某多級壓氣機流場數(shù)值計算?

張宇坤 李 昂 張 赟

（海軍航空大學 煙臺 264001）

1 引言

隨著航空發(fā)動機技術的快速發(fā)展，壓氣機的性能不斷提高，對壓氣機的設計也提出了更多的要求。壓氣機不但要在設計工作狀態(tài)下滿足各種性能要求，也需要在非設計狀態(tài)下能夠穩(wěn)定工作［1］。因此，對多級壓氣機在設計狀態(tài)和非設計狀態(tài)各種性能的準確預估具有十分重要的意義。

隨著CFD技術日臻成熟和計算機計算速度的提高，壓氣機的數(shù)值模擬技術也得到了發(fā)展迅速，為預估壓氣機的工作性能提供了有效手段。CFX是一款基于CFD理論的仿真軟件，其計算結果精準、適應性強，目前已廣泛應用于各個工程實踐領域［2～6］。

某型渦漿發(fā)動機采用十級軸流壓氣機，其設計增壓比為8.0，設計點效率達到88%。該型壓氣機涉及改型，為完整地了解其工作過程，文本利用CFX軟件對該壓氣機多個工況的流場進行仿真模擬。將仿真結果與臺架實驗數(shù)據(jù)進行對比以驗證數(shù)值仿真的準確性，并通過仿真結果分析該壓氣機的工作規(guī)律和流場參數(shù)分布，為該壓氣機之后的使用和改進提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

2 模型建立和網(wǎng)格劃分

2.1 幾何模型重構

該壓氣機的葉型數(shù)據(jù)和氣流通道參數(shù)均來自型號數(shù)據(jù)。為了保證壓氣機幾何模型不存在缺陷，能夠用于Turbogrid軟件進行網(wǎng)格劃分。本文根據(jù)其葉型數(shù)據(jù)重構了每一級葉片的等葉高葉型曲線和氣流通道，生成通用幾何文件IGES。之后利用Bladegen軟件對幾何文件進行處理，識別葉尖、葉根，根據(jù)葉型曲線進行擬合，并生成葉片的幾何模型。幾何模型如圖1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

將幾何模型導入Turbogrid軟件，進行網(wǎng)格的生成，葉片采用H-O-H結構。為了盡可能地使仿真結果精準，在劃分網(wǎng)格時，根據(jù)提供的數(shù)據(jù)對葉頂間隙進行了網(wǎng)格劃分。通過Turbogrid軟件，得到了各級葉片單通道的網(wǎng)格劃分情況。每級壓氣機網(wǎng)格數(shù)大約在25萬左右，改壓氣機共十級，并包含一級進口導流葉片，共21排葉片單通道。通過CFD的前處理軟件將各級葉片通過混合平面法拼接到一起，形成整個壓氣機單通道流域的網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)共556萬，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。從圖2可以看出，該型壓氣機采用了等外徑設計。

3 理論模型和計算方法

設燃氣為完全氣體，不計化學反應和組分輸運的三維時均N-S方程：

其中，μeff=μ+μt，μt即為湍流模型，本文選擇能夠較好地計算近壁低雷諾數(shù)流場和旋轉流場的k-ω湍流模型，k-ω湍流模型為

各級靜轉子之間的連接面采用混合平面法處理。該方法在坐標變化的基礎上，在網(wǎng)格節(jié)點上對各個物理量進行加權平均?？梢栽诒ＷC精度的情況下，有效減少計算量［7～8］。將氣流通道的兩側設置為周期邊界條件；0級導向器入口給定標準大氣條件，10級靜子出口根據(jù)轉速和增壓比給定靜壓條件。

離散格式采用的是CFX的high resolution格式，這種格式根據(jù)流場內(nèi)參數(shù)變化情況使用不同的格式，具有普遍二階精度。求解方法采用CFX的偽瞬態(tài)算法。

4 計算結果分析

經(jīng)過計算，得到在不同轉速和不同壓力條件下得到的壓氣機特性曲線。本文分析涉及轉速附近的工作情況，仿真轉速選擇在98%～101%額定轉速。圖3所示為計算結果與標準臺架實驗數(shù)據(jù)的對比。

圖中實線為標準臺架實驗數(shù)據(jù)，點畫線為仿真數(shù)據(jù)。從圖3可以看出仿真結果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，仿真結果在100%額定轉速時精度最高，最大誤差為0.7%；轉速為101%額定轉速時，誤差達到1.2%；轉速為98%額定轉速時，誤差達到了2.5%。造成誤差的原因：一是靜轉子葉片之間使用混合平面方法鏈接，使葉片前緣和后緣處流場有一定程度失真造成的；二是湍流模型在刻畫流場湍流不精確，影響精度。總體來說，仿真結果的誤差在可接受范圍內(nèi)，計算精度較高。

圖4 為壓氣機100%額定轉速條件下的計算結果。從圖中可見，流場中壓力和溫度隨流動逐漸增加，不同葉高壓力分布較為均勻，每排葉片通道壓力、溫度分布合理，壓氣機整體工作穩(wěn)定。

圖4 （c）為100%轉速的流場相對馬赫數(shù)云圖，從圖中可以看出，壓氣機中相對馬赫數(shù)分布較為穩(wěn)定合理。馬赫數(shù)在轉子通道相對較高，前五級轉子葉背出現(xiàn)較大范圍的近音速區(qū)，轉子葉背頂部區(qū)域馬赫數(shù)最高，達到1.3Ma，這會導致流道壅塞。在其他葉高處也存在類似的壅塞情況，加上該型壓氣機級數(shù)較多，這使得其壓氣機流量特性曲線較陡，這在改進設計、提高性能時應引起注意。

該壓氣機在設計工作點整體流場流動穩(wěn)定，前五級轉子前緣氣流相對速度接近音速，經(jīng)過轉子的加速后，在葉背后緣存在低速區(qū)。這主要是由于該型壓氣機受到當時的工藝和材料限制，采用的葉型較為簡單，葉片后緣沒有很好地貼合流場。葉背后緣的低速區(qū)在工況偏離設計點時，低速區(qū)會逐漸擴大，可能會存在氣流分離的趨勢，影響工作效率。由于前五級轉子流場趨勢基本相同，所以本文以第五級轉子為例，分析轉速和壓比變化對轉子流場的影響。

如圖5所示，第五級轉子前緣來流相對速度為0.6Ma，經(jīng)過葉背加速至0.9Ma～1.1Ma。在70%葉寬處，葉背出現(xiàn)低速區(qū)，并向后延伸逐漸擴大。

通過圖6可以看到，五級轉子葉背在30%～100%葉高大部分氣流沿著葉片弦向呈現(xiàn)二維流動特性；在30%葉高以下則氣流流動較為混亂。這是由于該型壓氣機為等外徑設計，所以其輪轂會有較明顯的收縮，導致葉片根部的氣流沒有組織好。

圖7 為轉速為額定轉速時第五級轉子葉根處的速度流線圖。從圖中可以看出，隨著增壓比的增加，氣流在葉片前緣的加速明顯，葉背尾部的低速區(qū)逐漸擴大，當增壓比為7.8時，葉背尾部已有氣流分離的趨勢。造成這種現(xiàn)象主要是由于一方面壓比增大，氣流流量減少，氣流流動速度降低；另一方面壓比增大，流場內(nèi)逆壓梯度增大。

圖8 為非額定轉速下第五級轉子葉根處速度流線圖，當轉速偏離額定轉速時，不論轉速升高還是降低，低速區(qū)相比于額定轉速狀態(tài)都會擴大。其原因是壓氣機工作在非額定轉速時，進入轉子葉片的氣流攻角未對準葉片前緣，導致了流線和葉片的貼合度降低，低速區(qū)域增加。

該型壓氣機設計時從工藝角度考慮，最后兩級靜子采用了直葉型靜子葉片。圖9為第十級靜子葉背流動情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，第十級靜子葉背流線只有在葉高中段沿葉片弦向流動，在葉片的根部和頂部都有明顯的三維特性。這是由于第十級靜子為直葉片，只能使葉片中段的來流氣流與葉片前緣較好的對準，葉片頂部和根部的氣流的攻角較大造成了葉背后緣有較大的低速區(qū)。

第十級靜子葉片后緣的氣流分布不均勻使得葉片的尾跡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生渦系，也使壓氣機出口的總壓分布不均勻，不利于發(fā)動機的整體工作。在改進過程中，可以將直葉片替換為有適當扭轉角的葉片，以更好地組織靜子葉片通道的氣流流動，進而提升壓氣機整體性能。

5 結語

1）在壓氣機流場計算中，利用混合平面法拼接多級壓氣機葉片，處理每排葉片間的相互干擾和數(shù)據(jù)傳輸是合理的，在設計工況下仿真誤差較??；但隨著工作狀態(tài)偏離設計點，葉片前緣的低壓區(qū)和葉片后緣的氣流尾跡區(qū)影響逐漸增大，仿真精度有所下降，但仍在可接受范圍內(nèi)。

2）該壓氣機在設計點工作穩(wěn)定，但該壓氣機前五級轉子葉片存在近音速區(qū)，流道壅塞，加上壓氣機級數(shù)較多，使得其流量特性曲線較陡。

3）在非設計點多排葉片后緣存在氣流分離趨勢。由于氣流在最后兩級靜子葉片為直葉片，導致壓氣機出口存在總壓分布不均勻。本文根據(jù)分析結果為壓氣機改進提出了合理建議。