某高增壓比離心壓氣機流場的數值計算?

田浩男 沈 偉 李 昂 張宇坤

（海軍航空工程學院 煙臺 264001）

1 引言

目前，隨著發動機設計技術的快速發展，離心壓氣機性能不斷提高，在小流量的燃氣輪機中得到了廣泛的應用［1］。同軸流式壓氣機相比，軸向尺寸小、穩定工作范圍寬廣、零件少、較高的單級壓比和小流量適應性好是其主要優點。

某型離心壓氣機采用了單級離心葉輪增壓的設計方案，設計轉速下增壓比達到了8，且具有較高的工作效率，這在國內高增壓比離心壓氣機設計領域還較為少見?；贑FD理論，利用CFX仿真軟件仿真計算壓氣機的工作流場［2～10］，充分研究探討該型離心壓氣機的工作規律、流場中參數分布情況等方面，從中借鑒其設計方案優缺點，為下一步的改進設計提供重要的數據支撐，具有較大的工程研究價值。

2 計算模型與邊界條件

2.1 離心壓氣機的實體模型

根據離心壓氣機的實際測繪尺寸數據，利用Bladegen軟件建立壓氣機實體模型如圖1所示。

圖1 離心壓氣機的實體模型

該壓氣機的轉子部件僅由一個單級離心葉輪組成，離心葉輪采用了大小葉片形式，各11個；統籌考慮該壓氣機性能和加工的難易程度，第一級靜子采用了輻射安裝的靜子導向葉片，且葉片為梭型直葉片，沿著葉根至葉尖直上直下，幾乎沒有彎扭；第二級靜子的功能是將上級的來流進一步減速擴壓，同時將上級徑向流動轉變為軸向流動，順利進入后面的燃燒室，為充分燃燒提供穩定的環境。因此，該級靜子采用的是軸流靜子導向葉片。

2.2 邊界條件的設置

1）進出口設置。由于離心壓氣機出口面積較窄，靜壓分布比較均勻，所以經常把平均靜壓作為出口邊界條件，本文選取總壓進口—靜壓出口的組合邊界條件，其中，進口總壓設定為一個標準大氣壓，逐步改變出口靜壓以得到不同工況下的流場。

2）壁面設置。壁面分兩類設置，對于進氣道，靜子等靜止壁面設置為光滑，無滑移的絕熱壁面；對于旋轉的葉輪，同樣采用光滑絕熱壁面，但設置為運動的Counter Rotating Wall，并輸入相應的轉速。

3）交界面設置。本文的仿真主要針對壓氣機的定常工作流場，由于該壓氣機轉速較高，很可能存在激波，分離等復雜氣動現象，為成功捕捉到這些現象，本文選用凍結轉子法處理動靜區域交界面。另外，為減少計算量，充分利用模型的周期性，以一個單通道作為計算對象，所以在通道兩側設置成旋轉周期性邊界條件。最后邊界條件設置結果如圖2所示。

4）其他求解設置。本文仿真計算是定常計算，但CFX求解時采用的是從非定常收斂到定常的計算方法，這里，選用CFX中自帶的自動時間步長設置功能（Auto Timescale）。

收斂判斷。本文以進出口流量平衡作為計算是否收斂的判斷依據，具體為當兩者流量絕對值的相對偏差小于0.5%時，進出口流量近似看作達到平衡，即計算收斂；另外，計算殘差目標值設置為小于10-6，計算總步數為1000。

3 數值計算結果與分析

3.1 整機流場分析

圖3和圖4分別為在設計工況下整機流場的靜壓分布和相對馬赫數分布圖。由圖可見，在設計工況下，整機流場的靜壓、馬赫數總體分布和速度矢量分布比較均勻，隨著氣流在四個部件內的流動，靜壓整體上逐漸增大，相對馬赫數則呈現出先增大后減小的趨勢。

圖3 整機流場靜壓分布

圖4 整機流場相對馬赫數分布

雖然進氣道支板的尾部出現了一束尾跡流，但沒有對后面的流場造成太大影響；在葉輪葉片前緣的吸力面出現了一道中等強度的激波，而在后緣出現了一個較大范圍的低速區；氣流在進入第一級靜子流道時，速度已經達到超音速，在葉片前緣出現了一道較強激波和低壓區，緊隨激波后氣流壓強快速增大，速度不斷減小，最終以亞音速進入到第二級靜子，由此可以判斷該型壓氣機主要通過激波對氣流進行增壓；流入第二級靜子后，氣流速度進一步減小，壓強不斷增大，在葉片尾部可能會出現分離現象。第二級靜子尾部可能出現分離現象。

3.2 葉輪流場分析

圖5、圖6、圖7分別為不同葉高流場參數分布圖。在氣流進入葉輪流道前，由于葉片前緣進口角不合適，氣流以較小正攻角進入流道，在流道唇口處產生了一道弱激波，致使流通面積變小，并發生了不同程度的分離，造成能量損失。

圖5 20%葉高流場參數分布圖

圖6 50%葉高流場參數分布圖

圖7 80%葉高流場參數分布圖

采用的小葉片既能較好地起到抑制葉片后段氣流分離的作用，又不會減小氣流的流通面積。氣流在剛進入葉輪流道后，20%和50%葉高的流動情況有所好轉，尤其是20%葉高，氣流速度呈現出不斷增大的趨勢，但50%葉高在流道后半段葉片吸力面出現了一個較小范圍的低速區。雖然葉輪后段采用了葉片前傾的技術措施以減小泄露流，但該葉輪級采用了中等后彎角度的設計方案，加之氣動負荷較高，因此在葉片后段80%葉高以上流動情況最為復雜和惡劣，在流道后段小葉片的吸力面出現了較嚴重氣流分離現象，流動損失較嚴重，限制了其穩定工作的范圍。

從不同葉高的靜壓分布圖和葉片表面靜壓分布曲線圖中可以看到，不同葉高的靜壓分布規律比較相似。氣流在葉片進口的吸力面產生局部低壓區，這主要是受氣流的分離的影響；進入流道后，靜壓總體呈現不斷增加的趨勢，且吸力面的靜壓比背壓面要低；在流道的出口，靜壓分布非常不均勻，產生了局部高壓區，這主要是受尾跡流的影響。

3.3 第一級靜子流場分析

圖8（a）給出了50%葉高的氣流速度分布。整體上，葉片吸力面的速度要小于背壓面。氣流經過葉輪做功后，速度得到大幅提高，氣流在進入第一靜子流道前，已經達到超音速，其中葉片前緣頭部位置的最高速度接近了兩個馬赫數。由于進氣角度的不合適，在流道唇口出現一道強激波，然而葉片前緣的尖形設計還是能夠很好地應對前方的高速來流，成功抑制住了高速區域的進一步發展，避免了氣流在前緣吸力面和背壓面出現氣流分離的現象，使其在后面的流道中順利減速增壓，出現了一個高速區。

圖8（b）給出了50%葉高的總壓分布。氣流剛從葉輪流出后總壓分布基本達到了，但是在進入第一級靜子流道前，總壓變化極為劇烈，這是因為葉片前緣出現的高速激波致使流道擁堵，造成很大的流動損失。氣流進入第一級靜子流道后，流動開始逐漸平穩，流動損失也隨之減小，因此，在流道內部氣流的總壓變化梯度也有所減小，分布也越來越均勻。從葉片后緣速度矢量分布圖看，在葉片尾緣，兩股速度不同的尾流摻混，造成一定能量損失和總壓損失。

綜上分析，該第一級靜子能夠較好地應對前方的高速來流，沒有出現氣流分離的現象。但是，該級壓機已經工作在臨界狀態，唇口出現的強激波致使流道擁塞的問題依然存在，加上直葉片進氣攻角的不合適，帶來了較多的能量損失，致使總壓降低。

圖8 第一級靜子流場參數分布圖

3.4 第二級靜子流場分析

和第一級靜子的功能一樣，第二級靜子的作用也主要是引導氣流進一步減速增壓，但與第一級靜子不同的是，氣流在進入第二級靜子流道前，其速度已經降低為亞音速。因此，在葉形選取上，該級靜子采用了圓頭拱型葉片，旨在能夠避免在擴壓改變流動方向的基礎上盡量減小流動損失。從圖9（a）中可以看到，葉片前緣成功地將前方來流平穩地引入到后面流道中，沒有因為攻角的不合適而產生高速激波區域，氣流速度的分布比較均勻，且逐漸減小。但是，由于該型葉片采用了大角度后彎設計，致使吸力面氣流在流經后半段流道時，逆壓氣流產生了局部低速區和氣流分離現象，發生了氣流分離現象。

圖9（b）為50%葉高總壓分布圖，和第一級靜子的總壓分布相比，第二級靜子分布更加均勻，在整個流道內部的分布也是比較平穩的，呈現出中間高兩側低的特點，總壓損失主要是因為兩側壁面的粘性致使氣流滯留。但在流出第二級流道時，吸力面總壓變化梯度有所增大，這主要是因上述尾跡渦和氣流分離造成的。

圖9 第二級靜子流場參數分布圖

4 結語

根據對在設計工況下流場的分析結果，該型離心壓氣機的部件設計比較合理。葉輪對氣流的做功能力很強，在設計工況下幾乎不存在氣流分離現象；對于葉輪后超音速氣流，采用梭型直葉片的第一級靜子能夠成功抑制氣流的分離現象，能夠順利完成擴壓減速的過程；第二級靜子葉片的彎扭程度較大，能夠使氣流在進一步擴壓減速后沿軸向流進后面的燃燒室，為充分穩定的燃燒提供良好的基礎。