(jí)軸流壓縮機(jī),利用三維CFD軟件NUMECA[5-8]開展軸流壓縮機(jī)的氣動(dòng)性能計(jì)算分析,分析多級(jí)軸流壓縮機(jī)的總體氣動(dòng)性能、各級(jí)的氣動(dòng)參數(shù)分布、單級(jí)壓縮機(jī)的葉展方向氣動(dòng)參數(shù)分布及壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng),掌握該多級(jí)軸流壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)思想,為后續(xù)的燃?xì)廨啓C(jī)軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化改型提供技術(shù)支撐。

    1 計(jì)算模型及數(shù)值方法

    根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料,整理該壓縮機(jī)的輪轂、輪緣數(shù)據(jù),對(duì)葉片吸力面、壓力面數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行整理,將輪緣、輪轂線和葉片數(shù)據(jù)導(dǎo)入NUMECA中,得到壓縮機(jī)的子午流道通流結(jié)構(gòu),如圖1所示。該軸流壓縮機(jī)共9級(jí),計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分采用NUMECA 軟件的網(wǎng)格處理模塊IGG/AutoGrid生成,由于壓縮機(jī)級(jí)數(shù)較多,在滿足網(wǎng)格質(zhì)量的要求下,網(wǎng)格數(shù)約為1900萬,網(wǎng)格模型如圖2所示。

    圖1 壓縮機(jī)子午流道示意圖

    圖2 網(wǎng)格模型

    壓縮機(jī)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算采用FINE/TURBO模塊進(jìn)行[9-10]。壓縮機(jī)的進(jìn)口設(shè)置總壓和總溫,并給定氣流速度方向,壓縮機(jī)的出口設(shè)置靜壓條件。

    2 結(jié)果分析

    2.1 總體氣動(dòng)性能分析

    該軸流壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為9400 r/min,經(jīng)FINE/TURBO數(shù)值計(jì)算得到壓縮機(jī)的壓比-流量和效率-流量的關(guān)系曲線[11-12],如圖3和圖4所示。通過圖中的兩條特性曲線可以看到,該9級(jí)軸流壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的工作流量范圍為81.38~83.79 kg/s,最高效率能夠達(dá)到0.8068,此時(shí)對(duì)應(yīng)的增壓比為4.2337,流量為82.69 kg/s;在近失速工況下的效率約為0.804,對(duì)應(yīng)的增壓比為4.5504,流量為81.38 kg/s;在近阻塞工況下,效率約為0.7265,對(duì)應(yīng)的流量為83.79 kg/s,壓比為3.043。

    2.2 各級(jí)參數(shù)分布規(guī)律

    多級(jí)軸流壓縮機(jī)各級(jí)的氣動(dòng)參數(shù)具有一定的分配規(guī)律[13],圖5所示為壓縮機(jī)各級(jí)的單級(jí)壓比分配情況,通過壓比分布情況可以看出該壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)思想,前3級(jí)壓比較高,中間3級(jí)壓比次之,最后3級(jí)壓比較??;圖6所示為壓縮機(jī)各級(jí)的效率分配情況,中間級(jí)的效率最高,后3級(jí)的效率比較低。通過對(duì)不同工況條件下的特性曲線的分析,在前6級(jí),近失速工況下的壓比較近設(shè)計(jì)工況下的壓比高,其效率較之近設(shè)計(jì)工況的降低主要體現(xiàn)在后4級(jí)上,前面幾級(jí)的效率變化比較小,后面級(jí)的降幅則越來越大;而近阻塞工況較之近設(shè)計(jì)工況壓比的降低則是在全部級(jí)上均有體現(xiàn),且降幅向后不斷增大,其效率的降低也是在全部級(jí)上均有體現(xiàn),越后面的級(jí),效率降低幅度越大。

    圖7所示為壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)口軸向速度分布,可以看到,軸向速度在前5級(jí)中逐漸減小,降低幅度不大,到第6級(jí)時(shí)降幅突然增大,這是由于在壓縮機(jī)第5級(jí)級(jí)間抽氣造成的,從第6級(jí)至最后級(jí),軸向速度變化不大。對(duì)比各工況下的軸向速度分布,近阻塞工況下的軸向速度在后4級(jí)中大幅度升高,這是因?yàn)榻枞r的流量比較大,造成軸向速度較大,近失速工況的軸向速度較近設(shè)計(jì)工況低,變化規(guī)律相同;圖8所示為壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)口氣流角分布,設(shè)計(jì)工況下與近失速工況的氣流角變化相同,氣流角變化相對(duì)平穩(wěn),第1級(jí)角度較大,其他各級(jí)都在-65°~-60°之間,第2、3、4級(jí),第5、6級(jí),第7、8、9級(jí)的角度基本相同,而近阻塞工況氣流角則越來越大,且遠(yuǎn)大于近設(shè)計(jì)工況下的進(jìn)口氣流角。

    圖3 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下效率-流量曲線

    圖4 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓比-流量曲線

    圖5 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速各級(jí)總壓比

    圖6 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速各級(jí)效率

    2.3 氣動(dòng)參數(shù)展向分布

    以壓縮機(jī)的第1 級(jí) 為 例,說明氣動(dòng)參數(shù)沿葉高方向的分布情況[14-15]。圖9和圖10所示為壓縮機(jī)第一級(jí)壓比、效率沿葉高方向的分布,第1級(jí)中,設(shè)計(jì)工況下,20%葉高位置的壓比較高,達(dá)到1.27,在18%~85%葉高范圍內(nèi),壓比分布比較均勻,葉根及葉頂部分由于上下端壁附面層的影響,壓比較低;第1級(jí)的效率展向分布與壓比分布相同,15%~90%葉高范圍內(nèi)效率變化微小,僅在兩端效率由于端壁附面層的影響較低;對(duì)比3個(gè)工況的第1級(jí)壓比和效率展向分布規(guī)律可以看出,壓比隨著工況由近阻塞工況向近失速工況發(fā)展而逐漸升高,效率也略有增加,但變化微小,展向的分布上,3種工況的分布規(guī)律相同。

    圖7 各級(jí)進(jìn)口軸向速度分布

    圖8 各級(jí)進(jìn)口氣流角分布

    壓縮機(jī)第1級(jí)進(jìn)口軸向速度和進(jìn)口氣流角的展向分布如圖11和圖12所示。當(dāng)工況由近失速向近阻塞發(fā)展過程中,第1級(jí)的進(jìn)口軸向速度逐漸增加,進(jìn)口氣流角也逐漸增大。通過軸向速度和進(jìn)口氣流角的分布可以看到,上下端壁附面層厚度逐漸增加,而且軸向速度和進(jìn)口氣流角的變化隨工況的發(fā)展比較均勻。

    圖9 壓比展向分布情況

    圖10 效率展向分布情況

    3 結(jié) 論

    本文以某引進(jìn)型多級(jí)軸流壓縮機(jī)為研究對(duì)象,采 用 NUMECA 軟件進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,數(shù)值計(jì)算分析結(jié)論如下:

    1) 設(shè)計(jì)工況下,該壓縮機(jī)總的增壓比為4.2337,平均級(jí)壓比為1.182,級(jí)壓比分布相對(duì)較均勻,壓縮機(jī)總效率為80.68%。

    2) 通過對(duì)比分析不同工況條件下壓比、效率、軸向速度、進(jìn)口氣流角等氣動(dòng)參數(shù)的級(jí)中和級(jí)間分布規(guī)律,把握壓縮機(jī)的總體設(shè)計(jì)思想和各級(jí)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

    圖11 軸向速度展向分布情況

    圖12 進(jìn)口氣流角展向分布情況

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