双级对转压气机多叶排全三维转子优化分析

王掩刚 牛 楠 任思源 刘 波

西北工业大学,西安,710072

0 引言

随着现代飞机对高性能动力装置需求的日益增强,对转技术作为提高发动机性能的有效技术之一越来越受到重视。压气机对转技术是大幅提高航空发动机性能的高新技术之一,如何有效地组织其内部流动结构,获得更大负荷、更高效率的对转压气机部件一直是研究人员追求的目标之一。西北工业大学率先在国内建立了双排对转压气机实验台,并对其进行了大量的实验和理论研究,获得了对转环境下压气机内部流动特性[1],研究了上下游转子转速比对压气机性能的影响效应[2],分析了上下游对旋转子相互影响的机理[3]。研究发现：上下游转子工作不匹配导致下游转子始终工作于较恶劣的环境下,在该叶片尖部、前缘附近存在较强分离流动,这可能是导致对转压气机失速的主要原因。

对压气机叶型的优化设计是提高压气机性能的有效途径,传统的二维优化方法对基元级进行优化后积叠生成三维叶型,这种技术必然不能考虑对转、级环境时上下游转子的相互影响和制约因素,不能达到对转压气机优化的目的。近年来许多学者致力于采用全三维方法进行叶型优化设计研究。NUMECA软件提出了基于近似函数方法和遗传算法的优化方法,受到了业内研究人员的广泛关注。研究人员结合所研究的对象,进行了叶片三维优化分析,取得了较好效果[4-6]。本文采用全三维方法对设计的对转压气机在整机条件下进行叶型优化的研究,为改善对转压气机流动结构,提高其性能提供参考。

1 研究对象及数值计算方法

本文以实验室建成的对转压气机实验台为研究对象,采用三维叶型优化方法对该压气机下游转子叶片进行整机条件下的三维优化研究。该对转压气机设计参数如下：上游转子(R1)转速为8000r/min,下游转子(R2)转速为-8000r/min(从进口向下游看,R1为顺时针旋转,R2为逆时针旋转),该对转压气机共有四排叶片,具体名称/叶片数：进口导叶(IGV)/22、上游转子(R1)/19、下游转子(R2)/20、出口导叶(OGV)/32。在建立研究对象优化样本的过程中,应用有限体积法求解圆柱坐标系下三维Navier-Stokes方程组。空间离散采用中心差分格式,时间项采用4阶Runge-Kutta方法迭代求解,CFL数取3.0,紊流模型采用S-A模型。优化前后三维数值分析时的边界条件如下：给定进口给定总压(101 350.0Pa)、总温(288.15K)以及气流角(轴向进气),出口给定静压。计算网格使用NUMECA软件包中的AUTO-GRID模块,自动生成H-O-H型网格,网格总数约为100万。大量的计算与实验证明该方法在捕捉叶轮机械内部流动细微结构以及获取其性能方面有较高的精度和可靠性[7],因此本文在优化前后都将该数值模拟方法作为对转压气机性能以及其内部流动结构的分析工具。

2 三维优化方法及优化参数选择

2.1 优化方法

在叶轮机械优化过程中,与之相关联的优化设计问题通常会导致目标函数有许多极值。基于梯度的优化方法有非常好的收敛速率,但它并不能保证产生全局最优解,遗传算法虽然可增强获得全局最优解的可能性,但可能需要数千次甚至更多次的迭代,在工程上难以实现。本文所采用的主要优化思想是,采用人工神经网络(ANN)在优化过程中代替三维NS计算的近似模型对连续设计进行评价,从而允许有效地应用遗传算法,其优化的精度取决于神经网络的知识库。知识库由存储在数据库中的设计采样提供。图1给出了优化的具体过程,其中叶型可调参数的选取及其调整范围决定了优化结果的好坏,是叶片三维优化的关键,因此有必要对优化策略做详细介绍。

2.2 优化策略选择

对转压气机转子优化过程中的约束条件如下：叶片各个基元截面的厚度分布以及弯角保持不变。图2给出了优化前设计转速时,对转压气机两级转子的效率特性,从图2中可以看出：上游转子(R1)效率曲线较为平稳,下游转子(R2)效率曲线随流量变化较大;各个工况下,R2的效率均低于R1的效率。在设计点,R1较R2的效率高2%,近喘点R1较R2的效率高5%,堵塞点 R1和R2的效率已经不在一个量级了。可以说下游转子的性能是制约对转压气机性能的关键因素。

图1 叶片优化流程图

图2 优化前,设计转速两级转子效率特性

图3 设计点R1优化前,进口气流角与几何进口角沿叶高的分布

图3 、图4给出该对转压气机转子R1和转子R2在设计工况下的进口气流角与几何进口角的对比关系。对于R1,几何进口角与进口气流角的差为叶片的来流攻角。对于R2,进口气流角与几何进气角的差为叶片的来流攻角,设计点R1优化前,R1进口的攻角在根部最大,为正攻角2°,中部的攻角为-2°攻角,尖部的攻角约为 0°;设计点R2优化前,R2进口攻角则一直为正,由根部的约5°减少到尖部的约2°。通过上述分析可以发现：在各个工况下,下游转子来流条件恶劣,导致损失较大,有较大的优化空间,并且下游转子各截面的几何进口角分布不合理是导致其效率较低的主要原因之一。结合上述约束条件,即叶片各个基元截面的厚度分布以及弯角保持不变,本文将下游转子各基元截面的安装角作为优化过程中的自由参数,应用上述的优化方法对设计点工况进行优化研究。优化过程中,采用离散层取样方式,分四个子区域对自由参数在其约束范围内进行取样,建立样本数为50的寻优数据库,设定的寻优目标在数据库全局范围内进行寻优,目标函数定义为

图4 设计点R2优化前,进口气流角与几何进口角沿叶高分布

本文在优化过程中注重考虑效率因素,将W2设定为2,W2、W3分别取1。优化收敛过程如图5所示,经过大约20步的优化,结果基本已经收敛。

图5 收敛曲线

3 计算结果分析

下游转子优化后对转压气机在设计转速下,应用三维流场分析方法进行全工况数值模拟,获取其性能和流场结构,并与优化前的计算结果进行对比,分析过程如下：

表1给出了对转压气机下游转子优化前后在设计点和近喘振点工况下整机及两转子叶片排的特性参数。从表1可以看出：R2优化后,在设计点,对转压气机整机的效率提高了0.69%,设计点的流量与压比几乎没有变化,设计点流量都为5.921kg/s;近喘振点所对应的出口背压约增大1.2k Pa,质量流量减小0.134kg/s,这表明对转压气机的喘振裕度有所增加,同时压比提高近1%,效率提高0.71%。两排转子在设计工点时,压比基本不变,但优化使得R2效率提高1.36%。

表1 下游转子优化前后设计点和近喘振点工况下对转压气机及各转子叶排特性参数

图6给出了优化前后对转压气机整机效率曲线,从图6中不难发现：优化前后对转压气机效率曲线走势基本一致,但优化后对转压气机堵塞点附近的质量流量减小,效率降低。图7、图8给出了优化前后两排转子在设计转速下的效率特性,可以明显看出：优化后下游转子的性能仍然与整机性能走势一致,这说明,优化后下游转子的特性走势仍然决定了整机特性曲线的走势。对比优化后整机以及两排转子近喘点附近效率曲线可以发现,优化后整机喘振是由上游转子(R1)提前进入失速导致的,具体表现如下：设计点之后,上游转子效率已经开始降低,但下游转子效率还维持在设计点的效率水平。因此可以推测：在小流量工况,下游转子优化改善了其叶片通道流场结构,从而使得对转压气机喘振裕度增加。

图6 优化前后整机效率特性

图7 优化前后上游转子效率特性

图8 优化前后下游转子效率特性

图9 优化后下游转子进口气流角与几何进口角沿叶高分布

图9 给出了下游转子优化后设计点的进口气流角和几何进口角沿叶高的分布。结合图4不难发现,下游转子在该工况下的进口气流角分布与优化前基本一致,但优化后下游转子的几何进气角有较大变化,导致该级转子在设计点的攻角有所改善,尖部攻角减小1°,中部攻角略有增大,根部攻角大大减小,从原始的3°变为-3°。对于本实验台的研究对象,下游转子攻角的减小,必然使得其内部逆压梯度降低,使得叶片通道流动分离减弱,分离区减小,气流落后角减小,从而使得该对转压气机出口导叶的来流处于较理想条件下。

图10、图11分别给出了下游转子优化前后设计点三个典型S1流面的相对马赫数分布,从图中可以看出优化前后叶片通道的流动参数分布差异,差异主要表现在：在根部,优化使得吸力面尾缘附近低马赫数区面积略有增大,必然使得尾迹掺混损失有所增加;在中部,优化使吸力面尾缘附近低马赫数区面积减小,降低了掺混损失;在尖部,优化使得吸力面尾缘附近低马赫数区域面积减小更为明显一些。这表明优化后下游转子中部、尖部的优化较合理,减少了尾迹掺混损失,而根部的优化并不理想,增加了尾迹掺混损失。总体上来说,下游转子优化后其尾迹掺混损失有所减少,这也是下游转子效率提高的主要原因。

图10 设计工况下优化前对转压气机转子R2典型截面相对马赫数分布

图11 设计工况下优化后对转压气机转子R2典型截面相对马赫数分布

图12 、图13给出了优化前后近喘振点出口导流叶片尖部97%叶高处的流线分布,从图中可以看到优化前后该位置处流场结构有较大差异：优化前,由于下游转子出口气流角度与出口导叶几何进口角不匹配,导致优化前在出口导流叶片尖部靠近前缘位置出现较强的分离涡,该漩涡的存在,使得流动损失增大,流通能力降低,进而导致压气机流动不稳定而进入喘振状态。优化使得下游转子来流条件改善,其出口气流与导流叶片匹配较好,近喘点时位置处的漩涡已基本消失,增强了对转压气机的流通能力,从而使得其喘振裕度增加。结合图7上游转子的效率曲线可以认为：此时对转压气机流动不稳定主要原因是上游转子导致的流动失速导致。

图12 优化前出口导流叶片叶尖流线图

图13 优化后出口导流叶片叶尖流线图

4 结论

(1)在设计点,优化后对转压气机效率提高0.69%,流量、压比基本不变,喘振裕度有所提高。

(2)在设计点,优化后下游转子效率提高1.36%,压比基本不变;上游转子效率和压比都基本不变。

(3)优化减小了下游转子中部、尖部的尾迹掺混损失,但增大了根部的尾迹掺混损失,同时使得出口导流叶片流动有所改善,这是提高压气机喘振裕度的主要原因。

[1] 王掩刚,刘波,陈云永,等.双级对转压气机流场分析研究[J].西北工业大学学报,2006,24(1)：97-101.

[2] 刘波,杨艳,王掩刚.设计压比和转速变化对对转压气机性能的影响研究[J].西北工业大学学报,2007,25(4)：576-580.

[3] 王掩刚,贾瑞琦,牛楠,等.双级对转压气机多工况数值分析研究[J].西北工业大学学报,2008,26(5)：535-539.

[4] 靳允立,胡骏.多级环境风扇静叶优化[J].燃气涡轮试验与研究,2007,20(4)：22-27.

[5] 尉涵,袁新.轴流压气机多叶片排的气动优化设计[J].热能动力工程,2005,20(6)：603-606.

[6] 陈云永,刘波,马聪慧,等.全三维、多叶排内外涵风扇压气机叶型优化研究[J].航空动力学报,2008,23(3)：516-521.

[7] 刘波,陈云永,项效镕,等.对转压气机数值模拟及实验研究[J].推进技术,2008,29(4)：454-457.