多级轴流压气机级间匹配特性研究

沙心国，严明，刘政良

(1.北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室，北京100191；2.中国航天空气动力技术研究院，北京100074)

多级轴流压气机级间匹配特性研究

沙心国1，2，严明1，刘政良1

(1.北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室，北京100191；2.中国航天空气动力技术研究院，北京100074)

结合一台出口级使用大小叶片转子的高负荷多级轴流压气机的设计过程，对其多种设计方案进行数值模拟，通过对各设计方案级间匹配特性的分析，总结出多级轴流压气机的级间匹配特性。通过与另一台级数相当但不含大小叶片转子的低负荷多级轴流压气机的级间匹配特性进行对比，研究了在多级轴流压气机出口级使用大小叶片转子对级间匹配特性的影响。结果表明，在多级轴流压气机出口级使用大小叶片转子，不仅可提高出口级的负荷及整机总压比，还可增大压气机的失速裕度。

多级轴流压气机；级间匹配特性；大小叶片转子；流动分离；失速裕度；数值模拟

1 引言

级间匹配特性是多级轴流压气机的重要特性，其优劣直接影响压气机的总体性能。在多级轴流压气机设计中，级间参数匹配是设计工作的重中之重，也是最困难的部分。任意级的级间参数选择不合适将导致该级的性能降低，甚至影响其它多排叶片的运行状况，使其运行参数与设计参数偏离，从而导致压气机整机性能无法达到设计目标。因此，对于多级压气机设计，级间匹配往往是决定压气机设计成败的最关键因素。

为找到正确计算各级匹配的方法，国内外做了大量研究工作。工程上使用较多的是级叠加法，但其理论依据是假定在下游叠加上去的叶片排不影响上游原有流场，因此这种方法的可靠性需要论证[1]。国外方面，早在20世纪50～60年代，Stone[2]、Doyle[3]和Robbins[4]等就对级叠加法进行过专门研究。1979年，Klapproth等[5]对CF6-6发动机压气机的总压比和

轴向速度沿级分布进行了研究。1992年，Smed等[6]对两种不同型号多级压气机各级做功系数在各级中的分布进行了研究。2008年，Soltani等[7]基于遗传算法，对多级压气机中流量系数、总压比和效率在各级的分布进行了优化研究。

国内方面，邹正平等[8]指出，多级压气机匹配是一个叶轮机设计难题，在设计之初就把非设计状态下影响级间匹配的主要因素考虑在内，是解决多级压气机匹配问题的关键。曲爱民[9]对某11级轴流压气机进行了三维流场分析，得出了各级反动度和总压比的分布曲线。马聪慧等[10]使用三维粘性数值模拟方法，对某大流量轴流压气机进行了计算研究，并分析了该压气机加功量、绝热效率、压比、反力度等参数在各级的分布情况，及大流量多级轴流压气机的设计特点。

随着大小叶片转子技术的不断成熟，大小叶片转子逐步应用到多级轴流压气机中[11～15]。由于大小叶片转子具有单级压比高、失速裕度大的特点，在多级轴流压气机中使用必然会对压气机的级间匹配特性带来影响。本文结合一台高负荷多级轴流压气机的设计过程，对其多种设计方案进行计算分析，来研究多级轴流压气机的级间匹配规律；并通过与另外一台级数相当的低负荷轴流压气机的级间匹配特性进行对比，来研究大小叶片转子对多级轴流压气机级间匹配规律的影响。

2 研究对象和计算方法

研究对象为带前置导叶的一台高负荷八级轴流压气机，其最后两级使用大小叶片转子，计算模型如图1所示。

采用CFD软件ANSYS CFX对多级轴流压气机进行模拟。由结构化网格生成软件Autogrid5进行网格绘制，常规叶片通道采用H-O-H型网格，大小叶片转子通道采用H-I型网格。采用SST二方程湍流模型，使用一阶精度迎风格式求解含有粘性做功项的总能方程。采用理想气体作为工质，恒定转速，进口给定总温、总压和气流角，出口给定平均静压，固壁绝热无滑移。

通过调整周向、轴向和展向三个方向上的网格层数，绘制出三种不同数目(约500万、700万和1 000万)的网格进行数值计算，结果如图2所示。可见，计算结果不随网格数目的变化而改变，三种网格计算结果基本一致。在计算资源允许的前提下，为获得更加详细的内部流场信息，本文选用1 000万的网格进行计算。网格最小正交性大于10°，最大延展比控制在5以下。由于计算采用的SST湍流模型对y+要求较高，需要最内层网格厚度较小，同时由于计算资源有限，需要控制网格总数，这就使得壁面处的网格长宽比很难控制在1 000以下。长宽比超过1 000的网格主要集中在叶片、机匣和轮毂等壁面处，壁面处流动参数在垂直壁面方向的变化最为明显，而在平行壁面方向的变化相对要小许多，因而壁面处的网格长宽比较大对计算结果的影响较小，因此以上网格质量可保证计算结果的准确性。

3 级间匹配特性分析

本文参数的无量纲化方法为：XRel=X/X0(X为参

数，X0为选定的基准参数)。

3.1 各设计方案级间匹配特性分析

图3为高负荷多级轴流压气机五种设计方案的级间匹配特性图。可见，五种设计方案的级间匹配特性类似，总压比沿流向逐级减小；绝热效率中间高、两端低；第1、第7级的反力度较大，其它各级的反力度均在0.45左右；各级转子的总焓升基本在同一水平；各级总压升和静压升沿流向逐级增加。

该高负荷多级轴流压气机中，第1级为跨声速级，第7级为大小叶片转子，这两级转子的做功能力较大，因此其反力度较大。

方案1在设计点静子叶片吸力面的极限流线如图4所示。可见，S2、S4和S5叶片吸力面尾部都存在较大的流动分离。在设计转速下，当压气机流量减小时，S2叶片吸力面的分离区大小基本不变，S4和S5的分离区逐渐变大，S6尾部出现大的流动分离，且S5尾部的分离区最大。结合图3中方案1的级间匹配特性可知，压气机第2级的总焓升最大，反力度较小；第4级的反力度最小；第5级的总焓升较大，反力度较小。所以这三级静子叶片中的逆压梯度较大，造成静子叶片吸力面流动分离。

方案2在设计点静子叶片吸力面的极限流线如图5所示。可见，S2、S4、S5和S6叶片吸力面都存在一定的流动分离，其中S4的分离最大。在设计转速下，当压气机流量逐渐减小时，S2、S4、S5和S6叶片吸力面的分离区逐渐增大，且沿流向增幅逐渐增大。结合图3中的级间参数分布可知，第2级的总焓升过大；第4、第5级的反力度最小；第6级总焓升过大，但反力度不大。以上原因使得这四级静子叶片通道中的逆压梯度过大，造成吸力面出现流动分离。

方案3在设计点静子叶片吸力面的极限流线如图6所示。可见，S2、S5和S6叶片吸力面存在一定的流动分离。在设计转速下，当压气机流量逐渐减小时，S2、S5和S6叶片吸力面的分离区逐渐增大，且沿流向增幅逐步增大。结合图3中的级间参数分布可知，第3、第4级的总焓升较小，其它各级的总焓升大小相当，但第1级为跨声速级，最后两级是大小叶片转子，因此这三级的做功能力较强。相对而言，第2、第5和第6级的总焓升偏大，且这三级的反力度较小，因此这三级静子叶片的逆压梯度较大，使得S2、S5和S6叶片吸力面尾部发生大的流动分离，引起压气机进入失速状态。

方案4在设计点静子叶片吸力面的极限流线如图7所示。可见，S2、S5和S6叶片吸力面尾部发生了流动分离，其中S2的分离区最大，其它各级流动状况较好。在设计转速下，当压气机流量逐渐减小

时，S2、S5和S6叶片吸力面的分离区逐渐增大，且沿流向增幅逐渐增大。结合图3中的级间参数分布可知，第2级的总焓升最大、反力度最小，第2级静子叶片通道中逆压梯度最大，使得静子叶片吸力面尾部发生流动分离。第4级的总焓升最小，其气动负荷最小，绝热效率最高。后面四级的总焓升基本相当，但由于最后两级是大小叶片转子，而第5、第6级转子是常规转子，因此这使得第5级和第6级的气动负荷相对偏大、反力度较小，从而使得第5、第6级静子叶片通道逆压梯度较大，吸力面尾部发生大的流动分离，压气机进入失速状态。

方案5在设计点静子叶片吸力面的极限流线如图8所示。可见，S2、S4、S5和S6叶片吸力面尾部发生了流动分离，其中S2和S6的分离较大，S4和S5的分离较小。在设计转速下，当压气机流量逐渐减小时，S2、S4、S5和S6叶片吸力面的分离区逐渐增大，

且沿流向增幅逐渐增大。在近失速点，S6叶片吸力面的分离最大，中间叶高分离位置延伸到了叶片50%弦长位置。结合图3中的级间参数分布可知，第2级的总焓升最大、反力度最小；第4、第5级的反力度较小；后面三级的总焓升基本相当，由于最后两级是大小叶片转子，而第6级是常规转子，其气动负荷相对偏大、反力度较小。因此这四级静子叶片通道逆压梯度较大，吸力面尾部发生流动分离。

由图3中的级间匹配特性可知，在设计点，五种设计方案第1级的绝热效率不同，其中方案1的最低，方案5的最高。原因是五种设计方案中第1级转子的掠型不同，使得其通道中激波-附面层干涉引起的流动分离区大小不同(图9)，从而造成各设计方案绝热效率出现差异。

3.2 大小叶片转子对级间匹配特性的影响

图10为上述高负荷多级轴流压气机各设计方案与一低负荷多级轴流压气机的级间匹配特性对比图。该低负荷多级轴流压气机共九级，含进口导叶和可调静子叶片，但出口级不含静子叶片，且各级转子叶片均为常规叶片，不含大小叶片；图中用Origin表示。

从图中可看出，两种压气机的总压比均是前高后低，沿流向逐级降低；绝热效率均呈中间高、两端低分布。低负荷压气机各级的反力度较大，均在0.5以上；高负荷压气机各设计方案的反力度均较小，基本在0.5以下。低负荷压气机中各级转子的总焓升呈沿流向逐渐减小的趋势，而高负荷压气机各设计方案各级转子的总焓升保持在同一水平，相差不大。两种压气机各级的总压升和静压升分布规律基本一致，呈沿流向逐级增加的趋势，但增幅不同。

从图10(a)可看出，两种压气机均为第1级的总压比最大，沿流向各级的总压比逐级减小，与文献[7]中多级轴流压气机中为保证部分转速时的性能，总压比沿级分布应中间高、两端低的结论不同。两者差别在于进口几级总压比的大小，原因是本文研究的压气机进口级为跨声速级，做功能力强，且进口几级静子叶片可调，在转速降低时可通过调节进口

段静子叶片的安装角来改变进气条件，保证部分转速下的性能。

高负荷压气机五种设计方案中的一个共同点是：在设计转速下，当压气机质量流量减小时，S6或S5叶片尾部首先发生大的流动分离，然后整机进入失速状态。而不含大小叶片转子的低负荷压气机，在设计转速下，流量减小时S7、S8叶片吸力面尾部首先发生流动分离，从而引起整机失速。据文献[1]可知，多级轴流压气机中存在放大效应，即进口流量的变化会在后面各级逐级放大。因此多级轴流压气机流量减小时，后面级首先进入失速状态。在该高负荷压气机中，由于后面级使用的是大小叶片转子，对进口条件变化不敏感，流量裕度大，因此流量变化时首先在大小叶片转子上游相邻级发生流动分离，导致整机进入失速状态。即在出口级使用大小叶片转子，在压气机流量减小时，可延缓压气机失速，增大压气机失速裕度。

从图10(d)可看出，出口级使用大小叶片转子的多级轴流压气机，出口两级总焓升与前面各级的基本相当；而出口未使用大小叶片转子的多级轴流压气机，出口三级的各级总焓升相对前面各级有所降低。而从图10(e)、图10(f)可看出，对于低负荷压气机，出口级全部使用的是常规转子，总压升和静压升沿级增长较平缓、增幅较小；而对于高负荷压气机各设计方案，出口两级使用的是大小叶片转子，最后两级总压升和静压升沿级增长较陡峭、幅值较大。因此，在多级轴流压气机出口级使用大小叶片转子，可提高出口级负荷，增加出口级压比，提高整机压比。

4 结论

(1)本文出口级使用大小叶片转子的高负荷多级轴流压气机的各设计方案中，主要是由于某些级的总焓升较大或反力度较小，造成静子叶片通道逆压梯度过大而引起流动分离。

(2)在多级轴流压气机出口级使用大小叶片转子，可提高后面级负荷，提高压气机整机压比；并且在设计转速下压气机流量减小时，可延缓压气机失速，增大失速裕度。

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[15]严明，陈懋章.大小叶片轴流压气机转子流动特性分析[J].推进技术，2002，23(4)：280—282.

Stage Matching Characteristics of Multi-Stage Axial Compressor

SHA Xin-guo1，2，YAN Ming1，LIU Zheng-liang1
(1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Aero-Thermodynamics，School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China)

Combined with design process of a high load multi-stage axial compressor having splitters in last two stages,different design cases were calculated and simulated.The matching characteristic of multi-stage axial compressor was researched and summarized by analyzing the matching characteristic of compressor design projects.In addition,the influence of splitter on stage matching characteristic of multi-stage axial compressor was studied through comparing with another low load multi-stage axial com⁃pressor without splitter.The results show that using splitter in the outlet stage of a multi-stage axial com⁃pressor not only can increase the loading and the overall pressure ratio of compressor,but also can increase the compressor stall margin.

multi-stage axial compressor；stage matching characteristic；splitter；flow separation；stall margin；numerical simulation

V231.3

：A

：1672-2620(2014)01-0006-06

2013-01-05；

：2013-10-11

沙心国(1987-)，男，河北邢台人，硕士，助理工程师，主要从事流体测试与计算。