某13级轴流压气机加零级气动优化设计*

苏赫 易小兰*/中国科学院大学

张华良 陈海生 高庆*/中国科学院工程热物理研究所

某13级轴流压气机加零级气动优化设计*

苏赫 易小兰*/中国科学院大学

张华良 陈海生 高庆*/中国科学院工程热物理研究所

0 引言

由于压气机技术比较复杂，取得一台性能优良的压气机需要花很多的精力与费用，因此压气机的加级设计成为设计新压气机的重要手段之一。通观国内外压气机发展的历史[1-5],压比比较高的压气机很多都是在原来性能比较优秀但压比比较低的压气机（我们通常称之为母型）的基础上前后加级提高压比形成的[6-7]。

采用前加级设计的优点在于，由于新的设计方法更加先进和成熟，数值计算和实验调试较之以往也都进行的更加充分，因此零级的设计性能会更高一些[8]。此外，在多级轴流压气机中，前几级压比一般较高，对整机的性能影响较大，因此，合理的改型设计往往可以提高整机效率。本文在原13级轴流压气机基础上，根据设计要求，采用模化加零级设计方案提高整机压比，实现整机的优化。

1 数值方法

本文选用NUMECA数值模拟软件进行全三维计算分析，计算模型选取某13级轴流压气机共27排叶片，见图1。湍流模型为S-A模型，进口湍流度取为8×10-5m2/s。为了更好地模拟附面层内部的流动情况，第一层网格y+值小于10。进口总压、总温分别取为99 190Pa、300.15K；出口给定背压；同时，为了使新设计的压气机具有较高的效率，选择原型机的最高效率点作为设计的匹配点，其对应的流量为31.5kg/s。

图1 计算模型图

2 改型方案

2.1 改型要求

根据要求，需要增大原13级轴流压气机的通流能力和压比，即新设计的14级压气机流量增加不低于5％，压比增加不低于10％。根据原13级轴流压气机第一级的相关参数，初步确定零级总压比、效率；考虑导叶的总压损失和熵增后，给定进口总压,总温、R=287.31（J/kg·K）。

2.2 环量分布规律选取

在完成一维计算后，分析原13级轴流压气机前几级动叶环量沿径向的分布规律可以发现，原13级压气机动叶采用的是变环量设计，而环量沿径向的分布满足线性分布规律，见图2。这样的设计方法既可以保证叶根处的加功量控制在合理的可实现的范围，又能够很好的利用叶尖处高的轮缘速度，即加功量是从叶根到叶尖逐渐增大的。综合考虑到新加级和原机匹配等问题，决定新加的零级动叶也采用满足线性分布的变环量设计方法。

图2 环量沿径向分布图

根据一维计算结果和环量分布方案，在完成叶根、叶中、叶高速度三角形的初始设计后，最终的叶型参数还要根据在初始叶片基础上，经过计算验证并局部修正，才能最终得出理想数据。而对于静叶的设计造型，需要在完成动叶造型的基础上，进行进一步的匹配设计。

2.3 最终方案确定

根据计算要求并反复验证，最终确定零级预旋方案、子午流道形式、叶片轴向距离和叶片稠度等重要参数，并选用ACL1C.WKN-39平面叶型，零级动叶最终积叠规律见图3。

图3 ACL1C.WKN-39各层叶形和积叠规律图

3 计算结果

经过反复计算，并适当调整静叶扭曲规律，最终确定模化加级方案。加级后，匹配点质量流量34.5kg/s，压比为4.7，转速7 350r/min。

3.1 加级前后对比分析

3.1.1 特性曲线

图4为对比加级前后，压气机流量压比和流量效率特性曲线。图中黑色曲线表示原13级轴流压气机特性曲线，红色曲线表示加零级后，新的14级轴流压气机特性曲线。从图中可以看出，加级后，无论是流量压比特性曲线，还是流量效率特性曲线都向右移动。设计点绝热效率从31.5kg/s增大到34.5kg/s，设计点压比从3.9增大到4.6，基本达到设计改型要求。加级后，新的14级轴流压气机流动效率没有下降，而在全工况范围内，压比有了显著提升，改型成功。

图4 加级前后特性曲线图

3.1.2 第一级动叶进口参数径向分布

图5是在匹配截面（对原13级压气机为导叶与第一级动叶交界面；对加级后新的轴流压气机为零级静叶与第一级动叶交界面）上工质的相对气流角、周向速度和轴向速度在改型前后沿径向分布的变化图。从图中可以看出，改型前后，在匹配截面上，工质的速度三角形沿径向的分布基本保持不变，这就保证了模化加级后零级后面流场满足相似定律，加级后母型机部分与原13级轴流压气机流场相似，从而在最大程度上保证新的14级压气机的流动效率不会出现明显下降。

图5 匹配截面上改型前后速度参数对比图

3.1.3 极限流线

图6是对比加级前后，压气机各级动静叶吸力面极限流线图。从图中可以很直观的看出，加级后流场基本与加级前变化不大，甚至流动分离的范围有所减小，这就在很大程度上保证了新设计的14级压气机流场的稳定性。

图6 匹配点各级动静叶吸力面极限流线图

3.2 加级后计算结果分析

图7是零级静叶进出口相对气流角、进出口周向相对速度、进出口周向绝对速度以及进出口轴向速度沿径向分布图。从图中可以看出，为了提高零级和后面级的匹配特性，零级动叶进出口周向速度差从叶根到叶顶略有减小，这就使得零级动叶叶顶处的加工量不会过大，从而在损失一定的叶顶处加工量的同时，提高了零级动叶的流动效率。而零级进出口轴向速度沿径向基本保持不变。

图7 零级动叶进出口参数图

图8为零级静叶进出口相对气流角、进出口周向相对速度、进出口轴向速度沿径向分布图。从图中可以看出，通过调整零级静叶扭曲规律，使得加零级后零级静叶出口截面（匹配截面）上出口气流角和出口周向速度沿径向分布均匀，但零级静叶出口轴向速度在端部区域有所减小。通过加级后流场分析，匹配截面端壁处轴向速度的减小不会对新设计的14级轴流压气机流场带来明显恶化，模化加级设计达到预期要求。

图8 零级静叶进出口参数图

4 结论

本文基于相似准则，采用数值模拟的计算方法，成功完成对原13级轴流压气机的加零级气动优化设计，将原13级轴流压气机流量提高9.5％、压比提高18％，并对加级前后，压气机的进出口相对气流角、周向速度、轴向速度、特性曲线、极限流线等进行对比分析，结果表明，加零级后新设计的压气机与原13级轴流压气机匹配良好，加级后压气机性能稳定，改型达到预期要求。

[1]Due H F,Teledyne CAE,Toledo OH.Development of the model 373 turbojet engine.1987,AIAA-87-1908.

[2]郑严,庞重义.弹用涡喷（涡扇）发动机技术[J].飞机导弹,2001 (12):43-52.

[3]D.E.Brandt.GE Gas Turbine Design Philosophy.GE Power Generation.

[4]R.Wadia,D.P.Wolf,F.G.Haaser.Aerodynamic Design and Testing of an Axial Flow Compressor with Pressure Ratio of 23.3 for the LM2500+Gas Turbine.Jorunal of Turbomachinery.July 2002, Vol.124/331.

[5]王冲,金洁敏，田广，等.不断升级改进的LM2500燃气轮机[J].热能动力工程,2007(2)：138-141，223.

[6]柯婷凤,郑群,明玉周.某三级轴流式低速压气机零级气动优化设计[J].机械工程学报,2011,47(6)：160-167.

[7]刘科辉,单鹏,李娜,等.弹用涡喷发动机加零级压气机设计方法研究[J].航空动力学报,2006,21(6)：1098-1102.

■

以成熟压气机为基础，通过加零级设计来增加质量流量或提高压比以得到满足新要求的压气机，可以很大程度上缩短设计周期、增加设计可靠性、降低设计成本。本文在某13级轴流压气机基础上，采用模化加零级设计方案提高压比。通过反复迭代计算确定零级设计方案，成功地将原13级轴流压气机流量提高9.5％、压比提高18％，加零级后新设计的压气机与原13级轴流压气机匹配良好，加级后压气机性能稳定，改型达到预期要求。

轴流压气机；模化加级；数值模拟；匹配；优化设计

Aerodynamic Design and Optimization of Zero-stage for a 13-stage Axial-flow Gas Compressor

Su He,Yi Xiaolan/University of Chinese Academy of Sciences
Zhang Hualiang,Chen Haisheng,Gao Qing, Tan Qingchun,Su He,Yi Xiaolan/Institute of engineering thermophysics,Chinese Academy of Sciences

axial compressor; zero-staging;numerical simulation;stage matching;optimized design

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）01-0033-05

10.16492/j.fjjs.2015.01.092

国家973项目（2012CB720406）；中科院重点部署项目（KGZD-EW-302-3）

*本文其他作者：苏赫易小兰谭春青/中国科学院工程热物理研究所

2014-05-15北京100190

Abstract:In the new multi-stage compressor design process,in order to shorten the design cycle,increase design reliability and reduce design costs, compressor zero-staging is an effective way to increase both the pressure ratio and the mass flow rate.Based on the original 13-stage axial-compressor,zero-staging is used to improve the design pressure ratio in this paper.Calculated to determine the final design through iterative,the original 13-stage axial-compressor mass flow successfully improved by 9.5％,the pressure ratio increased by 18％.Through the numerical simulations and the above analysis,we can conclude that the resultant compressor met the new working condition requirements with good match operating characteristics.The zero stage has improved the base compressor operating characteristics and stability.