静叶调节对多级轴流压缩机性能影响的分析

王华强 王英锋 常炜 梁家豪

（南京航空航天大学能源与动力学院）

静叶调节对多级轴流压缩机性能影响的分析

王华强 王英锋 常炜 梁家豪

（南京航空航天大学能源与动力学院）

民用多级轴流压缩机产品实际工作中工况点变化较为显著，因而需要满足不同的性能参数的特点。本文采用CFD方法，以静叶可调的15级压缩机为研究对象，考虑压缩机在夏季、冬季以及年平均三种不同条件下的工作环境，通过大范围内各级静叶角度的调节，进行全工况特性的数值模拟，研究静叶角度的改变对整台压缩机性能的影响，校验压缩机与实际工况下工作性能需求的匹配性，并得出相应工况点合适的静叶角度，同时研究静叶角度变化对压缩机级间匹配的影响。

多级轴流压缩机；静叶角度；数值模拟；压缩机性能；级间匹配

0 引言

多级轴流压缩机由于压比大、效率高等特点在航空、船舶、能源、冶金和制药等领域广泛应用，并有着巨大的市场潜力。轴流压缩机普遍存在不同客户，不同季节，不同地域的使用环境的差异性，使压缩机的工况存在显著的差异性，同时压缩机在不同的特定工况对性能的要求差异十分显著，针对某一特定用途设计的轴流压缩机，需要在各种工况环境下工作时快速响应的能力。静叶调节作为扩大压缩机稳定范围十分有效且经济的手段，研究静叶调节对轴流压缩机性能的影响是至关重要的。

民用轴流压缩机的静叶角度通常设计为可调的，静叶角度的调节会改变通道中的通流面积，引起流量的变化，从而影响轴流压缩机工作时的性能参数[1-2]。民用轴流压缩机大部分的工作时间需要放在非设计工况时工作，且满足一年四季以及不同地域的使用环境要求。虽然导静叶可调技术应用十分广泛，但是针对民用大型多级轴流压缩机在不同工况环境下,静叶调节对性能参数以及匹配性的影响缺乏更多研究。

本文采用CFD方法以一台15级轴流机为分析对象，采用CFD方法对压缩机进行非工况下的数值模拟[3]，结合所得出不同静叶角度下的流场参数及性能曲线，总结分析静叶角度对多级轴流压缩机性能的影响，检验压缩机与实际变化工况需求的匹配性，确定出适合各工况下的静叶角度，同时研究静叶角度改变对压缩机级间匹配的影响[4]。

1 研究对象与计算方法

1.1 研究对象

以一台15级民用轴流压缩机为研究对象，带进口导叶一共31排叶片，设计开度为45°，该型压缩机采用等内径设计，内径为355mm。叶片均采用NACA-65叶型。进口导向器及各级静叶片均可联动调节，末级静叶安装角固定，导叶及各级静叶片的安装角度改变通过联动调节来实现。

研究该轴流压缩机在非设计工况下的工作性能，表1给出压缩机实际工作时需求的参数列表，各个工作状态对压缩机性能要求有显著的差异。表2给出了静叶角度的调节规律，列出了导叶和前4级静叶的安装角度，前面级静叶调节范围较大，后面角度变化较小。文中压缩机开度名以第一级静叶安装角度命名。

表1 压缩机实际工作参数Tab.1The parameters of axial compressor

表2 各静叶调节方案-压缩机部分级静叶安装角度Tab.1Install angle of static blade in different stage for axial compressor

图1和图2分别显示了第一级静叶安装角度为28°和72°两种状态下压缩机前四级叶排的安装方向示意图。

图1 第一级静叶角度为28°Fig1.The first stage static blade install angle is 28°

图2 第一级静叶角度为72°Fig2.The first stage static blade install angle is 72°

1.2 计算方法

以商用CFD软件Numeca进行压缩机的流场性能计算分析[5]。流场计算控制方程采用雷诺平均的湍流N-S方程，紊流模型为SA单方程模型，壁面边界采用绝热无滑移条件。计算转速4 600r/min，进口边界条件给定进口总温、总压和速度方向，进口速度方向均为轴向进气，出口边界设定出口静压，转静交接面采用混合平面法进行流场数据传递。对于每条等转速特性线，出口静压的设置均由低到高，直到达到稳定边界为止。

数值模拟采用NUMECA FINE软件包的Euranus求解器，CFL数为3，采用隐式残差光顺方法以及多重网格技术来加速收敛过程。各排叶片的计算网格为H型拓扑结构。每排叶片采用一个计算通道，各叶片通道中的网格点数为45（径向）×77（周向）×77（流向）。叶排间轴向间隙内沿轴向的网格点数为42（相邻两个叶排各21）。静叶片与轮毂间的径向间隙为1.5mm，间隙区径向和周向网格点数均为9。转子叶片与外机匣间的径向间隙为1.5mm，间隙区径向和周向网格点数均为9。单通道网格总量达43万，数值计算模型共31个计算通道，网格总量达1 200万，端壁处进行加密。

2 计算结果及分析

针对开度为22°、28°、35°、42°、55°、62°、72°等七种不同静叶角度调节方案，开展压缩机在夏季、冬季以及年平均三种不同季节环境下工作时的数值计算。图3～图5给出了相应的压缩机性能曲线图，各个静叶开度的压缩机特性。图中，横坐标为质量流量，质量流量折合成以Nm3/min为单位的体积流量后的各静叶开度的特性，其中标准大气状况下的气流密度按1.293kg/m3计算。流量折合是将质量流量折合成标准大气状况下的体积流量，纵坐标分别为出口总压和等熵效率。

由图3～图5可知由于该15级轴流压缩机级数较多，每条特性线流量变化范围都很小，这与该轴流压缩机在特定的工作任务中提供稳定供气流量的工作有关。可以看出在各种静叶调节方案中，都是冬季流量最大，夏季流量最小。这是因为在冬季的工作条件下，进口压力高，进口温度低，从而造成进口气流密度大，因而在相同的抽吸气能力下供气的质量流量也大。相反，夏季进口压力低、进口温度高，进口气流密度也就小，因而质量流量小。

图3 压缩机夏季各静叶开度下的特性Fig3.The characteristus of compressor under different static blade install angle in summer

从图3～图5中还可以看出，无论是在夏季、冬季还是年平均的工作条件下，当增大静叶角度时，流量增大同样明显。从图1和图2可知，静叶开度越大，静叶通道中的流通面积越大，因而通流能力强，流量大；相反，在小开度下，静叶通道中的流通面积小，从而限制了总体流量，因而流量也就小。因此压缩机可以通过静叶角度的改变控制流量。另外，当减小静叶角度时压缩机所能达到的最大增压比显著低于大开度时。这与静叶的节流作用有关。

图4 压缩机冬季各静叶开度下的特性Fig4.The characteristus of compressor under different static blade install angle in winter

从图3可知，夏季静叶开度为72°时可满足表1中的夏季A工况点的流量和压比要求。由4可知，冬季静叶采用35°～42°的某个开度时可满足表1中冬季C工况点的流量和压比需求；而静叶开度略大于28°可满足B点的流量和压比要求。从图5可知，在年平均的工作条件下，静叶开度接近62°时可满足D工况点的流量和压比要求。

表3给出了压缩机各工况下的稳定裕度。该民用压缩机以供气流量和压力为技术指标，因此稳定裕度按等流量定义，即以相同流量下最高压比与工况点压比的相对差值作为稳定裕度，定义式如下：

图5 压缩机年平均各静叶开度下的特性Fig5.The aunual average characteristus of compressor in different static blade install angle

表3 压缩机各工作状态下的稳定裕度Tab.3The stablity margin of compressor in different conditions

压缩机在各工况点都有较大的稳定裕度。对于工作条件和工况变化较大的压缩机，通常要求有较大的稳定裕度。燃气轮机上采用的多级轴流压气机，通常会预留15%以上的稳定裕度，尤其是工作范围很宽广的航空燃气轮机，预留的压气机稳定裕度更是高达20%～25%。因此压缩机的稳定裕度是符合民用环境下的工作条件。

该型压缩机对流量的调节主要取决于第一级静叶的安装角度，另外第二级和第三级静叶的安装角度也对流量有较大影响；其他各级的静压角度调节主要是为了保证其下游相邻级转子在不同流量下均有适当的转子攻角，维持较好地流动状态，以获得较高的压缩效率。在不同季节工作环境下调节静叶安装角度，大型多级轴流压缩机能够实现不同的工况要求，以此满足不同地域、不同季节的稳定高效工作时的性能参数要求，具体反映在特性图上。

3 静叶角度调节对压缩机匹配特性影响的分析

图6～图9是压缩机在35°到72°的五个开度下最高效率点时的级间匹配特性图。从图中可以看出各种静叶角度方案下的级匹配特性具有一定的类似性。各级压比、加工量以及反力度均随着静叶角度的增大而增大。从图6可以看出，各级级压比分布趋势与加工量分配趋势是一致的，前面三级增大，后面级基逐级减小，第三级和第四级叶排压比在静叶安装角度增大时有所增加，其余各级压比变化不大。从图8中看出，55°时除第一级叶排外各级效率最高，此时级间匹配达到最佳效果，各级压比也较高，但是第一级叶排效率过低，从图10也可以看出，这是由55°时第一级动叶进气角过大导致的。此时随着静叶角度的增大或减小，各级叶排的效率会逐渐降低，当静叶角度增大到72°时，此时压缩机内部流场已出现明显的恶化。从图7和图9中看出，加工量和反力度在静叶角度的增大时增加效果明显，这是因为随着静叶角度的增大，流量增加十分显著的原因引起的。压缩机各级叶排最大反力度均出现在第4级，说明在最初设计时第四级转子分配较多的做功任务。

气流角是分析级匹配流动的一个重要参数，进口导向器用来使气流产生的预选。静叶角度的调节，改变各级动叶的进气角，影响动叶对流体的做功效果，从而决定各级叶排的效率。由图6和图9知，前面六级叶排特性在静叶角度调节时变化明显，图10和图11是静叶角度调节时压缩机前六级动叶的相对进气角及静叶的绝对出气角对比图，这里的角度是指轴向夹角。

图6 各级总压比分布Fig.6The total pressure distribution of every stages

图7 各级加工量分布Fig.7The amount of machining of different stages

图8 各级绝热效率分布Fig.8The absolute effiency distribution of different stages

图9 各级反力度分布Fig.9The reverse force distribution of stages different

在各排静叶的联动调节中，前面级静叶角度调节范围大，而中间和后面级静叶角度调节范围小。这就使得，前面级在不同静叶开度时级加功量和级压比变化大，而中间和后面级在不同开度时级加功量和级压比变化小。为了获得较高的总体效率，中间和后面级的级加功量和级压比设计得均不大，这也是民用压缩机中常用的通过增加级数来获得较高效率、降低设计难度的常用设计思路。分析静叶角度变化对压缩机级匹配的影响[6]，进一步确保压缩机工作在最有利的条件。

图11 静叶出口绝对气流角Fig.12Absolute air angle of static blade in outlot

4 CFD方法精度分析

CFD方法已经广泛地应用于叶轮机械的流场和特性分析。然而，对于CFD方法计算结果可信度和精度的校验却并不多而且很不全面。基本上，除了CFD方法投入应用的初期进行的一些经典的诸如平板剪切流、管流、孤立翼型扰流等简单流动校验外，其他的更复杂流动的校验就很难找到了，对于叶轮机内部流动计算结果的校验更是难以找到有权威性的定量数据。

下面通过四级低速轴流压气机试验的特性计算结果与试验结果的比较，图12中仅给出设计转速处的计算结果。由图可知在设计转速，特性的计算结果和试验结果吻合很好——设计点压比相对误差仅为-0.37%，效率相对误差为2.35%。

图12 四级低速轴流压气机特性计算结果与试验结果的比较Fig.12Comparison of calculation and experiment performance result of low velocity compressor with four stages

5 结论

由于静叶安装角度的调节影响轴流压缩机的流通面积以及级间匹配关系，使压缩机压比、流量等性能参数满足更大的范围，在特定工作状态下的性能要求，保持在宽广的非设计工况范围内稳定高效的工作。通过静叶角度调节对压缩机性能的影响的研究[7-8]，选择出最有利的工作条件和最佳调节方案，改善轴流压缩机的性能以及工作范围。在整个运转过程中，不仅要了解压缩机高效稳定的工作范围，而且要充分满足压缩机的工况点要求。

本文对民用压缩机产品的研究仅仅在于探讨静叶安装角度联动调节时对压缩机工作性能参数的影响，以及静叶角度调节对压缩机级间匹配特性的影响，通过静叶角度调节优化压缩机工作性能。然而压缩机各级叶排之间的匹配效果并未全都达到最佳效果，从前面级以及末级静叶处的匹配特性可以看出，通过研究前面单个静叶角度的优化计算[9]，还可进一步优化压缩机的工作性能。

[1]吴虎，李密，孙娜.静叶调节对多级轴流压缩机流动损失的影响[J].风机技术,2010(6)：3-6,13.

[2]刘前智.多级轴流压缩机非设计性能的数值预估[J].航空动力学报,2004,19(1)：108-112.

[3]马聪慧，刘波，陈云永,等.大流量多级轴流压缩机性能及流场分析[J].汽轮机技术,2008,50(3)：165-168.

[4]Howell,A.R.,and Bonham,R.P.Overall and stage Characteristics of Axial-FlowCompressor.Proc.Inst.Mech.Eng.,vol.163,1950,PP.235-248.

[5]Steven R W,Robert A D.Redesign of a 12-Stage Axial-Flow Compressor Using Multistage CFD.ASME paper 2001-GT-0351,2001.

[6]K.D.Broichhausen,P.Harster,Aerodynamic Analysis of a Transonic CompressorwithVariableStatorVanes[J].ASMEPaperNo.90-GT-73.

[7]Medeiros,ArthurA.,Benser,WilliamA.,andHatch,JamesReanalysis of Off-Design Performance of a 16-stage Axial-Flow Compressor WithVariousBladeModifications.NACARME52L03,1953.

[8]夏联，崔健，顾扬.可调静叶对压缩机低速性能影响的试验研究[J].燃气涡轮试验与研究,2005,18(1)：31-34.

[9]王永明.多级轴流压缩机非设计性能预估[J].燃气涡轮试验与研究,1997(1)：32-37.

The Effect of Variable Static Blade Adjustable on Multistage Axial Compressor Performance

Hua-qiang WangYing-feng WangWei ChangJia-Hao Liang
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics）

The multistage axial compressor should reach the performance requirements of different work conditions.A 15 stages axial compressor with static blade adjustable running under full working condition was numerical simulated in summer,winter and annual average three conditions which aim at research the influence of static blade angle on the axial compressor performance.According to analyze the matching of compressor performance and real condition requirements,the best static blade angle corresponding to its working condition was be chosen.The influence of varies of static blade angle on the compressor stages matching was also be analyzed.

multistage axial compressor,static blade angle,numerical simulation,compressor performance,stage matching

TH453；TK05

1006-8155-(2017)03-0008-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0002

2016-09-20江苏南京210016