某多级轴流压缩机的数值模拟研究

党芳， 张俊强

(1.飞迈（烟台）机械有限公司，山东 烟台264000; 2.烟台现代冰轮重工有限公司，山东 烟台264000)

0 引 言

作为燃气轮机的重要组成部件之一，多级轴流压缩机通过自身的压缩功能向燃烧室提供高压空气，以供涡轮膨胀做功。多级轴流压缩机的流量比较大、效率高、结构简单、易于维护，比较适合于地面燃气轮机[1-2]。

用于燃气轮机的多级轴流压缩机，与传统工业上使用的多级轴流压缩机不同，燃气轮机压缩机对效率、流量工况范围等要求较高；同时，燃气轮机压缩机与透平同轴设计，由透平直接带动压缩机转动，转速相对较高，多级压缩机的级间匹配关系复杂，这都对压缩机的气动设计提出了较高的要求。目前国内尚无成熟的用于燃气轮机的多级轴流压缩机产品，对于多级轴流压缩机设计方法多是根据传统工业用压缩机进行优化设计或参考国外成熟机组，以获得高效、大流量的多级轴流压缩机设计方法[3-4]。

根据引进的某型号燃气轮机，对其多级轴流压缩机进行技术消化吸收，本文针对该多级轴流压缩机，利用三维CFD软件NUMECA[5-8]开展轴流压缩机的气动性能计算分析，分析多级轴流压缩机的总体气动性能、各级的气动参数分布、单级压缩机的叶展方向气动参数分布及压缩机内部流场，掌握该多级轴流压缩机的设计思想，为后续的燃气轮机轴流压缩机设计、优化改型提供技术支撑。

1 计算模型及数值方法

根据相关文献资料，整理该压缩机的轮毂、轮缘数据，对叶片吸力面、压力面数据点进行整理，将轮缘、轮毂线和叶片数据导入NUMECA中，得到压缩机的子午流道通流结构，如图1所示。该轴流压缩机共9级，计算模型的网格划分采用NUMECA 软件的网格处理模块IGG/AutoGrid生成，由于压缩机级数较多，在满足网格质量的要求下，网格数约为1900万，网格模型如图2所示。

图1 压缩机子午流道示意图

图2 网格模型

压缩机流场的数值计算采用FINE/TURBO模块进行[9-10]。压缩机的进口设置总压和总温，并给定气流速度方向，压缩机的出口设置静压条件。

2 结果分析

2.1 总体气动性能分析

该轴流压缩机的设计转速为9400 r/min，经FINE/TURBO数值计算得到压缩机的压比-流量和效率-流量的关系曲线[11-12]，如图3和图4所示。通过图中的两条特性曲线可以看到，该9级轴流压缩机在设计转速下的工作流量范围为81.38～83.79 kg/s，最高效率能够达到0.8068，此时对应的增压比为4.2337，流量为82.69 kg/s；在近失速工况下的效率约为0.804，对应的增压比为4.5504，流量为81.38 kg/s；在近阻塞工况下，效率约为0.7265，对应的流量为83.79 kg/s，压比为3.043。

2.2 各级参数分布规律

多级轴流压缩机各级的气动参数具有一定的分配规律[13]，图5所示为压缩机各级的单级压比分配情况，通过压比分布情况可以看出该压缩机的设计思想，前3级压比较高，中间3级压比次之，最后3级压比较小；图6所示为压缩机各级的效率分配情况，中间级的效率最高，后3级的效率比较低。通过对不同工况条件下的特性曲线的分析，在前6级，近失速工况下的压比较近设计工况下的压比高，其效率较之近设计工况的降低主要体现在后4级上，前面几级的效率变化比较小，后面级的降幅则越来越大；而近阻塞工况较之近设计工况压比的降低则是在全部级上均有体现，且降幅向后不断增大，其效率的降低也是在全部级上均有体现，越后面的级，效率降低幅度越大。

图7所示为压缩机各级进口轴向速度分布，可以看到，轴向速度在前5级中逐渐减小，降低幅度不大，到第6级时降幅突然增大，这是由于在压缩机第5级级间抽气造成的，从第6级至最后级，轴向速度变化不大。对比各工况下的轴向速度分布，近阻塞工况下的轴向速度在后4级中大幅度升高，这是因为近阻塞工况的流量比较大，造成轴向速度较大，近失速工况的轴向速度较近设计工况低，变化规律相同；图8所示为压缩机各级进口气流角分布，设计工况下与近失速工况的气流角变化相同，气流角变化相对平稳，第1级角度较大，其他各级都在-65°～-60°之间，第2、3、4级，第5、6级，第7、8、9级的角度基本相同，而近阻塞工况气流角则越来越大，且远大于近设计工况下的进口气流角。

图3 设计转速下效率-流量曲线

图4 设计转速下压比-流量曲线

图5 设计转速各级总压比

图6 设计转速各级效率

2.3 气动参数展向分布

以压缩机的第1 级 为 例，说明气动参数沿叶高方向的分布情况[14-15]。图9和图10所示为压缩机第一级压比、效率沿叶高方向的分布，第1级中，设计工况下，20%叶高位置的压比较高，达到1.27，在18%～85%叶高范围内，压比分布比较均匀，叶根及叶顶部分由于上下端壁附面层的影响，压比较低；第1级的效率展向分布与压比分布相同，15%～90%叶高范围内效率变化微小，仅在两端效率由于端壁附面层的影响较低；对比3个工况的第1级压比和效率展向分布规律可以看出，压比随着工况由近阻塞工况向近失速工况发展而逐渐升高，效率也略有增加，但变化微小，展向的分布上，3种工况的分布规律相同。

图7 各级进口轴向速度分布

图8 各级进口气流角分布

压缩机第1级进口轴向速度和进口气流角的展向分布如图11和图12所示。当工况由近失速向近阻塞发展过程中，第1级的进口轴向速度逐渐增加，进口气流角也逐渐增大。通过轴向速度和进口气流角的分布可以看到，上下端壁附面层厚度逐渐增加，而且轴向速度和进口气流角的变化随工况的发展比较均匀。

图9 压比展向分布情况

图10 效率展向分布情况

3 结 论

本文以某引进型多级轴流压缩机为研究对象，采 用 NUMECA 软件进行了数值计算，数值计算分析结论如下：

1) 设计工况下，该压缩机总的增压比为4.2337，平均级压比为1.182，级压比分布相对较均匀，压缩机总效率为80.68%。

2) 通过对比分析不同工况条件下压比、效率、轴向速度、进口气流角等气动参数的级中和级间分布规律，把握压缩机的总体设计思想和各级设计特点。

图11 轴向速度展向分布情况

图12 进口气流角展向分布情况