高速轴流压气机二维特性计算

第53卷第5期2011年1O月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYV0153NO50CT201L高速轴流压气机二维特性计算袁锋，张才稳，黄海舟，胡江峰，竺晓程，杜朝辉1湖北省电力公司电力试验研究院动力研究所，武汉430077；2上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030摘要采用二维流线曲率法数值模型，建立了适应于高速轴流压气机的落后角和损失模型，对某跨声速轴流压气机转子的非设计工况点进行计算，并与实验结果进行了对比。结果表明，该方法具有较好的计算精度，可为轴流压气机设计和优化提供参考。关键词压气机；二维特性；流线曲率法；损失模型分类号TK05文献标识码A文章编号100158842011050342032DPERFORMANCESIMULATIONFORHIGHSPEEDAXIALCOMPRESSORYUANFENG，ZHANGCAIWEN，HUANGHAIZHOU，HUJIANGFENG，ZHUXIAOCHENG，DUZHAOHUI1HUBEIELECTRICPOWERTESTINGANDRESEARCHINSTITUTE，WUHAN430077；2SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY，SCHOOLOFMECHANICALENGINEERING，SHANGHAI200030ABSTRACTTHESUITABLEDEVIATIONANDLOSSMODELSARESETUPBASEDON2DSTREAMLINECURVATUREMATHEMATICMETHODFORHIGHSDEEDAXIALCOMPRESSORTHENCALCULATIONSARECONDUCTEDUNDEROFFDESIGNCONDITIONSANDCALCULATEDRESULTSARECOMPAREDWITHEXPERIMENTSDATARESULTSSHOWTHECALCULATINGMETHODHASGOODPRECISIONANDCANBEUSEDFORAXIALCOMPRESSORDESIGNANDOPTIMIZATIONKEYWORDSCOMPRESSOR；2DPERFORMANCE；STREAMLINECURVATUREMETHOD；LOSSMODEL0前言轴流压气机是燃气轮机的主要工作部件之一，被广泛地应用于发电、航空航天等领域。由于压气机大多数情况下在非设计点工况下运行，所以它的非设计点性能预测变得十分重要。随着计算流体力学和计算机技术的发展，三维CFD技术被广泛地应用于压气机的流场的特性计算，但其需要较长的计算时间，还受到网格数等的影响。这使得在压气机的初步设计阶段，国内外的科研院所依然采用流线曲率法用于其性能的预测与分析。流线曲率法在预测压气机特性上的准确程度主要依赖于3个模型，即攻角模型、落后角模型以及损失模型。几十年来，国内外众多科研院所为此进行了大量的工作2，使得这些模型都获得了一定程度上的改进和发展。本文结合国内外多年来的研究进展，发展了一种计算模型的组合方式，通过对NASAROTOR37的数值计算，并与实验结果进行了对比，结果表明该方法在预测高速压气机性能上具有一定的精度，可用于工程计算。1数值方法11控制方程压力梯序方程考虑到方程既能用于动叶后，也可用于无叶区等情况，采用相对坐标系下控制方程。ON上VM旦ON堕ON一导一ON【，一叫，JC0S一咖一一TAN一咖】1流量连续方程GIH2RRPV,COS一DN212参考攻角模型参考攻角通过NACA65系列叶型二维吹风实验得出的图标和关联式基础上进行计算，并考虑了三维效应的影向。计算公式如下II2DI一I2DKIO1ONI3D3式中，K为最大厚度不等T10的修正系数；K为叶片形状与65系列叶片厚度分布不同时修正系数；I。为10厚的65系厚度分布的零弯度流入角；N为流入角随弯度变化的斜率。13落后角模型收稿日期20110124作者简介袁锋1978，男，汉族，湖北襄樊人，博士，主要从事动力机械流场及性能的数值计算与实验研究。第5期袁锋等高速轴流压气机二维特性计算343131参考落后角模型参考攻角下叶栅产生的落后角就是参考落后角，根据NACA65系列叶型图标和关联式计算，公式如下I。ORIFI2_O鲁一。4式中，为最大厚度不等于10的修正系数；为叶片形状与NACA65系列叶片厚度分布不同时修正系数；。为10厚的NACA65系厚度分布的零弯度流人角；F1为攻角改变所引起落后角变化斜率。、AT，132非设计点落后角模型本文非设计点落后角模型以参考落后角为基准，考虑到攻角、子午速度以及三维效应的影响。6艿66占3D5式中，6为考虑攻角偏离参考攻角所引起的落后角修正，具体计算公式公式如下一67R”式中，6为考虑流道子午速度变化的影响所引起的修正。具体计算公式如下占ML01一8式中，。为考虑三维效应的影响对落后角所进行的修正。按径向对落后角进行修正，本文计算采用NACA65系列叶栅吹风实验数据修正。14总压损失模型本文对于总压损失的计算，首先计算设计点下的总压损失，然后根据损失与马赫数以及攻角的关联曲线计算非设计点的附加损失一。可面REF面一可9可可，可跗，1OF旦1FD112OR号12、C，其中，可一为叶型损失，采用扩压因子D的计算方法计算。可为激波损失，在此采用MILLER正激波损失模型计算A30“C一器亢生12J一K一1T_订2计算结果及分析13NASALEWISROTOR37共有36个叶片，展弦比为119，设计转速为171887RMIN，轮毂比为07，进口叶尖相对马赫数为148，设计压比为2106，设计流量为2019，实验测得堵塞点流量为2O93014。文中实验数据来源于文献6。为了考察落后角模型、损失模型在非设计点工况的计算的准确度，本文计算了92近喘振点、98相对流量下压比、效率，总温比沿叶高的分布。图1和图2分别为92和98相对流量下压比和效率沿展向的计算结果与实验数据的比较。从图中可以看出，在叶根和叶顶处计算结果与实验数据的误差最大，在中间部分，压比计算结果比实验值高，这说明总压损失系数计算值较小，但压比变化规律与实验值基本一致。图3、图4是92、98相对流量下总温比沿叶高的分布，叶尖的总温要比叶中的高，并沿叶高总体上逐渐上升，趋势与实验值基本一致。这些计算结果都表明在偏离设计点工况，尤其是严重偏离的近喘振点工况，模型也能准确预测出压比、总温比和效率的变化趋势，但在近喘振点误差偏大，表明模型精度还有待进一步提高。挺吉0实验值计算值4R一0C0U0OO。，、O压比图192设计流量工况下总压比对比。IB实验值0计算值I000UO0O0O300压比图298设计流量工况下总压比对比除了计算非设计点展向参数之外，本文也计算了100转速下的压比和效率，并与实验值进行了比较。从图5可以看出，压比与实验值比较吻合，变化趋势基本一致。随着流量的减少，计算值与实验值误差有增加的趋势，尤其在近喘振点。这说明，模型在模拟小流量工况下的特性时误差偏大，表明模型还需要进一步修正。图6是等转速下效率和实验值的比较，从图中可以看出，效率总体比实验值低。随着流量的增大，效率对实验值偏差越来越大，总的来说，效率的计算值与实验结果趋势总体上是一致的。以上的计算表明，本文所采用的方法可以较好地模拟压气机设计转速下压比和效率特性。344汽轮机技术第53卷UVV0验值089算值0验值0计算值80U0088U60C087柜0槲古较086C4O0085，I20O084。2212412612813013213413692093094095096O97098099100101总温比折合流量图392设计流量工况下总温比对比图6压气机绝热效率性能曲线，NN信肯法对高谏乐机转子设计转谏下T况点讲行了数值计JL，RI0算，通过对计算结果与实验值对比分析，得出以下结论O实验值008O计算值1本文所采用的模型和方法可以较好地预测压气机的0非设计点工况特性，沿径向的压比、总温也与实验值比较吻60U合。从叶根、叶顶处的计算结果与实验值的比较表明，本文据0所采用的损失模型，在叶根和叶顶区域的计算偏差相对较吉400大，但总体趋势基本一致，能够比较真实地反映高速压气桃0C内部的流动。2002在压比和性能曲线上，随着流量的减少，压比计算偏0O差有所增加，但曲线趋势与实验值基本一致，效率整体上来20122124126128130132134136看比实验值低，在近堵塞工况点误差偏大，表明模型还需要总温比进一步的改进和发展。总的来说，计算具有一定的精度，可图498设计流量工况下总温比对比用于工程计算。0实验值参考文献21402121BOYERKMANIMPROVEDSTREAMLINECURVATUREAPPROACHFOROF一DESIGNANALYSSOFTRANSONICAXIALCOMPRESSIONSYSTEMSJ210UJOURNALOFTURBOMACHINERY，2003，125475481208206O2CETINM，UCERAS，ETA1APPLICATIONOFMODIFIEDLOSSANDDEVIATIONCORRELATIONSTOTRANSONICAXIALCOMPRESSORSRAGRAD204R一74519872023JOHNSEN，IA，BULLOCK，ROAERODYNAMICDESIGNOFAXIALFLOV2OOCOMPRESSORSRNASASP一36，1965一4蘑胡虱奢屠宗锋等名级轴流风扇压气机非设计092O93O94O95O96O97O98O991。101性能计算方法J推进技术，2008，292119224折合流量5MILLERGRKWISGW，HANMANNMJSH。EKLOSSESINTRAN图5压气机压比性能曲线。0NICCOMPRESSORBLADEROWSJJOURNALOFENGINEERING0FPOWE19612352423结论A。RIMRA咖TFA1。NUUMIERIEALLOWINVESIGATI。OLNDOFTRANSBO。NICAXIATLCRBOMLP。RE。S本文采用基于一维轴对称数学模型的流线曲率法数M。D。TMI。NS0FTH。ASME上接第364页参考文献1邓睥，顾春伟，薛耀华，马文生压气机级问抽气的数值模拟J工程热物理学报，2008，29140422陈党慧，王新军蒸汽轮