基于NUMECA的某型燃机压气机数值分析

党芳

（烟台玛努尔高温合金有限公司技术部，山东烟台264002）

基于NUMECA的某型燃机压气机数值分析

党芳

（烟台玛努尔高温合金有限公司技术部，山东烟台264002）

采用低雷诺数Spalart-Allmaras模型和三维RANS方程求解方法，以某型燃气轮机的低压压气机为研究对象，应用三维流体计算软件NUMECA，完成了该压气机的三维通流数值计算，分析了叶型设计特点、损失分布特点、三维流场特性等。

数值模拟；压比；多级压气机；流动特性

0 引言

压气机是燃气轮机的主要部件之一，其作用是向燃气轮机的燃烧室连续不断地供应高压空气。地面燃气轮机中一般采用轴流式压气机，这类压气机的优点是流量大、效率高，缺点是级的增压能力低。在结构上，轴流式压气机由转子和静子两大部分构成。转子部分由沿周向按照一定间隔排列的动叶片、叶轮或转鼓、主轴等组成。静子部分由沿周向按照一定间隔排列的静叶片、气缸等组成，为了达到燃气轮机所需要的高压比，轴流式压气机通常做成多级的。级是压气机的基本工作单元，每一级由一列动叶栅和其后的一列静叶栅构成。多数情况下首级前面还有一列附加的静叶栅，称为进口导叶。

本文以某型燃气轮机的低压压气机为研究对象，采用三维计算软件NUMECA完成了低压压气机的三维通流气动计算，分析了叶型设计特点、损失分布特点、三维流场特性等，掌握了压气机的设计思想，并找到该低压压气机可能存在的问题，为压气机的优化研究提出改进方向。

1 计算模型

通过已有的资料对此低压压气机的轮毂线和外缘线数据进行了提取。得到的数据绘制成轮毂线和外缘线。为了使输入到NUMECA中的数据更光滑，在原数据基础上插值了更多的数据，图1所示为低压压气机的子午流道示意图。

图1 低压压气机子午流道示意图

图2 压气机计算网格

三维流场数值模拟采用FINE/TURBO软件。叶栅流道空间离散网格使用前处理模块IGG/AutoGrid生成，二维的网格拓扑如图2所示，控制靠近壁面的网格加密，保证叶片壁面和端壁第一层网格满足y+＜3，网格总数超过千万，满足网格无关性要求。N-S方程求解器采用FINETM模块，对叶栅三维定常流场进行模拟。空间离散差分格式采用具有二阶精度TVD格式辅以矢通量分裂算法，Min Mod限制器控制流场激波间断面附近的数值振荡，时间推进采用4阶Runge-Kutta法迭代求解，全多重网格法和局部时间步法加速收敛，湍流模型采用低雷诺数Spalart-Allmaras模型。

进口边界条件给定总压、总温和速度方向。出口边界条件给定背压。动/静交界面，采用Conservative Coupling by Pitchwise Row处理交界面上下游网格的插值，保证了交界面流量、动量和能量的守恒。

计算边界条件，进口给定总温288K，总压101325Pa，气流角为0°，出口给定背压，通过调节背压值计算出低压压气机在转速为7 440 r/min时的流量特性线。

2 计算结果分析

2.1 通流特性分析

该低压压气机设计转速为7 440 r/min，采用FINE/ TURBO软件对设计转速下压气机的三维流场进行数值模拟，图3是设计转速下该低压压气机的压比—流量和效率—流量特性线。从三维数值计算的特性线可以看出，低压压气机设计转速下工作流量范围是83～88 kg/s，最高效率为85.6%，其对应压比为5.67，对应流量为87.2kg/s。近失速工况下出口背压为660 kPa，压比达到7，流量为88.6 kg/s，效率为83.8%。近堵塞工况出口背压为310 kPa，最大流量达到83.3 kg/s，压比为4，效率为80%。

图3 低压压气机设计转速下压比—流量和效率—流量特性线

2.2 各级参数分布规律

图4所示的是个各级总压比分布规律，图5所示的是各级等熵效率分布规律。设计工况的压比分布体现了此压气机的设计思想：第0级跨音级压比最高，第1级压比较跨音级降幅明显，第2～4级压比逐渐升高，后面各级压比平稳，分布均匀。而从效率指标看，最后一级由于流动条件的恶化，加工量的减少，其效率较低，其他各级中除了第2级效率偏低外，各级的效率都比较接近90%，所以该压气机的改进优化设计方向应该是在最后一级上做出改动，总体效率上的收益较大，并且带来的风险也相对较小。结合图4和图5中3个工况特性线的对比可以看出，近失速工况相对于设计工况条件总压比提高主要体现在后8级的亚音速级，尤其第3～7级总压比相对设计工况提高明显，近失速工况效率相对于设计工况条件降低主要体现在前面跨音速级和最后三级；堵塞工况相对于设计工况条件总压比降低也主要体现在亚音速级，而且越在后面的级，总压比降低幅度越大，堵塞工况前5级各级效率跟设计工况基本一致，而且跨音级效率比设计工况略高，堵塞工况总效率相对设计工况条件降低主要体现在后4级，并且降幅明显，末级效率低于50%，可见流动条件急剧恶化。

图4 设计转速各级总压比

图5 设计转速各级效率

3 结语

本文采用CFD三维计算软件NUMECA对某型燃气轮机的低压压气机9级进行多级连算，完成低压压气机的三维通流分析，通过对数值模拟结果的分析，可得出以下结论：

1）低压压气机设计工况点9级总压比达到5.9，平均级压气比为1.22，第0级跨音速级压比最高，在1.4左右，并且保持了相对较高的流动效率，其他各级压比均在平均在1.2左右，分配比较均匀，9级压气机总效率为85.6%，级平均值达到88.4%；

2）通过分析该压气机在设计工况下的压比、效率等参数在各级中的分配规律，从总体上把握该压气机的设计思想和各级的设计特点。

［1］ 高丽敏，刘海湖，刘波，等.多级轴流压气机全三维流动特性的数值研究［J］.西北工业大学学报，2008，26（1）：1-5.

［2］ 马文生，顾春伟.多级轴流压气机内的流动机理研究［J］.工程热物理学报，2007，28（增刊1）：133-135.

［3］ Garzon V E，Darmofal D L.Impact of geometric variability on axial compressor performance［J］.Journal of Turbomachinery，2003（4）：692-703.

（编辑：立 明）

Numerical Analysis of Gas Turbine Compressor Based on the NUMECA

DANG Fang
（Yantai Manoir Heat Resistant Alloys Co.,Ltd.,Yantai 264002,China）

Flow characteristics of low pressure compressor of gas turbine are numerically investigated in NUMECA,the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and the Spalart-Allmaras turbulent model are adopted in numerical simulation.The blade configuration,distribution characteristics of pressure loss,3D flow characteristics,are analyzed.

numerical simulation;pressure ratio;multi-stage compressor;flow characteristics

O 345.2

A

1002－2333（2014）04－0166－02

党芳（1980—），女，助理工程师，从事高温合金炉管设计工作。

2014-01-17