斜流轴流组合式多级压气机气动设计与流场数值模拟

张晓阳，陈镟宇，李良才，任焕

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连116005

2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

3大连船舶重工集团有限公司，辽宁大连116005

0 引 言

作为燃气轮机的核心部件之一，压气机直接决定了燃气轮机的性能优劣，对其设计起着举足轻重的作用。随着燃气轮机功率密度的不断提高，对压气机的设计性能要求也越来越高，且主要体现在3个方面：高压比、高绝热效率和高喘振裕度。从不同时期发动机高压压气机总压比的发展趋势及其叶型的变化情况来看，实现压气机更高的转子尖切线速度和平均级压比是设计者追求的目标。

斜流压气机是介于轴流压气机和离心压气机的一种压气机形式，兼具离心压气机高压比和轴流压气机迎风面积小、流通能力强的优点。斜流压气机进口曲率半径大，在相同设计条件下，相比于离心压气机，其具有流动损失小、流量系数大、效率高、工作范围宽等特点，因此适用于高通流条件下压气机整体尺寸受限的情况。

早在上世纪50年代，国外就开展了斜流压气机的研制工作［1］，但限于计算和试验条件，斜流压气机的设计性能并不理想。随着CFD技术的日趋成熟，它为斜流压气机的快速发展提供了先进的技术手段，斜流压气机的设计也迎来了快速发展的时期。Musgrave和Plehn［2］提出了一种单级总压比为3.02的斜流压气机，其转子的设计绝热效率为91%，超过了当时所有斜流压气机的转子效率。Mönig等［3-4］提出了总压比为5的斜流叶轮设计，并对其进行了实验研究，但该斜流压气机的工作线较陡，扩压器进口马赫数过高，压气机性能下降剧烈。Cevik和Uzol［5］在一台离心叶轮的基础上对其中的斜流压气机转子进行了优化设计，结果表明斜流叶轮在性能上有着更好的表现。

国内在斜流压气机方面研究工作开展得较晚。刘宝杰和高星［6-8］以2台高负荷、高比转速离心叶轮和斜流叶轮为例，分析了2种叶轮的总体性能以及内部流动的差异。研究结果表明：相比于离心叶轮，斜流叶轮叶尖更低的泄漏及其掺混损失是斜流转子具有更高效率的主要原因；此外，斜流叶轮能够得到比较均匀的出口流场，尤其是在近失速条件下的流场比较均匀。

组合式多级压气机在航空发动机中的运用并不鲜见。例如，我国WP-11发动机压气机就是由1级轴流压气机和1级离心压气机组成，在涡轴发动机中也有很多采用了轴流+离心的组合式压气机设计，国产WZ-6和WZ-8发动机的压缩系统即为采用1级轴流+1级离心构成的组合式压气机设计。国外航空发动机中，美国T700发动机采用的是5级轴流+1级离心构成的组合式压气机；英、法联合研制的RTM322发动机的压缩系统采用的则是3级轴流+1级离心的组合压气机形式［9］。

随着对设计流量的要求不断增加，通过离心压气机来设计未来压气机的难度也越来越大。鉴于斜流+轴流组合式多级压气机可同时满足压气机高流量、高效率、高负荷的性能要求，研制替代常规的轴流+离心组合式压气机的新型压气机正逐渐成为下一代发动机压气机设计的新课题［10］。因此，有必要对斜流+轴流组合式多级压气机进行更深入的研究。

本文将对某斜流+轴流组合式多级压气机进行气动设计的研究，并对其流场进行数值模拟，以探究斜流+轴流组合式多级压气机的气流流动特点和技术难点，为燃气轮机的组合式多级压气机设计提供技术参考。

1 设计方法与设计指标

1.1 设计方法

本文利用一套通用于轴流、离心和斜流压气机的S2流面通流计算及任意中弧叶片造型程序，根据流线曲率法确定不同径向截面处基元叶型的进、出口气流速度、角度等参数，以得到各基元级进、出口处和内部的速度三角形。首先，结合在进口气流攻角、基元流向的内部脱轨角和尾缘处的气流落后角分布方面的设计经验，确定基元中弧线。然后，选取一种基本叶型，调整叶型的参数直到参数满足要求的气动条件。最后，按照规定的积叠轴形状将各基元流面叶型沿展向积叠，从而得到三维叶片坐标。

本文将根据上述造型方法完成多个高负荷压气机的气动设计。运用子午通流设计、全三维粘性CFD数值模拟分析等手段，对压气机性能及流场进行仿真研究和综合分析。根据通流设计计算和叶片设计造型的结果，结合NUMECA商用数值模拟软件对该压气机进行流场数值模拟。

1.2 设计指标

本文尝试对所研究的某斜流+轴流组合式多级压气机进行气动设计。该压气机的第1级为斜流，第2级为轴流。表1给出了该组合式多级压气机的设计指标。

因斜流级的进口转子直径较小且叶尖切线速度较低，故切线速度可使斜流压气级的攻角适应范围较宽。基于斜流转子有较宽的攻角适应范围及其离心力做功能力的优点，斜流级可在多级压气机的功分布上分配更多的加功量。根据目前国内外针对单级斜流压气机的研究情况，性能稳定且成熟的单级斜流压气机压比在3这个量级上。考虑到组合式多级压气机中斜流级与轴流级流场的匹配性，针对总压比为4.2的双级压气机，本文将斜流级压比设置在2.9左右，然后根据通流计算结果多次调整斜流级的加功量，将斜流级设计压比和轴流级设计压比分别优化为2.88和1.46。

表1 组合式多级压气机设计参数Table 1 Design parameters of mixed multi-stage compressor

2 子午流道型线与叶片造型

2.1 叶轮流道型线与环量分布

叶轮流道形状对压气机的气动性能具有十分重要的作用。在离心叶轮中，机匣型线由轴向折转到径向的曲率半径较小，气流在流动过程中易发生边界层分离，导致叶轮效率降低。而斜流压气机机匣型线由轴向折转到斜向的曲率半径相对较大，可减少此处边界层的分离情况。结合对二维设计及三维数值模拟结果的分析，确定了所研究的某斜流+轴流组合式多级压气机叶轮的流道形式，如图1所示。图中：R1为斜流级转子，S1为斜流级静子；R2为轴流级转子，S2为轴流级静子。为增加斜流叶轮尾缘稠度，在其流道后部布置了分流叶片，以改善斜流转子尾部的流动情况。

对于流向和展向环量分布，由于其可直接影响气流角和叶片造型的结果，故在设计时首先要保证环量分布曲线足够光顺，同时考虑在设计结果中静压的分布特征。图2和图3所示为该组合式多级压气机中各排叶片在不同展高位置的环量沿流向分布的方式。由图可以看出，对斜流转子根部采用后部大的加功量，而对尖部则采用前部环量差比较大的分布方式。之所以采用这种环量分布方式，是由于叶轮从根到尖，随着进口半径的增加，切线速度增大，叶尖进口相对马赫数偏高，增压能力强。载荷集中在前部一方面实现了高增压能力，另一方面，后部负荷较低也可有效控制该区域的分离。而斜流叶轮根部进口马赫数偏低，若进口处环量差过大，将导致叶片出现过弯并容易导致气流分离，从而影响斜流叶轮的性能。同时，斜流叶轮的出口半径较大，所以可以在叶轮后部适当增加负荷，以提高叶轮根部的增压能力。

2.2 叶片造型

本文采用了任意中弧线叶片造型程序，对该斜流+轴流组合式压气机各级叶轮叶片进行造型。在造型过程中，需给定一些叶型的基本参数，如攻角、落后角、前后小缘半径、最大厚度、最大厚度相对位置等。叶型厚度分布规律均采用三次多项式厚度分布。图4所示为该斜流+轴流组合式多级压气机各级叶片的造型结果。为提高斜流级转子近出口处的稠度，防止气流在斜流级出口处发生大面积的分离，针对斜流级转子采用了分流叶片结构。其中，分流叶片弦向位置从40%弦长处开始直到尾缘，周向位置为50%栅距处。

为降低斜流静子根部进口的马赫数，一方面通过调整斜流转子轮毂机匣型线来降低出口马赫数，另一方面通过调整斜流转子的落后角，给定较负的落后角来降低出口的绝对速度。

3 组合式多级压气机流场数值分析

在完成该斜流+轴流组合式多级压气机通流设计和叶片造型后，结合三维数值模拟方法对其流场进行了研究。该多级压气机的转子叶尖间隙为0.2 mm，固壁面第1层网格单元Y+≤10。数值模拟采用（Spalart-Allmaras）S-A湍流模型，其边界条件设置如下：给定进口总温、总压；给定各转子交界面的静压和出口平均背压；壁面采用无滑移绝热条件。

图5所示为该组合式多级压气机的特性曲线。由图可以看出：从流量压比特性上，近设计点的总压比达到4.23，满足了设计时2级总压比4.2的要求，绝热效率也高达88.3%；设计点换算流量为19.6 kg/s，满足了设计换算流量19.36 kg/s的基本要求。

图6所示为该组合式多级压气机斜流级流量压比和流量效率的特性曲线。由图可以看出：在近设计点，斜流级的总压比达到2.95。但从特性来看，压气机还存在着堵塞现象，斜流级绝热效率特性仍处于特性曲线的左半支，这不利于压气机的稳定工作，需通过调整后面级的设计来解决问题。

根据对该压气机近设计点的分析，得到了如图7所示组合式多级压气机斜流级静子进口处马赫数沿展向分布的情况。由图可以看出：最大马赫数位置出现在根部3%展高和尖部91%展高处，叶中50%展高处的马赫数较低。其中，根部最大马赫数达到了0.87，该马赫数相对较高，可能会导致静子吸力面的气流马赫数接近静子的临界马赫数。

图8所示为组合式多级压气机斜流级的总压比和绝热效率沿展向分布的情况。由图可以看出：斜流级的增压主要集中在50%展高以上的截面，中部及以下位置的增压能力相对较弱，这是由于给定根部区域较低的落后角降低了斜流叶轮根部的增压能力，也是为了限制斜流转子出口处的马赫数所带来的影响。

图9所示为组合式多级压气机各级流量系数和负荷系数沿展向分布的情况。由图可以看出：斜流级叶中区域的负荷系数仍然较低，需要继续提高叶中区域的负荷能力；压气机流量系数均高于设计值，流量系数过高将会带来后面轴流级的流动堵塞问题，若轴流级处于堵塞状态，则会影响轴流级的特性。

图10所示为组合式多级压气机S1流面10%，50%，90%展高处的相对马赫数等值线。由图可以看出：对于压气机近根部区域的流动，斜流级静子吸力面最大相对马赫数为1.02，但由于静子设计气动弯角较小，所以并未产生分离流，不过轴流级静子有一个明显的分离区；叶中截面的流动情况较为良好，斜流级静子吸力面最大相对马赫数为0.97；对于叶尖截面，斜流级转子吸力面有一道激波，波前相对马赫数超过1.2，波后产生了较大的低速区，这也是导致斜流级尖部效率较低的原因。此外，轴流级静子始终处于一个较大的负攻角状态，堵塞特征比较明显，这不利于轴流级的性能，也符合上述分析过的由于过高流量系数所具有的流动特征。

若要改善这种情况，一方面需要增加斜流静子的弯角，以改善后面级所具有的负攻角特性，另一方面则需对轴流级进行细致的调节，通过调整流道型线和攻角落后角的匹配等来改善流动情况。

表2给出了研究的某斜流+轴流组合式多级压气机各级三维数值模拟结果和设计指标对比。从给出的近设计点性能结果可知：斜流级近设计点总压比为2.95，绝热效率为93.8%，均满足设计要求，甚至高于设计值；轴流级近设计点总压比为1.433，绝热效率为84.7%，相比设计值偏低。轴流级偏大的流量系数反映出有较大的负攻角特性，并且轴流级静子根部的分离流动在一定程度上影响了轴流级的总压比，造成效率偏低。

表2 压气机设计值与三维模拟结果对比Table 2 Comparison of 3D simulation results with design parameters for multi-stage compressor

4 结语

本文采用了一套通用于轴流、离心和斜流压气机的S2流面气动设计程序，对斜流+轴流组合式多级压气机进行了气动设计，确定了压气机的流道形式、环量分布及气动布局等，并对该压气机进行了叶片造型。最后，对该组合式压气机进行了三维数值模拟。由组合式多级压气机总的特性曲线可知，该组合式多级压气机的数值计算结果满足设计要求，但在轴流级流动及其与斜流级流动匹配性方面仍有进一步改进的余地，具体设计难点包括如下：

1）斜流级静子进口处相对马赫数过高，且静子吸力面最大相对马赫数仍然超过1，斜流级静子易产生气流分离；

2）为降低斜流级静子的气流分离，斜流级静子弯角过小，且流量系数偏大，导致轴流级处于一个较大的负攻角状态；

3）斜流级特性曲线仍处于压气机特性曲线的左半支，不利于压气机的稳定工作。

综上所述，对于斜流+轴流组合式多级压气机的气动设计，轴流级与斜流级的流动匹配性优化将是今后设计研究的重点。