某轴流压缩机气动性能模拟及试验验证*

卢傅安 王晟旻 孙永瑞 雷鹏飞 龙炳祥

（1.沈阳鼓风机集团股份有限公司；2.中国空气动力研究与发展中心）

0 引言

轴流压缩机具有流量大、效率高、结构简单、易于维护等特点，广泛应用于冶金、航空、空分等领域。传统工业上使用的多级轴流压缩机一般在成熟的机型的基础上进行增减级和模化设计。而燃气轮机、风洞用多级轴流压缩机对效率、流量工况范围要求较高，一般采用定制化的方式进行设计。在多级轴流压缩机内部，气体的流动非常复杂，三维流动的影响十分显著。叶顶间隙泄漏流、叶根角区失速、二次流和通道涡的形成严重影响轴流压缩机的性能。尤其是在三维流动效应较强的叶片端壁区域，采用二维或准三维设计体系已不能完全适应进一步研制高性能多级轴流压缩机的需求。为了提高轴流压缩机气动性能，大量的学者开展了相关的研究。Korakianits[1]等学者发现叶排间尾迹的相互干涉作用对叶轮机械整体的气动性能有显著的影响。Dorney[2]等研究发现通过调节转子上游静叶排与下游静叶排的相对位置（clocking 现象），压缩机的效率可提高0.6%～0.7%，并以设计工况点的实测性能参数来确定模型中的修正系数。吕伟领[3]等利用PIV和锁相技术相结合，研究了轴流压缩机动静叶相干涉现象对内部流动的影响。此外，有大量学者研究了静叶调节[4-5]、安装角变化[6]、排气蜗壳[7]对轴流压缩机气动性能的影响。为了更加准确预期多级轴流压缩机的气动性能，韩明、谷传纲[8]等学者在描述机内流动、各种损失与压升的物理模型的基础上，建立了多级轴流压缩机设计工况下的性能预测模型。同时不少学者尝试利用三维CFD软件NUMECA开展轴流压缩机的气动性能计算分析[9-11]。这些学者尽管对轴流压缩机进行了性能预测，但没有通过试验验证预测方法的可靠性。

为了验证数值计算的准确性，本文采用数值模拟方法对某三级轴流压缩机进行了气动性能的模拟，并进行该轴流压缩机的气动性能试验。

1 轴流压缩机气动性能的数值模拟

研究对象为某带IGV调节功能的三级轴流压缩机，其参数如表1所示。其5个典型工况点参数如表2所示。

表1 轴流压缩机相关参数Tab.1 The parameters of axial compressor

表2 轴流压缩机工况点Tab.2 Five operating points of axial compressor

1.1 计算区域及网格划分

本文对该三级轴流压缩机进行三维流场计算，计算域包括头罩、压缩机段及扩散段。分析区域从截面2到截面3。如图1所示。

图1 轴流压缩机计算域Fig.1 Calculation domain of axial compressor

对该轴流压缩机进行网格划分。所有流动区域网格均为六面体结构化网格，同时对边界层网格进行加密，使得计算区域壁面Y plus 绝大部分均在1 附近，各级动静叶区域Y plus均小于5。并对该三级轴流压缩机的网格进行了网格无关性分析。最终的网格如图2 所示。网格数量如表3所示。

图2 计算网格Fig.2 Calculation grid

表3 各区域的网格数量Tab.3 Number of grids in each region

1.2 边界条件

进口边界条件设置为：总压、总温、轴向进气。

出口边界条件设置为：质量流量；壁面为绝热无滑移条件。

此外，在气动性能分析中，均考虑了动叶叶顶间隙，同时忽略了密封对气动性能的影响。在气动性能分析中，均只进行了单通道定常分析。

1.3 求解器及收敛判定

采用商业软件CFX17.2 求解三维定常可压缩雷诺平均N-S（Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS）方程来对气动性能进行数值预测。采用基于k-ω 的剪切应力输运（Shear Stress Transport,SSY）湍流模型封闭控制方程。对流项采用高分辨率二阶迎风格式，扩散项采用二阶中心格式进行RANS方程的空间导数项离散。

将连续性方程、三个方向速度方程、能量方程、湍动能方程及Omega 方程的相对残差设置为1×10-5，作为流场计算的收敛标准。

1.4 数值模拟结果

采用上述数值模拟方法，对压缩机的5个典型工况进行计算，得到如表4所示的数值预测性能。

表4 数值模拟结果Tab.4 Numerical simulation results

2 轴流压缩机气动性能试验

轴流压缩机试验装置主要包括集流器、过滤器、阀门、压缩机本体（含第一、二拐角段）、驱动系统（含电机和变频器）、辅助系统（含盘车装置、防喘振系统、润滑油系统、供气系统、冷却水接口等）和控制系统。

2.1 试验标准

气动性能试验标准为ISO5389，其中等熵效率采用扭矩仪测功率方法进行计算。

2.2 试验台布置

轴流压缩机试验布置如图3 所示。轴流压缩机进气管路前端连接集流器，用来测量气体流量。集流器连接带有空气过滤装置的直管路，用来过滤空气中的杂质，确保压缩机安全运转。在进口直管路布置总压与总温测点。进口管路连接至压缩机进口法兰。出口管路上布置总压与总温测点，之后连接调节阀。弯头后的排气出口布置至厂房外。轴流压缩机性能测试总体布局如图4 所示。其中截面②和截面③之间为轴流压缩机性能测试截面。

图3 轴流压缩机气动性能试验布置简图Fig.3 Layout diagram of aerodynamic performance test of axial compressor

图4 模型机性能测试总体布局Fig.4 Overall layout of performance test for model machine

截面②位于模型机进口蜂窝器前，用于测量模型机进口的总压、静压和总温。探针布置方式如图5 所示。该截面布置有6个总压排架，6个静压测点，4个总温测点。

图5 测试截面2测点布置Fig.5 Test point layout of test section 2

截面③位于模型机出口，用于测量模型机出口总压、静压和总温，探针布置方式如图6 所示。该截面布置有2 个总压排架，3 个静压测点和4 个总温测点。排架与筋板的相对位置角度如图6 所示。试验现场如图7 所示。

图6 测试截面3测点布置Fig.6 Test point layout of test section 3

图7 试验现场图Fig.7 Test on site

2.3 测量设备

轴流压缩机气动性能测试相关的主要测试仪器、仪表的相关信息如表4所示。

表4 轴流压缩机主要试验仪器仪表Tab.4 Main test instruments of axial compressor

2.4 工况点稳定及喘振点的判断标准

在测试过程中，连续两分钟之内总压比变化在1‰，同时扭矩变化5‰来判断该工况点是否稳定。通过关喘振阀门直至总压比发生突降，判断该工况点是否发生喘振。

2.5 误差分析

主要针对压比和等熵效率进行误差分析。根据《热能与动力机械测试技术》，用间接测量结果的误差估计方法进行误差分析，误差计算函数为：

其中，Δxi为直接测量误差，Δy为间接测量误差，压比的计算公式为：

根据上式，各直接测量参数误差表示为：

则压比总误差为：

根据上述间接误差计算公式得到试验各工况点的压比误差如表5所示，可以看出各工况点的压比误差最大值为-0.012%。

表5 压比误差分析结果Tab.5 Analysis results of pressure ratio error

效率的计算公式为：

根据上式，各直接测量参数误差为：

效率误差分析结果如表6 所示。从表6 可知，不同工况点等熵效率偏差值最大为1.44%。

表6 等熵效率误差分析结果Tab.6 Analysis results of isentropic efficiency error

3 结果及分析

为了验证该轴流压缩机试验的可靠性，对工况点5进行了4次复测，结果见图8所示。折合流量的定义为：，其中Qm为质量流量，T0为压缩机进口总温，P0为压缩机进口总压。

图8 该轴流压缩机多次试验值对比（工况5）Fig.8 Comparison of multiple test values of the axial compressor(operating points 5)

从图9 可知，4 次试验曲线基本重合，重复性良好。其它工况也类似，这里不一一列出。

图9 CFD和试验气动性能对比（工况1）Fig.9 Comparison of CFD and test performance(operating points 1)

该轴流压缩机的5 个试验工况下的气动性能如图10～图14 所示。从图10 可以看出，试验的等熵效率曲线异常，这主要是由于工况1的转速较低，该轴流压缩机扭矩小，导致扭矩仪测量误差较大。从图10～图14可知，在5 个试验工况下，该轴流压缩机的等熵效率的数值结果与试验值吻合良好。各试验工况下等熵效率试验值与CFD 的差别为-1.9%～2.8%。除了近喘区域外，该轴流压缩机的总压比的试验值均高于数值结果。各试验工况下总压比试验值与CFD 差别为0.0022～0.0117。同时各个马赫数试验的喘振线与CFD 预测的喘振线吻合良好。各工况点的详细对比如表5 和表6 所示。因此，气动性能数值预测方法是可靠的。该轴流压缩机在常温常压工况下的气动性能满足设计要求。

图10 CFD和试验气动性能对比（工况2）Fig.10 Comparison of CFD and test performance(operating points 2)

图11 CFD和试验气动性能对比（工况3）Fig.11 Comparison of CFD and test performance(operating points 3)

图12 CFD和试验气动性能对比（工况4）Fig.12 Comparison of CFD and test performance(operating points 4)

图13 CFD和试验气动性能对比（工况5）Fig.13 Comparison of CFD and test performance(operating points 5)

图14 各工况下总压比曲线的数值结果与试验值对比图Fig.14 Comparison of CFD result and test result of total pressure ratio curve under various working conditions

表7 该轴流压缩机的数值计算与试验对比（等熵效率）Tab.7 Comparison of numerical calculation and test for the axial compressor(isentropic efficiency)

表8 该轴流压缩机的数值计算与试验对比（总压比）Tab.8 Comparison of numerical calculation and test for the axial compressor(total pressure ratio)

4 结论

本文对某轴流压缩机内部的流场进行了数值模拟，并对该轴流压缩机的气动性能进行了试验测试，得出如下结论：

1）对该轴流压缩机的各个工况分别进行了6 次复测，多次试验曲线基本重合，说明该轴流压缩机气动性能试用的重复性良好，试验结果可信。

2）该轴流压缩机各个马赫数工况下的总压比的试验值均高于数值结果。各马赫数下等熵效率的数值结果与试验值吻合良好。各个马赫数试验的喘振线与数值预测的喘振线吻合良好。因此，气动性能数值预测方法是可靠的；

3）该轴流压缩机气动性能满足设计要求。