一種多級軸流壓氣機性能預估方法

一種多級軸流壓氣機性能預估方法

0葉型設計技術一個世紀以來，隨著氣彈簧和計算流量的發(fā)展，軸流壓氣機的設計體系不斷發(fā)展，壓氣機的設計水平不斷提高。20世紀初采用螺槳理論設計葉片;20~30年代,采用孤立葉型理論設計壓氣機;30年代中期開始,由于葉柵空氣動力學的發(fā)展和大量平面葉柵試驗的支持,研制了一系列性能較高的軸流壓氣機;50年代開始采用二維設計技術,用簡單徑向平衡方程計算子午流面參數(shù),葉片由標準葉型設計;70年代,建立了準三維設計體系,流線曲率通流計算和葉片—葉片流動分析是這一體系的基礎,可控擴散葉型等先進葉型技術得到應用;90年代以來,全三維流場分析技術的進步促進了壓氣機設計技術的快速發(fā)展,并將全三維流場分析補充至準三維設計體系,設計體系流程圖見圖1。1軸流壓機的設計技術分析目前,多級軸流壓氣機設計體系主要包括準三維設計技術和全三維設計技術。1.1各設計類程序的比較1952年,吳仲華教授提出了S1-S2流面理論,并在這一理論的基礎上建立了壓氣機準三維設計系統(tǒng)。目前,基于S1-S2流面計算的準三維設計技術仍然是國內外壓氣機設計體系的核心。準三維設計系統(tǒng)主要包括一維平均流線計算程序、S2流面設計程序、葉片造型程序、S1流面分析程序和S2流面分析程序。這些程序的設計方法均已比較成熟,設計系統(tǒng)水平的差異主要體現(xiàn)在正問題分析工具的工程實用性、軟件的使用規(guī)范和準則以及設計參數(shù)選擇的經(jīng)驗等。在準三維設計體系中,主要的正問題分析工具是一維特性程序、S1流面分析程序和S2流面分析程序。這些程序要用到與試驗數(shù)據(jù)關聯(lián)的經(jīng)驗公式,如損失計算、落后角計算、失速判斷等,因而必須積累大量的試驗數(shù)據(jù)進行軟件校核和驗證,并在此基礎上改進程序,這是提高軟件計算精度及整體設計水平的關鍵。目前,我國還未能積累足夠的經(jīng)驗數(shù)據(jù)以建立在傳統(tǒng)的葉輪機設計體系中必需的經(jīng)驗關聯(lián),影響了目前正問題計算中損失計算、落后角計算的精度。因而,在目前情況下,如何提高正問題計算,尤其是S2流面分析程序的計算精度是準三維設計技術的難點。1.2cfd在壓氣機設計中的應用近年來,各研究院所應用三維計算流體動力學(CFD)技術研制高性能先進壓氣機的成功,初步顯示了以三維CFD方法作為新設計系統(tǒng)和新設計觀念的強大生命力。其最大特點是,通過該方法所獲得的流場信息量之大是傳統(tǒng)的設計體系無法比擬的,大大減少了設計者需借助經(jīng)驗作出取舍的情況,明顯降低了設計對試驗數(shù)據(jù)/經(jīng)驗關系的依賴程度。借助CFD可以最大限度地擺脫對經(jīng)驗關聯(lián)的依賴,最大限度地降低實驗研究在整個研發(fā)過程中的比重,可以更快、更好、更省地發(fā)展可靠的現(xiàn)代化的具有自主知識產(chǎn)權的葉輪機械體系。全三維流場分析技術的發(fā)展及其在壓氣機設計中的大量應用,促使了壓氣機設計水平的大幅度提高,主要體現(xiàn)在:1)對壓氣機黏性全三維流場及性能有了較準確的預估,使設計優(yōu)化更有針對性;2)在設計中采用全三維分析結果,使設計的壓氣機流道及葉片與流動更加適應,大幅度提高了級負荷與性能,加速了高負荷壓氣機的研究進展;3)全三維分析還使一些先進技術的作用得到了充分的發(fā)揮,如彎掠葉片、大小葉片等。但是,全三維流場分析技術目前也面臨一些問題,如各種全三維程序中湍流模型與實際流動差別較大,計算多級壓氣機時積累誤差較大,失速點很難判斷,低轉速下的分析誤差大;由于該技術對狀態(tài)的變化比較敏感,當計算偏離設計點的狀態(tài)時,往往需要很長的計算時間,或者根本無法達到收斂標準。由此可見,目前全三維流場分析技術的主要難點是如何提高多級壓氣機的計算精度,如何縮短計算時間等。2s1流面分析程序計算方法3級分析方法在s1旋轉軸全三維葉壓氣機固有的逆壓力梯度、高度三維、高度非定常等特點,使其研制難度很大。特別是多級軸流高壓壓氣機,由于級數(shù)多,級間匹配問題突出,且計算的逐級積累誤差大,級間匹配和全工況性能優(yōu)化均很困難。因此,在預研方案設計階段,更需要一種快速的、具有一定精度的方法對壓氣機的特性進行預估。鑒于多級軸流壓氣機的設計特點以及準三維設計技術和全三維設計技術面臨的問題,為了提高設計水平,更好地完成多級軸流壓氣機的設計分析工作,本文提出三維修正S2流面分析程序計算方法,將S2流面分析程序與三維程序相結合,充分利用S2流面分析程序計算多級軸流壓氣機無逐級誤差積累的特點,以及全三維黏流計算單葉片排較準確的特點,用全三維單葉排計算的結果來修正S2流面分析程序的計算,提高了S2流面分析程序的精度,避免了單純用全三維程序計算多級壓氣機積累誤差大的問題,并克服了S2流面分析程序需要經(jīng)驗數(shù)據(jù)支持的缺點。這兩種程序的互補,保證了計算速度和計算精度,且基本不需要經(jīng)驗數(shù)據(jù)的支持。三維修正S2流面分析程序計算方法的具體步驟為,首先用全三維黏性流程序計算出多級壓氣機每一個葉排的性能,然后用S2流面分析程序對多級壓氣機的每一個葉排進行計算。利用S2流面分析程序可以人工干預修正的特點,不斷地對葉排損失、攻角和落后角進行修正,使計算結果與全三維黏性流計算程序計算的結果逐漸逼近,直至達到最佳吻合。此時葉排損失和落后角的修正值也相應確定,再將每一葉排的損失、攻角和落后角修正值代入多級壓氣機的S2流面分析程序輸入數(shù)據(jù)模塊,進行S2流面分析程序的多級計算,流程圖見圖2。以某多級軸流壓氣機為例,進行三維修正S2流面分析程序計算方法評估。運用全三維分析程序denton和numeca對S2流面分析程序進行修正,評估了相對換算轉速1.0和0.85時的性能。圖3和圖4給出了兩個轉速下三維denton程序修正S2流面分析程序(denton2d)、三維numeca程序修正S2流面分析程序(numeca2d)和全三維(numeca)程序的計算結果與試驗特性的比較,橫縱坐標均為各參數(shù)的相對值。從圖中可以看出,經(jīng)過三維修正的S2流面分析程序的計算結果比全三維程序的計算結果更靠近試驗特性,計算準確性明顯高于全三維聯(lián)算。雖然在非設計轉速二維計算的堵點流量偏大,但整體上還是與試驗特性比較接近的。在二維正問題計算過程中,二維中的損失系數(shù)和攻角、落后角經(jīng)過三維的修正,計算的精度得到了提高。3修正量時的修正s1流面分析根據(jù)上述的計算結果,經(jīng)過三維修正的S2流面分析程序的計算精度比全三維的高。在還沒有足夠的經(jīng)驗給出全三維計算結果的修正量時,這種三維修正S2流面分析程序的計算方法在計算多級軸