某高增压比离心压气机流场的数值计算∗

田浩男 沈 伟 李 昂 张宇坤

（海军航空工程学院 烟台 264001）

1 引言

目前，随着发动机设计技术的快速发展，离心压气机性能不断提高，在小流量的燃气轮机中得到了广泛的应用［1］。同轴流式压气机相比，轴向尺寸小、稳定工作范围宽广、零件少、较高的单级压比和小流量适应性好是其主要优点。

某型离心压气机采用了单级离心叶轮增压的设计方案，设计转速下增压比达到了8，且具有较高的工作效率，这在国内高增压比离心压气机设计领域还较为少见。基于CFD理论，利用CFX仿真软件仿真计算压气机的工作流场［2～10］，充分研究探讨该型离心压气机的工作规律、流场中参数分布情况等方面，从中借鉴其设计方案优缺点，为下一步的改进设计提供重要的数据支撑，具有较大的工程研究价值。

2 计算模型与边界条件

2.1 离心压气机的实体模型

根据离心压气机的实际测绘尺寸数据，利用Bladegen软件建立压气机实体模型如图1所示。

图1 离心压气机的实体模型

该压气机的转子部件仅由一个单级离心叶轮组成，离心叶轮采用了大小叶片形式，各11个；统筹考虑该压气机性能和加工的难易程度，第一级静子采用了辐射安装的静子导向叶片，且叶片为梭型直叶片，沿着叶根至叶尖直上直下，几乎没有弯扭；第二级静子的功能是将上级的来流进一步减速扩压，同时将上级径向流动转变为轴向流动，顺利进入后面的燃烧室，为充分燃烧提供稳定的环境。因此，该级静子采用的是轴流静子导向叶片。

2.2 边界条件的设置

1）进出口设置。由于离心压气机出口面积较窄，静压分布比较均匀，所以经常把平均静压作为出口边界条件，本文选取总压进口—静压出口的组合边界条件，其中，进口总压设定为一个标准大气压，逐步改变出口静压以得到不同工况下的流场。

2）壁面设置。壁面分两类设置，对于进气道，静子等静止壁面设置为光滑，无滑移的绝热壁面；对于旋转的叶轮，同样采用光滑绝热壁面，但设置为运动的Counter Rotating Wall，并输入相应的转速。

3）交界面设置。本文的仿真主要针对压气机的定常工作流场，由于该压气机转速较高，很可能存在激波，分离等复杂气动现象，为成功捕捉到这些现象，本文选用冻结转子法处理动静区域交界面。另外，为减少计算量，充分利用模型的周期性，以一个单通道作为计算对象，所以在通道两侧设置成旋转周期性边界条件。最后边界条件设置结果如图2所示。

4）其他求解设置。本文仿真计算是定常计算，但CFX求解时采用的是从非定常收敛到定常的计算方法，这里，选用CFX中自带的自动时间步长设置功能（Auto Timescale）。

收敛判断。本文以进出口流量平衡作为计算是否收敛的判断依据，具体为当两者流量绝对值的相对偏差小于0.5%时，进出口流量近似看作达到平衡，即计算收敛；另外，计算残差目标值设置为小于10-6，计算总步数为1000。

3 数值计算结果与分析

3.1 整机流场分析

图3和图4分别为在设计工况下整机流场的静压分布和相对马赫数分布图。由图可见，在设计工况下，整机流场的静压、马赫数总体分布和速度矢量分布比较均匀，随着气流在四个部件内的流动，静压整体上逐渐增大，相对马赫数则呈现出先增大后减小的趋势。

图3 整机流场静压分布

图4 整机流场相对马赫数分布

虽然进气道支板的尾部出现了一束尾迹流，但没有对后面的流场造成太大影响；在叶轮叶片前缘的吸力面出现了一道中等强度的激波，而在后缘出现了一个较大范围的低速区；气流在进入第一级静子流道时，速度已经达到超音速，在叶片前缘出现了一道较强激波和低压区，紧随激波后气流压强快速增大，速度不断减小，最终以亚音速进入到第二级静子，由此可以判断该型压气机主要通过激波对气流进行增压；流入第二级静子后，气流速度进一步减小，压强不断增大，在叶片尾部可能会出现分离现象。第二级静子尾部可能出现分离现象。

3.2 叶轮流场分析

图5、图6、图7分别为不同叶高流场参数分布图。在气流进入叶轮流道前，由于叶片前缘进口角不合适，气流以较小正攻角进入流道，在流道唇口处产生了一道弱激波，致使流通面积变小，并发生了不同程度的分离，造成能量损失。

图5 20%叶高流场参数分布图

图6 50%叶高流场参数分布图

图7 80%叶高流场参数分布图

采用的小叶片既能较好地起到抑制叶片后段气流分离的作用，又不会减小气流的流通面积。气流在刚进入叶轮流道后，20%和50%叶高的流动情况有所好转，尤其是20%叶高，气流速度呈现出不断增大的趋势，但50%叶高在流道后半段叶片吸力面出现了一个较小范围的低速区。虽然叶轮后段采用了叶片前倾的技术措施以减小泄露流，但该叶轮级采用了中等后弯角度的设计方案，加之气动负荷较高，因此在叶片后段80%叶高以上流动情况最为复杂和恶劣，在流道后段小叶片的吸力面出现了较严重气流分离现象，流动损失较严重，限制了其稳定工作的范围。

从不同叶高的静压分布图和叶片表面静压分布曲线图中可以看到，不同叶高的静压分布规律比较相似。气流在叶片进口的吸力面产生局部低压区，这主要是受气流的分离的影响；进入流道后，静压总体呈现不断增加的趋势，且吸力面的静压比背压面要低；在流道的出口，静压分布非常不均匀，产生了局部高压区，这主要是受尾迹流的影响。

3.3 第一级静子流场分析

图8（a）给出了50%叶高的气流速度分布。整体上，叶片吸力面的速度要小于背压面。气流经过叶轮做功后，速度得到大幅提高，气流在进入第一静子流道前，已经达到超音速，其中叶片前缘头部位置的最高速度接近了两个马赫数。由于进气角度的不合适，在流道唇口出现一道强激波，然而叶片前缘的尖形设计还是能够很好地应对前方的高速来流，成功抑制住了高速区域的进一步发展，避免了气流在前缘吸力面和背压面出现气流分离的现象，使其在后面的流道中顺利减速增压，出现了一个高速区。

图8（b）给出了50%叶高的总压分布。气流刚从叶轮流出后总压分布基本达到了，但是在进入第一级静子流道前，总压变化极为剧烈，这是因为叶片前缘出现的高速激波致使流道拥堵，造成很大的流动损失。气流进入第一级静子流道后，流动开始逐渐平稳，流动损失也随之减小，因此，在流道内部气流的总压变化梯度也有所减小，分布也越来越均匀。从叶片后缘速度矢量分布图看，在叶片尾缘，两股速度不同的尾流掺混，造成一定能量损失和总压损失。

综上分析，该第一级静子能够较好地应对前方的高速来流，没有出现气流分离的现象。但是，该级压机已经工作在临界状态，唇口出现的强激波致使流道拥塞的问题依然存在，加上直叶片进气攻角的不合适，带来了较多的能量损失，致使总压降低。

图8 第一级静子流场参数分布图

3.4 第二级静子流场分析

和第一级静子的功能一样，第二级静子的作用也主要是引导气流进一步减速增压，但与第一级静子不同的是，气流在进入第二级静子流道前，其速度已经降低为亚音速。因此，在叶形选取上，该级静子采用了圆头拱型叶片，旨在能够避免在扩压改变流动方向的基础上尽量减小流动损失。从图9（a）中可以看到，叶片前缘成功地将前方来流平稳地引入到后面流道中，没有因为攻角的不合适而产生高速激波区域，气流速度的分布比较均匀，且逐渐减小。但是，由于该型叶片采用了大角度后弯设计，致使吸力面气流在流经后半段流道时，逆压气流产生了局部低速区和气流分离现象，发生了气流分离现象。

图9（b）为50%叶高总压分布图，和第一级静子的总压分布相比，第二级静子分布更加均匀，在整个流道内部的分布也是比较平稳的，呈现出中间高两侧低的特点，总压损失主要是因为两侧壁面的粘性致使气流滞留。但在流出第二级流道时，吸力面总压变化梯度有所增大，这主要是因上述尾迹涡和气流分离造成的。

图9 第二级静子流场参数分布图

4 结语

根据对在设计工况下流场的分析结果，该型离心压气机的部件设计比较合理。叶轮对气流的做功能力很强，在设计工况下几乎不存在气流分离现象；对于叶轮后超音速气流，采用梭型直叶片的第一级静子能够成功抑制气流的分离现象，能够顺利完成扩压减速的过程；第二级静子叶片的弯扭程度较大，能够使气流在进一步扩压减速后沿轴向流进后面的燃烧室，为充分稳定的燃烧提供良好的基础。