某小流量三级轴流压气机的气动性能及数值分析

张 彪，宋丹路，曲帅杰

（西南科技大学 制造科学与工程学院，绵阳 621010）

0 引言

自上世纪以来，航空发动机和燃气轮机呈现出高负荷、高压比的发展趋势[1]。压气机作为航空发动机和燃气轮机的三大核心部件之一，其气动性能影响到整个动力系统的工作效益。压气机的研制与试验等费用相当昂贵，而三维数值模拟计算可验证压气机的不同工况下的特性性能，其计算不受风洞、湿度等外界因素的影响，从而可用数值模拟计算方法对其进行预研和评估，加快研发效率和缩短研制周期。由于负荷与压比的提高和跨音速多级轴流压气机的内部流动复杂，其流道内通常具有附面层分离、激波与泄露流等二次流的相互作用引发压气机在近壁面的损失。因而多级轴流压气机的全三维流场计算方法成为研制高压比、高负荷轴流压气机的关键技术。

近二十多年来，针对跨音速轴流压气机的级间匹配、激波、二次流、内部流场复杂、数值模拟计算和多级压气机难以收敛等问题，国内外学者专家[2,3]{Lecheler，2001 #10；Wellborn，2001 #2；马文生，2007#12}对其进行了气动设计和数值分析。J.D.Denton[4]对多级轴流压气机进行了三维数值模拟计算。Steven[5]利用新开发的多级CFD系统，重新设计叶片，使得压气机的总效率提高了1%。Wang Zhuo[6]利用数值计算对某3.5级轴流压气机进行了数值研究，着重分析了稳况和变工况下的流场。高学林[7]利用三维粘性流动软件对某重型燃气轮机多级轴流压气机进行了全工况的数值计算，重点分析了稳况下可调导叶角度的变化。苏欣荣[8,9]利用商用CFD计算工具，初步预测了多级轴流压气机在稳况和变工况的性能，着重分析了失速点、堵塞点、最高效率点等典型工况点的流场特性。张士杰[10]采用一种快速求解三维粘性流场的计算方法对五排压气机进行了全工况的数值计算，对比分析了五排联算与前三排的后级对前级的影响。

终上所述，为了研究分析轴流压气机的内部流动机理、典型工况下的气动性能和压气机在近壁面的损失机理，因此，本文以三级跨音速轴流压气机为研究对象，利用三维数值模拟技术（CFD）计算并对比分析数值模拟结果和设计方案，得到跨音速轴流压气机的特性曲线、流动机理和各工况下的损失情况。

1 研究对象与计算方法

1.1 研究对象简介

本文的研究对象为三级轴流跨音速压气机，其设计转速42000r/min，设计总压3，设计流量4.8kg/s，设计效率87%。图1为该研究对象的子午流道。

1.2 数值计算方法

图1 压气机的子午流道

图2 压气机的单通道计算网格

本文使用CFD商用软件对跨音速轴流压气机进行了定常数值模拟，求解三维雷诺平均的N-S方程组[11]，以及采用S-A湍流模型，并在使用了网格多重技术、残差光速等方法加速收敛[12,13]。由于存在激波问题，动静交界面采用二维无反射转静子模型。定常流，工质为理想气体。

该模型的单通道计算网格如图2所示，网格拓扑结构采用H-O-H结构，各叶片及周围采用O型网格，进口段与出口段均采用H型网格。近壁面第一层网格高度ywall=1×10-6m。以保证第一层网格y+<5。取特征速度175m/s，特征密度1.2kg/m3。特征长度0.205m。如表1所示，网格总数4262394，最小正交性角度25.438，最大长宽比1770.6，最大延展比1.99，即该网格质量较好，符合计算条件。

压气机进出口边界条件：进口给定总温288.15K、总压101325pa，轴向进气。出口给定中径处的背压，利用简化径向平衡方程得到背压沿展向的分布情况。在数值模拟过程中，通过改变出口背压得到不同工况下的内部流场以及特性曲线。

表1 压气机的网格质量

2 数值计算结果及分析

2.1 总体性能

图3 设计转速下的特性曲线

为了分析研究该压气机的内部流动特性，通过不断增加出口背压，使收敛点向发散点靠拢，当达到发散时，即该点为失速点。反之，降低出口背压，当流量不在增加时，该点为堵塞点，从而得到设计转速下的不同工况。图3是压气机的特性曲线，由于目前缺乏该压气机的实验数据，通过与设计值相比，该计算整体达到设计要求，但效率较低，与设计效率相差3%左右。即该数值模拟计算方法能够描绘压气机的内部流动情况及预测该研究对象的总体性能。由特性曲线看出，当运行工况向近堵塞点和近失速点靠拢时，等熵效率下降到80%左右。为了进一步分析该原因，下面将着重分析压气机在典型工况下的损失问题。

2.2 典型工况下的流场分析

2.2.1 相对马赫数分析

为了更好的分析压气机的流动特性，本文选用设计点、最高效率点、失速点、堵塞点进行分析。图4、图5分别给出了各工况下50%与90%叶高处S1流面的相对马赫数云图，各自转子的前缘和动叶的吸力面50%区域处于超音速状态，其余区域及静子属于亚音速流动。由于边界层的作用以及附面层分离的影响，靠近转静子尾缘部分，出现了一小部分低速流体。设计点以及最高效率点的低能团较弱。近失速点工况下第一级静子吸力面叶高90%处低能团几乎覆盖了整个吸力面，而当到达叶顶时，由于叶间间隙的影响，低能团还会逐渐扩散。在这四种工况下，低速流体的位置明显不同，在50%叶高处的S1流面的低速流体主要附着于吸力面靠近尾缘10%～20%左右，且主要分布在叶片的吸力面处，从尾缘向前缘延伸，并逐渐扩散，最终导致堵塞。我们还可以看到在动叶及静叶吸力面靠近尾缘的位置，马赫数等值线在叶片的吸力面以及动叶前缘分布密集，意味着该区域的逆压强度大、流动剧烈、速度变化趋势大、近壁面出现边界层分离，这也是造成流场不稳定、出现导流、效率较低的原因。如图4、图5所示，由于跨音速的影响，在动叶前缘以及吸力面的位置有两道正激波，沿着出口轴向位置，激波逐渐远离动叶前缘，并在动叶前缘处形成了脱体激波，而在动叶吸力面的前缘至尾缘部分形成了槽道激波，沿着背压不断提高，也就是向失速点靠近时，动叶前缘的脱体激波以及动叶吸力面的槽道激波逐渐减弱。当工质通过逐渐通过这些激波时，速度明显下降，静压升高，造成了激波损失。

图4 不同工况下50%叶高处S1流面的相对马赫数分布

图5 不同工况下90%叶高处S1流面的相对马赫数分布

2.2.2 转子型面的压力分布

图6 设计工况下各级转子静压沿轴向分布

各级型面压力的分布情况，较好的描述了整个压气机的做功加压情况以及不同叶高处的负荷情况。图6分别给出了实际设计工况下的各级转子不同叶高的静压分布情况。由于动叶的主要作用是减速增压，即沿着流动方向和叶高方向，各级转子的静压逐渐增大，并且静压曲线的面积也随之增加，表明叶片的加工量随着叶高和流向方向加大。可以看出各级转子压力面的压力分布情况均匀，逆压强度变化平缓，无明显压降以及流动分离情况。而吸力面的分布与压力面存在着较大的差异，在50%叶高处，第一级转子的吸力面距离前缘10%～50%区域、其余两级距离前缘40%～50%区域均出现了压降，气流呈现涡旋的状态以及分离的现象。由于压降产生的气体分离导致压气机的损失加大，效率降低。从静压沿轴向的分布情况，各级转子吸力面距离前缘50%～60%处，压力突然由低升高，压力沿轴向弦长方向出现波动。由于跨音速流动引发的叶间流道内的槽道激波，以致叶片尾缘出现了分离现象，压力升高，流速降低形成了低能区域，造成阻塞。而静压的升高，造成了逆压强度的增大，而过大的吸力面的逆压强度，进一步造成了吸力面损失的增加。这间接验证说明了上述关于S1流面的相对马赫数的分析。

2.2.3 典型工况下的熵分布

熵增可以直观反映压气机在各工况下的损失情况。图7分别给出了压气机各工况下子午面的熵的分布情况，从图中清晰得知，沿着子午面流向，熵逐渐增加。各工况下熵的最大值出现于接近出口截面。由于间隙流动产生的泄露涡以及叶片尾缘的附面层分离等因素，熵主要分布于叶顶与叶根，在叶顶位置损失最为严重。在85%以上的叶高区域出现了高熵增区，随着背压的不断提高，逆压强度增大，熵增区域扩散越发明显，在失速工况下，熵增几乎覆盖了50%的出口区域，即压气机在失速工况下的损失最为严重。结合相对马赫数的分析，在叶高区域，由于间隙流的影响及附面层的相对作用，聚集了大量的低能团，这也是导致熵增的主要原因。

图7 典型工况下S2流面的熵增分布

为了进一步分析压气机在径向方向上损失的情况，选用实际设计点工况下50%和95%的S1流面作为分析对象。图8的熵增分布情况，在径向方向上，随着叶高的增加熵增逐渐加大，熵增主要分布于转静子的吸力面并且靠近尾缘，这也对应了相对马赫数的分布情况，上下端壁的附面层加厚，导致流动分离现象严重并聚集了大量的低能团，从侧面验证了为何近壁面熵逐渐增大。

3 结语

本文使用三维数值模拟计算方法对某三级轴流压气机进行了仿真计算，通过计算分析值与设计值进行对比分析，主要得出了以下结论：

1）得到了在设计转速下的工作特性以及总体性能，同时获得了该跨音速压气机的内部流场细节。

图8 设计工况下不同叶高的S1流面的熵增分布

2）通过改变出口中径处的背压，得到了近最高效率点、近堵塞点及近失速点，并分别分析了四种典型工况下的相对马赫数，得到这四种工况下低能团的大致位置以及激波的位置。近最高效率点和设计点的低能区域较小，流动状况较好。随着背压的提高，低能团区域逐渐扩散。在近失速点，第一级静子吸力面区域产生了大量的低能团，从而加剧了流道阻塞进而使转子失速。在这四种工况下，激波均分布于动叶前缘和动叶流道内，随着背压的提高，激波在近失速点达到最强。

3）通过对近设计点各级转子型面压力的分析和熵增分布的情况，压气机的损失主要来源于叶高80%以上的区域。压气机的效率较低的原因是：动叶前缘的脱体激波和叶间流道内的槽道激波、叶顶间隙的泄露流，转静子吸力面的低能团引发的阻塞现象。

4）由于该压气机的损失较为严重，特别是动静叶尾缘的附面层，如何抑制激波带来的损失以及降低流动分离的损失以及改善动静叶叶型是下一步优化的方向。