进口气流角对轴流压气机性能的影响研究

郭民

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150046）

进口气流角对轴流压气机性能的影响研究

郭民

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150046）

以某轴流压气机前四级动/静叶栅为研究对象，采用商用CFD软件NUMECA进行了三维求解，分析了不同的进气预旋转角度对压气机性能的影响。结果表明，增加进口气流预旋角，可以使动叶负荷明显减小，且流动更加稳定，无论对压气机工作的稳定性、动叶的气动性能或者机械性能都是有好处的。

轴流压气机；进口气流角；激波；数值模拟

压气机作为燃气轮机的重要组成部件之一，对燃机的性能起着决定性的作用。现代压气机设计以高负荷、高效能、高压比为设计标准，其性能的优劣很大程度上取决于对压气机内部复杂流动现象本质的理解［1］。其中进口气流预旋的大小和方向将直接影响压气机内部的流场结构和做功能力，合理的预旋角度不但可以改善流场、降低损失，压气机工作的稳定性还可以得到显著提高。目前，已有很多学者采用实验或数值模拟方法针对进口预旋在压气机中的应用进行了研究［2-3］。

本文针对某型轴流压气机前四级，采用三维流体计算软件NUMECA进行数值模拟，探讨了改变进口气流预旋角，即改变攻角对0级动叶流道内部流动和叶片表面受力的影响，为压气机设计提供参考。

1　数值方法和边界条件

研究针对某型压气机前四级动静叶栅进行，计算域如图1所示，其中间截面网格示意图见图2，网格数约187万。采用FineTM/Turbo模块对压气机流场进行模拟，选用Spalart-Allamaras（S-A）一方程模型，中心差分格式，时间推进采用四阶Runge-Kutta法，为了加速收敛，迭代过程中采用了多重网格法和局部时间步长等措施。边界条件设置方面，计算中固定压气机进口总参数和出口背压不变，出口利用径向平衡条件给定出口截面中径处静压值；固壁为绝热无滑移边界条件；动静交界面采用混合平面法处理。

图1　计算域网格

图2　中间截面网格示意图

2　进口气流角对压气机性能的影响

压气机0级动叶前存在导流叶栅，以保证进口气流角为6°，6°的预旋角基本能够保证0级动叶的攻角在0°左右。但是由于逆压梯度和激波附面层相互作用的影响，在动叶出口吸力面处存在分离区。为了研究改变进口气流预旋角对压气机内部流场和叶片表面受力产生的影响，选用进气角度-10°、-6°、-2°、0°、2°、4°、6°和10°对流场进行求解，获得不同进口气流角条件下的压气机效率、压比和流量变化关系曲线如图3～5所示。为了便于说明，分析中认为进气角负值时小，正值时为大，气流角由负到正变化也就是由小到大变化的过程。

图3　效率

图4　压比

图5　流量

从图3、图4、图5可以看出，随着进口气流角由负到正逐渐增加，压气机的效率是递增的，当增加到4°左右时，效率增加趋势减缓，若再增加气流角，则应该会出现拐点。而压比和流量随着进气角的增加都是先增加后减小，峰值出现在进气角-4°附近，而此时的效率相对较低。从具体数值来看，效率在不同进气角条件下，最大和最小值相差约5.90%，压比相差0.84%，流量相差2.29%.由此可见，压气机的效率受来流角度的影响最大，而压比受影响很小。综上可知，从提高压气机的性能方面考虑，该压气机给定进口气流6°的预旋是合理的。

3　进口气流角对0级动叶的影响

图6～8给出沿径向不同叶高处零级动叶的壁面静压系数沿弦长的分布曲线。图中仅给出5种进口气流角±10°、±6°、0°的静压系数分布，而进气角±4° 和±2°时的曲线位于0°和6°对应的曲线之间，从规律分析上来看，不会影响最终的定性结论，为了让曲线更容易分辨，因此图中没有给出。

图6　10%相对叶高

图7　50%相对叶高

图8　90%相对叶高

图6为根部区域10%相对叶高表面静压系数随不同进口气流角的变化曲线，随着进气角由负到正，压力面的静压逐渐减小；吸力面气流在前10%弦长处先增压后膨胀，且进气角度越大，增压和膨胀的幅度越大。观察吸力面发现几乎在同一个位置压力骤增，即根部区域激波的位置基本一致，说明此时进气角对激波位置影响不大，但是激波强度随角度增加有所减弱，但正角和正角之间（即10°和6°），负角和负角即（-10°和-6°）之间相差不明显。

中径附近（图7），压力面静压差异主要体现在前30%弦长，进气角越大，静压越小，也就是说气流在压力面前30%弦长处加速，而后70%弦长处静压差别不大。在吸力面，当进气角为负值时，气流先增压后膨胀，而从0°开始，气流在前半程流道只膨胀。并且随着角度增加，气流膨胀范围越大。相应地，激波位置随着角度的增加向流道中央移动，也就是说流动相对更加稳定。从激波前后静压系数的变化来看，激波的强度受进气角度影响不大。另外，波后气流参数的变化基本一致。

叶顶附近（图8），压力面静压差异也主要体现在前30%轴向弦长的范围，其规律与中径处类似，但幅度明显增强。另外，值得注意的是，当进气角度为正值时，压力面前缘气流略微增压，然后加速，增压和加速的幅度都很小。吸力面静压系数的分布规律与中径附近也基本一致，但是激波位置的变化更加明显，正进气角时对应的流动愈加稳定。换句话说，进气角度的变化对叶顶区域的影响更突出。

4　结束语

本文以某轴流级压气机前四级为研究对象，探索了不同的进口气流角对压气机总体性能、激波位置和叶片表面受力的影响。主要结论如下：

（1）进口气流预旋角对压气机效率影响最大，而对压比影响最小。针对该压气机，给定进口气流6°的预旋是合理的。

（2）不同的预旋角对零级动叶表面的压力分布和流道内流场结构影响很大。尤其是中径以上，随着预旋角度的增加，激波逐渐向下游移动，激波的强度受进气角度影响不大。

（3）研究中暂未考虑叶顶间隙的影响。间隙内的流动必然受横向压力梯度的影响向吸力面流动，很可能与动叶主流区气流掺混，增加动叶内的损失。

［1］Chunill Hah.Large eddy simulation of transonic flow field in NASA Rotor 37［C］.47th Aerospace Sciences Meeting，2009.

［2］杨其国，吕智强，胡平金，等.进口气流角对某跨音级叶栅影响的数值分析［J］.汽轮机技术，2011，53（5）：321-323.

［3］周帆，叶舟.基于风机进口预旋的数值分析与应用研究［J］.机械研究与应用，2012，34-37.

Numerical Research of Intake Flowangle’s Effects on the Axial Compressor

GUO Min
（Harbin Turbine Company Limited，Harbin 150046，China）

By analyzing the front 4-stage cascade of the axial compressor，analyzed several different intake flowangle’s effect on the flow field of compressor cascade by using three-dimensional CFD software NUMECA. The results indicated that the loading of rotor reduced clearly and the performance of rotor，the stability of compressor was improved obviously with the increasing of the intake flowangle.

sxial compressor；intake flowangle；shockwave；numerical simulation

TK473

A

1672-545X（2016）07-0059-03

2016-04-03

郭民（1981-），男，哈尔滨人，本科，工程师，主要从事透平机械及辅助系统的设计研发工作。