利用靜子非軸對稱輪轂造型提高軸流壓縮機效率

摘要： 以減弱軸流壓縮機靜葉角區分離為目的，將非軸對稱端壁造型技術引入軸流壓縮機的設計中。數值模擬結果顯示，設計的非軸對稱輪轂使原型壓縮機靜葉根部的角區分離顯著減小，級工作效率得到提高。

鍵詞關： 軸流式壓縮機；非軸對稱輪轂；數值模擬

中圖分類號： TH453　　　 文獻標識碼： B

文章編號： 1006-8155 （ 2009 ） 02-0003-04

Improving Efficiency of Axial-flow Compressor with the Application of Non-axisymmetric Stator Hub

Abstract: The technique of non-axisymmetric endwall profiling is introduced into the design of axial-flow compressor for the purpose of diminishing the corner separation occurred in the datum design. The result of numerical simulation shows that the designed non-axisymmetric hub can make the corner separation in the root of stationary blade of prototype compressor decreased significantly and the operating efficiency of stage improved.

Key words: axial-flow compressor; axisymmetric hub; numerical simulation

0　 引言

　　非軸對稱端壁造型（ non-axisymmetric endwall profiling ）是指在葉輪機械的端壁設計中引入非傳統的、幾何平滑的凸凹設計構造來達到局部調整流動的目的。對它的研究成為近年來葉輪機械中的一個新興的研究熱點 [1-4] 。目前，對它的研究還大多集中在軸流渦輪中。在渦輪中的研究結果表明：非軸對稱端壁的特殊造型可以在端壁區起到調節馬蹄渦吸力面與壓力面分量，減弱二次流，降低流動損失的作用。

　　由于工作在特定的逆壓環境，軸流壓縮機靜子葉片的角區分離是一個普遍的現象，也是設計者希望盡量減小的現象。研究發現 [5] ，靜子葉片的角區分離與端壁區的橫向流動（壓力面向吸力面的流動）有關。當來自壓力面的二次流動觸及到相鄰葉片吸力面時，葉片附面層內流動脈動加強，流動分離被觸發。

　　鑒于以上認識，以一臺亞音速軸流壓縮機為研究對象，以減弱角區分離為目標，對該壓縮機的靜子輪轂進行了非軸對稱造型的設計和數值模擬，對非軸對稱端壁造型技術在軸流壓縮機中的應用進行了有益的探討。

1 　研究對象和數值模型的考核

　　軸流壓縮機級由上游轉子和下游靜子兩排葉片組成。表 1 給出該壓縮機級的主要設計參數。

表 1 軸流壓縮機級的主要設計參數

　　數值模擬由商業 CFD 軟件 NUMECA 來完成。該軟件采用了中心差分的有限體積法來求解時均守恒型 RANS 方程的空間項，采用四步 Runge-Kutta 法來求解其時間項。為加速收斂，還采用隱式殘差平均和多重網格等加速技術。計算選用 Spalart-Allmaras 湍流模型來封閉方程組。

　　在對非軸對稱造型壁面進行研究以前，首先對原型壓縮機進行了數值模擬（ 54 ％設計轉速）。數值模擬結果與試驗結果 [6] 的對照見圖 1 。從圖中看出，模擬特性曲線在整體的流量范圍和變化趨勢上與試驗符合較好，但模擬的壓比和效率在數值上都略低于試驗值，其中壓比約低 1 ％，而效率低 2 ％～ 4 ％。出現以上現象的原因主要在于數值模擬所采用的湍流模型對流動損失的“過”估計。結合以往的數值模擬經驗，筆者認為，數值模擬對同一壓縮機的模擬具有一致性。對比不同端壁造型結構的數值模擬結果，可以給出其性能的相對差異。

2 　非軸對稱輪轂設計

　　目前已有的非軸對稱端壁造型方法，大體可分為兩類：一種是將原有曲面離散成幾何上的控制點，然后以優化的方式對控制點重新定位，最后生成新的曲面 [4,7] 。這種造型方法所需計算資源巨大，計算時間較長；另一種方法是結合物理流場的分析， 選擇符合流場性質的幾何控制方程重新生成曲 面 [8] 。設計采用第二種方法。因為在亞音速壓縮機中，凹的曲率可使氣流減速增壓，而凸的曲率可以使氣流加速減壓，故為調整二次流動，筆者構造了如圖 2 所示的，壓力面下凹，吸力面上凸的靜子輪轂。圖中最大造型深度為 2mm ，約為靜子葉高的 4 ％。造型曲面控制方程為

3 　結果分析

　　靜子輪轂造型前后，壓縮機級的數值模擬性能曲線對比見圖 3 。從圖中看出，在壓縮機的主要工作范圍（最高效率點前后），壓縮機級的效率得到了提高。在最高效率工況，效率提高略大于 1 ％， 在趨于邊界工況時（近堵、近失速），效率基本與原型持平。對比壓力特性曲線，趨勢基本與效率特性曲線相同，但壓力的提高幅度相對較低，可以認為靜子輪轂造型對壓比特性基本無影響。

　　靜子輪轂造型對壓縮機效率的提高突出體現在最高效率工況的原因在于：輪轂造型最初是基于最高效率工況時靜葉角區分離的特點設計的；在近堵點和近失速點，角區分離的范圍和強度將發生變化，靜子輪轂造型面對角區分離的控制也隨之減弱。由于實際應用中，壓縮機的工作范圍主要限定于最高效率點附近（所謂壓縮機設計工況點），因此對最高效率工況段性能的改善是最具實用意義的。這也是最初選擇最高效率工況來進行輪轂造型的原因所在。

　　最高效率工況時，靜葉表面的極限流線對比見圖 4 。圖中陰影部分為軸向速度小于零的區域，基本代表了葉片吸力面分離區的大小。從圖中可以明顯看出，由于輪轂造型的采用，靜葉表面的分離區大大減小。這個效果歸功于造型壁面調整了靜葉根部吸力面與壓力面間的壓力平衡，減弱了該區域的二次流動，推后了壓力面流動過來的二次流到達相鄰葉片吸力面的位置。

　　最高效率工況時，靜葉通道各軸向截面（ 50 ％靜葉弦長， 75 ％靜葉弦長， 100 ％靜葉弦長）的總壓損失云圖對比見圖 5 。其中，總壓損失按式（ 1 ）定義。

　　由圖 5 可見，對于原型壓縮機靜葉通道：在 50 ％靜葉弦長位置時，靜葉吸力面根部已經出現角區分離，表現為對應的高總壓損失區。隨氣流向下游流動，靜葉的角區分離不斷擴大，直至到達靜葉出口時，分離區在周向已占據約 2/3 通道寬度，在葉高方向占據約 30 ％葉片高度。靜葉通道內大范圍的高總壓損失區，必然帶來較大的效率損失。相比之下，靜葉輪轂造型的葉片通道內各個截面流動分離都大大減弱，表現為高總壓損失區域的縮小。在 50 ％和 75 ％弦長處，流動分離還幾乎不可見，在 100 ％弦長時流動分離也僅限于貼近葉片吸力面的較薄的一個范圍內。由于角區分離的減小，在靜葉通道各個截面流動的總壓損失都明顯的減少，故總體而言，級的效率得到了的提高。以上對總壓損失的分析，很好地解釋了圖 3 中，靜葉輪轂造型所帶來的性能的改善。

　　壓縮機級出口總壓沿徑向的分布見圖 6 。由圖中看出，對于靜葉非軸對稱輪轂造型的壓縮機級，靠近內徑約 40 ％范圍內的總壓輸出明顯高于原型，這個范圍大體上對應于靜葉角區分離的范圍。從而說明靜葉輪轂非軸對稱造型對級性能的改善主要來自于其對根部流動的改善。相比較于造型幅度而言，造型的影響范圍是較大的，效果也是顯著的。

4   結論

　　（ 1 ）非軸對稱的輪轂造型，可以有效削弱軸流壓縮機靜葉通道內的角區分離，進而提高壓縮機級的工作效率。

　　（ 2 ）靜葉非軸對稱輪轂造型的影響范圍大體為角區分離的范圍，相比于造型的幅度，這個影響范圍是較大的。

　　（ 3 ）軸流壓縮機靜葉輪轂非軸對稱造型，對壓縮機強度設計的挑戰較小（靜止件的強度設計），但卻能有效提高整級工作效率，其應用前景值得關注。

參 考 文 獻

[1] J. C. Hartland, and etc. Nonaxisymmetric Turbine Endwall Design: Part II—Experimental Validation, ASME paper GT-99-338, 1999.

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[3] Diego Torre, and etc. A New Alternative for Reduction of Secondary Flows on Low Pressure Turbines, ASME paper 2006GT-91002, 2006.

[4] Christian Dorfner ， and etc. Axis-Asymmetric Profiled Endwall Design Using Multiobjective Optimization Linked with 3D RANS-flow-simulations, ASME paper GT2007-27268.

[5] R. Müller, and etc. Influencing the Secondary Losses in Compressor Casecades by a Leading Edge Bulb Modification at the Endwall, ASME paper GT-2002-30442, 2002.

[6] 江春 . 前置凸臺周向槽式機匣處理對雙級軸流壓氣機性能影響的試驗研究 [D]. 碩士學位論文 . 西北工業大學 , 2001.

[7] 高增珣，高學林，袁新 . 透平葉柵非軸對稱端壁的氣動最優化設計 [J]. 工程熱物理學報， 2007,28(4):589-591.

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