某多级压气机流场数值计算∗

张宇坤 李 昂 张 赟

（海军航空大学 烟台 264001）

1 引言

随着航空发动机技术的快速发展，压气机的性能不断提高，对压气机的设计也提出了更多的要求。压气机不但要在设计工作状态下满足各种性能要求，也需要在非设计状态下能够稳定工作［1］。因此，对多级压气机在设计状态和非设计状态各种性能的准确预估具有十分重要的意义。

随着CFD技术日臻成熟和计算机计算速度的提高，压气机的数值模拟技术也得到了发展迅速，为预估压气机的工作性能提供了有效手段。CFX是一款基于CFD理论的仿真软件，其计算结果精准、适应性强，目前已广泛应用于各个工程实践领域［2～6］。

某型涡浆发动机采用十级轴流压气机，其设计增压比为8.0，设计点效率达到88%。该型压气机涉及改型，为完整地了解其工作过程，文本利用CFX软件对该压气机多个工况的流场进行仿真模拟。将仿真结果与台架实验数据进行对比以验证数值仿真的准确性，并通过仿真结果分析该压气机的工作规律和流场参数分布，为该压气机之后的使用和改进提供重要的数据支撑。

2 模型建立和网格划分

2.1 几何模型重构

该压气机的叶型数据和气流通道参数均来自型号数据。为了保证压气机几何模型不存在缺陷，能够用于Turbogrid软件进行网格划分。本文根据其叶型数据重构了每一级叶片的等叶高叶型曲线和气流通道，生成通用几何文件IGES。之后利用Bladegen软件对几何文件进行处理，识别叶尖、叶根，根据叶型曲线进行拟合，并生成叶片的几何模型。几何模型如图1所示。

2.2 网格划分

将几何模型导入Turbogrid软件，进行网格的生成，叶片采用H-O-H结构。为了尽可能地使仿真结果精准，在划分网格时，根据提供的数据对叶顶间隙进行了网格划分。通过Turbogrid软件，得到了各级叶片单通道的网格划分情况。每级压气机网格数大约在25万左右，改压气机共十级，并包含一级进口导流叶片，共21排叶片单通道。通过CFD的前处理软件将各级叶片通过混合平面法拼接到一起，形成整个压气机单通道流域的网格，总网格数共556万，网格划分情况如图2所示。从图2可以看出，该型压气机采用了等外径设计。

3 理论模型和计算方法

设燃气为完全气体，不计化学反应和组分输运的三维时均N-S方程：

其中，μeff=μ+μt，μt即为湍流模型，本文选择能够较好地计算近壁低雷诺数流场和旋转流场的k-ω湍流模型，k-ω湍流模型为

各级静转子之间的连接面采用混合平面法处理。该方法在坐标变化的基础上，在网格节点上对各个物理量进行加权平均。可以在保证精度的情况下，有效减少计算量［7～8］。将气流通道的两侧设置为周期边界条件；0级导向器入口给定标准大气条件，10级静子出口根据转速和增压比给定静压条件。

离散格式采用的是CFX的high resolution格式，这种格式根据流场内参数变化情况使用不同的格式，具有普遍二阶精度。求解方法采用CFX的伪瞬态算法。

4 计算结果分析

经过计算，得到在不同转速和不同压力条件下得到的压气机特性曲线。本文分析涉及转速附近的工作情况，仿真转速选择在98%～101%额定转速。图3所示为计算结果与标准台架实验数据的对比。

图中实线为标准台架实验数据，点画线为仿真数据。从图3可以看出仿真结果与实验数据吻合较好，仿真结果在100%额定转速时精度最高，最大误差为0.7%；转速为101%额定转速时，误差达到1.2%；转速为98%额定转速时，误差达到了2.5%。造成误差的原因：一是静转子叶片之间使用混合平面方法链接，使叶片前缘和后缘处流场有一定程度失真造成的；二是湍流模型在刻画流场湍流不精确，影响精度。总体来说，仿真结果的误差在可接受范围内，计算精度较高。

图4 为压气机100%额定转速条件下的计算结果。从图中可见，流场中压力和温度随流动逐渐增加，不同叶高压力分布较为均匀，每排叶片通道压力、温度分布合理，压气机整体工作稳定。

图4 （c）为100%转速的流场相对马赫数云图，从图中可以看出，压气机中相对马赫数分布较为稳定合理。马赫数在转子通道相对较高，前五级转子叶背出现较大范围的近音速区，转子叶背顶部区域马赫数最高，达到1.3Ma，这会导致流道壅塞。在其他叶高处也存在类似的壅塞情况，加上该型压气机级数较多，这使得其压气机流量特性曲线较陡，这在改进设计、提高性能时应引起注意。

该压气机在设计工作点整体流场流动稳定，前五级转子前缘气流相对速度接近音速，经过转子的加速后，在叶背后缘存在低速区。这主要是由于该型压气机受到当时的工艺和材料限制，采用的叶型较为简单，叶片后缘没有很好地贴合流场。叶背后缘的低速区在工况偏离设计点时，低速区会逐渐扩大，可能会存在气流分离的趋势，影响工作效率。由于前五级转子流场趋势基本相同，所以本文以第五级转子为例，分析转速和压比变化对转子流场的影响。

如图5所示，第五级转子前缘来流相对速度为0.6Ma，经过叶背加速至0.9Ma～1.1Ma。在70%叶宽处，叶背出现低速区，并向后延伸逐渐扩大。

通过图6可以看到，五级转子叶背在30%～100%叶高大部分气流沿着叶片弦向呈现二维流动特性；在30%叶高以下则气流流动较为混乱。这是由于该型压气机为等外径设计，所以其轮毂会有较明显的收缩，导致叶片根部的气流没有组织好。

图7 为转速为额定转速时第五级转子叶根处的速度流线图。从图中可以看出，随着增压比的增加，气流在叶片前缘的加速明显，叶背尾部的低速区逐渐扩大，当增压比为7.8时，叶背尾部已有气流分离的趋势。造成这种现象主要是由于一方面压比增大，气流流量减少，气流流动速度降低；另一方面压比增大，流场内逆压梯度增大。

图8 为非额定转速下第五级转子叶根处速度流线图，当转速偏离额定转速时，不论转速升高还是降低，低速区相比于额定转速状态都会扩大。其原因是压气机工作在非额定转速时，进入转子叶片的气流攻角未对准叶片前缘，导致了流线和叶片的贴合度降低，低速区域增加。

该型压气机设计时从工艺角度考虑，最后两级静子采用了直叶型静子叶片。图9为第十级静子叶背流动情况，从图中可以发现，第十级静子叶背流线只有在叶高中段沿叶片弦向流动，在叶片的根部和顶部都有明显的三维特性。这是由于第十级静子为直叶片，只能使叶片中段的来流气流与叶片前缘较好的对准，叶片顶部和根部的气流的攻角较大造成了叶背后缘有较大的低速区。

第十级静子叶片后缘的气流分布不均匀使得叶片的尾迹区内产生涡系，也使压气机出口的总压分布不均匀，不利于发动机的整体工作。在改进过程中，可以将直叶片替换为有适当扭转角的叶片，以更好地组织静子叶片通道的气流流动，进而提升压气机整体性能。

5 结语

1）在压气机流场计算中，利用混合平面法拼接多级压气机叶片，处理每排叶片间的相互干扰和数据传输是合理的，在设计工况下仿真误差较小；但随着工作状态偏离设计点，叶片前缘的低压区和叶片后缘的气流尾迹区影响逐渐增大，仿真精度有所下降，但仍在可接受范围内。

2）该压气机在设计点工作稳定，但该压气机前五级转子叶片存在近音速区，流道壅塞，加上压气机级数较多，使得其流量特性曲线较陡。

3）在非设计点多排叶片后缘存在气流分离趋势。由于气流在最后两级静子叶片为直叶片，导致压气机出口存在总压分布不均匀。本文根据分析结果为压气机改进提出了合理建议。