QD11燃气轮机轴流-离心组合压气机离心级设计 卢新根

1、中国工程热物理学会 热机气动热力学学术会议论文 编号：092066QD11燃气轮机轴流-离心组合压气机离心级设计 国家863项目资助（No.: 2007AA050503）卢新根，朱俊强，聂超群(中科院工程热物理研究所 北京100190)TelE-mail：xingenlu摘 要：基于QD11燃气轮机研制需求，利用离心压气机设计系统完成了QD11燃气轮机轴流-离心组合压气机离心级的一维方案设计、准三维设计和造型，利用经过校核的全三维CFD软件对所设计的离心压气机性能进行了验算，结果表明，该离心压气机内流流动参数分布合理，各项性能指标完全满足设计要求。在气动性能基本满足设

2、计指标后，建立了离心压气机叶轮循环对称有限元模型，完成了该离心压气机叶轮的强度校核。关 键 词： MW级燃气轮机；离心压气机；气动设计；强度校核0 引 言 中小流量发动机的压气机随着压比的提高，后面级的通道高度越来越小。整个压气机都采用轴流级时，后面级的效率将非常低。如采用双级离心压气机，则一方面流道转弯太多会带来效率下降，另一方面在采用双轴时还会有结构复杂的问题。轴流/离心组合压气机结合了轴流级流道平滑，效率高以及离心级流量小，工作范围宽广，零件少和可靠性高的特点，广泛用于中小流量的发动机中。美国“阿帕奇”武装直升机用的T700-GE-701发动机、欧洲新一代武装直升机用的RTM322发动机

3、、美国高空高速无人侦察机“捕食者”用的FJ44涡扇发动机，以及全球小型商务/行政机主要动力JT15D、PW300、PW600和TFE731等发动机都采用的是组合压气机。由于具有结构紧凑、压比高、可靠性高、制造方便、成本低廉、工艺性好及较宽的稳定工作裕度等优点，在中小型发动机上得到了广泛的运用。作为国家科技部计划重大专项“单转子双轴1MW级燃气轮机研制及其在冷热电联供系统中的应用示范” 的一个组成部分, 本文利用离心压气机设计系统完成了QD11燃气轮机轴流-离心组合压气机离心级的一维方案设计、准三维设计和造型；利用经过校核的全三维CFD软件对所设计的离心压气机性能进行了验算；在气动性能基本满足设

4、计指标后，建立了离心压气机叶轮循环对称有限元模型，利用ANSYS软件完成了该离心压气机叶轮的强度校核。1 离心压气机初步方案设计根据轴流-离心组合压气机轴流-离心的压比分配及轴流压气机三维计算结果，最终确定离心压气机的设计指标。依据设计指标，以大量的经验数据及经验公式为基础，借助Concepts NREC公司的Compal一维性能预测软件1，在给定的限制条件下以效率最大化为目标对离心压气机各个截面的主要几何参数进行筛选，确定初步得出满足设计要求的离心压气机各关键截面上的气动参数和几何尺寸，具体按照以下步骤进行：(1) 叶轮的初步设计，主要包括叶轮型式、叶轮进口尺寸（根、尖直径）、叶轮出口直径及

5、宽度、叶轮总宽度、叶轮叶片数及叶片进出口角等；(2) 扩压器的初步设计，主要包括扩压器的型式、无叶扩压段、径向叶片扩压段、转弯段和轴向扩压段的设计等。初步方案设计结果及离心级的主要设计指标如表1所示。表1 离心压气机离心叶轮一维计算结果参数参数值流量5.3转速32000进口总压307000进口总温413进口气流角进口具有15度预旋叶轮进口尖部直径198叶轮进口轮毂直径144.2进口轮毂比0.728叶轮进口轮毂比0.69叶轮出口相对宽度0.037叶轮出口叶片角45级压比3.716级绝热效率0.831叶轮进口叶尖相对Ma0.82标准比转速0.627如图1给出了该离心压气机的结构简图，主要包括了进口

6、段、叶轮、无叶扩压段、两排叶片式径向扩压器、转弯段和轴向扩压器。离心叶轮出口接一个渐缩无叶扩压器，扩压器的出口半径与进口半径之比为1.1，扩压器出口与进口宽度之比为0.85。无叶扩压器出口后面接双排叶片式扩压器，且第二排叶片的数目比第一排多一倍，其中第一排径向扩压器17片，第二排扩压器34片，这样既满足了对第一排叶片进口通流能力的要求，又减小了第二排叶片的扩压角，两排扩压器分别采用了NACA65(4A10)06-51º叶型和NACA65(12A10)06-60º叶型，叶片扩压器出口后是90弯管，最后是轴向扩压器，采用了NACA65(18A10)10-30º，其设计

7、攻角根据图2确定。图 1 离心压气机子午流道及叶栅攻角图 2 NACA系列叶栅设计攻角选取12 离心压气机准三维设计和造型离心压气机的设计主要是叶轮的设计，因此，下面将详细介绍离心叶轮的设计。在离心压气机方案设计阶段给出了离心叶轮进出口尺寸、叶轮总宽度和叶轮进出口平均流场参数，准三维设计的主要步骤是：根据方案计算结果，初步对叶轮进行造型并进行S2计算；根据计算出的流场参数对叶轮进行诊断，调整离心叶轮子午流道曲率、叶片角和叶片厚度分布，重复进行叶轮造型及S2计算，直到得到合理的叶片负荷分布为止。造型中采用了任意空间直线叶片造型法，叶片造型时注意了以下三个问题: (1) 叶片表面参数分布合理；（2

8、）所造型的叶片能够加工；（3）叶片的强度和振动满足要求。大多数情况下，同时满足上述三个要求比较困难，因此设计过程中需要进行折衷。如图3分别给出了该离心叶轮轮毂和机匣流道的斜率和曲率分布，可以看出其曲率较为光滑，斜率变化均匀。机匣流道斜率在前部较小，在中后部斜率较大。为了减小分离，前后缘的曲率尽可能的小，而中部曲率较大。(a)斜率(b)曲率图3 离心叶轮子午流道参数分布设计中进出口叶片进出口叶片角由一维设计确定，其分布由叶片负荷分布来确定。叶片角度的分布需综合考虑最大负荷位置、叶片包角、叶片倾斜角等。叶片包角和叶片倾斜角是由叶片角度分布衍生而来的，即叶片角度分布一旦确定，叶片包角和叶片倾斜角也就

9、确定了。对于该离心压气机，最大负荷分布近似在子午流道中部，这就意味着最大角在6070%子午流道长度处，最大角和出口角之差在1025deg，见图4(a)。本设计的包角和倾斜角见图4(b)和4(c)，可以看出，叶片倾角从进口0度变化到出口30度。 (a) 叶片角度分布(b)叶片包角分布(c) 叶片倾斜角分布(d)叶片厚度分布图 4 离心叶轮叶片参数分布厚度分布主要影响到叶片的强度和振动，对气动性能的影响相对较小，尤其是对于亚音速压气机。另外，叶片的前缘要尽可能的薄，以减小气流在前缘加速。叶片前缘厚度（叶尖）通常取为0.30.4mm。本设计的压气机叶片前缘厚度（叶尖）取为0.5mm，见图3(d)。另

10、外，离心叶轮的厚度分布对其寿命具有较大的影响，为了保证该离心叶轮足够的寿命，参照以往经验，离心叶轮前缘和尾缘的锥度比分别取2后和4。如图5给出了离心叶轮内部S2流场计算结果，可以看出，轮毂-机匣和叶片-叶片之间叶片负荷系数（叶片压力面和吸力面相对速度之差与平均速度的比值）分布比较合理（图5(a)和图5(b)），离心叶轮前缘和尾缘处的负荷较小，而在50%60%叶片弦长范围内的负荷相对高，些这有利于为离心叶轮提供一个良好的进口条件，同时减小离心叶轮出口落后角。如图5(c)给出了叶片表面静压恢复系数分布。可以看出，所有参数均满足设计准则要求2，即：叶片负荷系数小于0.8，叶片吸力面的静压恢复系数应该

11、低于0.5，而压力面的静压恢复系数应小于0.8。从S2计算获得流线分布也可以看出，其流线分布较为光滑。 图5 离心压气机叶轮S2计算结果3 全三维气动性能校核前面分别介绍了离心压气机的几何特征，并分别给出了子午流道、叶片角度分布和叶片厚度分布。压气机几何（如子午流道、叶片角度分布等）对性能的影响不是孤立的，而是相互影响的。为了提高离心压气机设计的可靠性，保证获得更好的离心压气机性能，必须对离心压气机内的三维流场有清楚的了解。因此，在离心压气机设计过程中采用经过教核的全三维粘性流场分析工具，对压气机进行优化分析，获取流场信息，并计算其非设计点性能。实际上，在前面给出的压气机几何，正是基于全三维C

12、FD为核心分析工具，优化设计的结果。数值计算采用了NUMECA FINE软件包的Euranus求解器。该求解器采用Jameson的有限体积差分格式并结合Spallart-Allmaras湍流模型对相对坐标系下的三维雷诺平均Navier-Stokes方程进行求解，采用显式四阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，同时加入二阶和四阶人工粘性项以消除数值计算中过程中的伪数值振荡，为提高计算效率，采用了多重网格法、局部时间步长和残差光顺等加速收敛措施,各叶片排之间的动静干涉采用混合平面法进行信息传递。边界条件给定如下：进口给定总温，总压和气流角，出口给定平均静压。壁面采用了绝热无滑移边界条件，

13、与转子叶片联结的轮毂壁和叶片壁转动，而机匣壁和轮毂壁的其它部分则定义为静止。为了获得该离心级的特性线，计算从设计点开始，通过逐渐增加背压向近失速点推进，并取前一工况的计算结果为初场，数值失速前的最后一个收敛解对应着近失速工况，计算中数值失速点的定义如下：随着迭代次数的增加，压气机的流量、压比以及效率等性能参数不断减小。如图6给出了利用全三维CFD计算获得的4个不同转速轴流-离心组合压气机离心级的总性能特性。由图可以看出，在设计点附近（从离心压气机全三维计算结果确认3可知，对于离心压气机来说，计算获得的流量比实验测量值偏大了约4%，因此，这里选择流量为5.5kg/s的工况点作为设计点）离心压气机

14、的效率为0.837，总压比为3.725，综合裕度约为18.7，离心级的各项性能指标均超过了设计要求。(a) 总压比（b）等熵效率图6全三维计算得到的离心压气机总性能特性如图7给出了设计工况下离心压气机内部流场结构，可以看出，离心压气机内部流动状况良好。图 7 离心叶轮内部流场结构图8 离心叶轮循环对称有限元模型4 离心压气机强度校核该轴流-离心组合压气机离心叶轮的结构图如图所示。叶片数目为15片，叶轮转速为32000r/min，叶轮采用了TC11。在正常工作条件下，工作轮出口处温度约为505K，因此取230时的材料性能数据作为计算时的材料物性参数,其密度为4480kg/s，弹性模量为11400

15、0MPa，泊松比为0.33。基于模型的循环对称性，本计算采用一个扇区作为计算对象，建模时使用20节点6面体单元, 共划分了单元11120个, 节点51931个，扩展后的循环对称有限元模型如图8所示。边界条件为前端面轴向约束，盘轴装配面周向约束。 如图9给出了离心叶轮叶片和轮盘等效应力分布。最大等效应力为800MPa，位于轮盘中心（靠近尾缘）。叶轮的材料为钛合金TC11，其屈服强度796MPa，强度极限943MPa最大应力略微超过屈服强度，但只是局部产生塑性变形，因此满足强度设计要求。(a) 叶片(b) 轮盘图 9 离心叶轮叶片和轮盘表面等效应力分布5 主要研究结论利用Concept NREC软件完成了QD11燃气轮机轴流-离心组合压气机离心级的一维方案设计、准三维设计和造型；利用经过校核的全三维CFD软件（Fine/Turbo）对所设计的离心压气机性能进行了验算，结果表明，所设计的离心压气机设计点总压比为3.725，效率为0.837，综合裕度约为18.7%，各项性能指标均超过了设计要求。在气动性能满足设计要求后，建立了离心压气机叶轮循环对称有限元模型，利用ANSYS软件完成了该离心压气机叶轮的强度校核，强度满足设计要求。参考文献1 Japikse, D., Centrifugal Compressor Design and Perform