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轴流压气机抽气对下游叶排流场影响的数值研究

陈 哲 刘应征 / 上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室    

摘要:本文采用三维流动数值模拟方法研究了轴流压气机级间环形槽抽气对下游叶排流场的影响。计算表明:抽气使下游叶排S1S2流面的速度、压力分布以及叶片表面压力分布发生变化;靠近叶顶区域的流场变化尤为明显;随着抽气量的增大,流场受影响程度增大。
关键词:轴流压气机;抽气;数值模拟;流场特性

中图分类号:TH453 文献标志码:B
Numerical Investigation on the Effect of Bleeding to the Flow-field of the Downstream Row in the Axial Compressor
Abstract:The effect of interstage ring bleeding on the flow-field of the downstream row is investigated by the three-dimension numerical simulation. The result shows that the bleeding has made the velocity of downstream stage S1 and S2 flow surface, the pressure distribution and the distribution of pressure on the surface of blade changing. The area close to the blade-tip is affected more distinctly and the more bleeding mass flow, the more it will influence the flow-field.
Key words: axial compressor; bleeding; numerical simulation; flow field characteristic
0 引言
  现代轴流式压气机的设计中常因应用或性能方面的需要引入级间抽气。抽气对下游流场会有所影响,适当的抽气设计可以减小流动阻力,改善压气机特性,扩大压气机的稳定工作范围。国内外文献分别从抽气方式、抽气模型、抽气位置以及抽气量等方面进行探索,做了许多机理性的研究。麻省理工学院Kerrebrock等人首先提出边界层抽气方案[1]并应用于高负荷压气机[2] ,其机理是抽引附面层的低能量流体使流场得以改善。顾春伟等[3]比较不同抽气流量下单级叶排的流场情况,证明了通过静叶吸力面抽气改善叶片性能和流动状况的可行性。顾扬等[4]通过带静叶优化(静子叶片可调,实验过程中选取最佳静叶优化角)的压气机引气试验研究表明,压气机中间级引气使压气机稳定工作范围增加,并存在一个最佳引气量使压气机的效率增高。张皓光等[5]对某双级轴流压气机引气进行数值模拟,分析了轴向间隙引气对压气机顶部区域流场结构的影响。本文借助数值模拟手段,显示了压气机级间环形缝隙均匀抽气情况下下游叶排流场的变化细节,为此论题的研究分析提供了数值样本。
1 研究对象
  本文的研究对象是带有涡轮冷却抽气的某重型燃气轮机压气机。抽气口呈环形缝隙形式,位置设在第3级静叶之后。压气机计算域子午剖面见图1。图上画出了动静叶片、叶间的计算交界面以及抽气口的位置。抽气缝隙的轴向长度10mm,与级间轴向距离之比为1:7。抽气口后端与动静交界面的距离为15.4mm。抽气口径向深度为15mm,深度与叶高之比为1:16。

  对象压气机工作参数:动叶转速3 000r/min;进口流量368.1kg/s,进口总压100 292.6Pa,总温288K,空气沿轴向方向进入压气机;抽气流量占压气机进口流量的0~2%。零抽气指抽气环被封闭的工况,该工况的计算结果作为不同抽气工况的比较基准。
2 计算方法
  计算域覆盖对象压气机的前四级。为了保证计算的稳定性,进口导叶前与第4级静叶后分别增加约一个弦长的延长段。
  本文计算在NUMECA软件平台上进行。计算域网格划分采用两种形式。叶片流道采用O4H多块网格拓扑结构,以单通道结构连接各个叶排。进出口延长段和抽气环槽内部采用H型网格。为保证计算质量,所有网格最小正交角度大于等于10°,最大长宽比小于5 000,最大扩展比小于10。整个计算域网格点数共340万,全部由NUMECA/Autogrid软件生成。
  计算边界条件设定:进口条件按压气机工作参数给定进口总压与总温;出口条件利用简单径向平衡条件给定出口截面轮毂处静压值;固体壁面(包括抽气环形槽)为绝热无滑移边界条件;抽气流量在未抽气压气机进口流量的0~2%范围内选取,抽气口边界给定抽气环出口截面流量;在各个叶排交界面上给定气流静压作为迭代初值。
  压气机抽气三维流场计算在定常条件下进行,流动由雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras一方程湍流模型控制,由NUMECA/FINE/TURBO求解器完成计算。计算中,对流项采用中心差分法离散,叶排交界面的参数传递采用混合平面模型。为了加快收敛,计算过程使用了当地时间步长法、隐式残差光滑和多重网格技术。
3 计算结果及分析
  由于抽气装置安装在第3级静叶后缘,流场的对比分析主要针对第4级动叶流场进行。计算结果分别用该叶排流道中心S2流面相对马赫数分布、端壁处S1流面静压分布以及95%和50%叶高处叶片表面压力分布三种图形表示出来。
3.1 S2流面相对马赫数对比
  级间抽气对下游叶排流场产生影响,可以从S2流面上的相对马赫数分布图反映出来。图2是不同抽气量条件下S2流面相对马赫数分布图。图中,中间两条直线之间为抽气口下游动叶通道,两侧为动静叶排间通道,最外端是计算动静叶交界面位置。计算结果图显示,抽气对下游动叶前级间流场有较大影响,随抽气量增加低速区域面积增大。这种影响主要发生在S2流面的上半区,尤其在靠近端壁区域最为明显,下半区几乎不受影响。

图2 第4级动叶S2流面相对马赫数分布

  相对于级间而言,下游动叶流道内部流场受到的影响有减弱和平均化的趋势。随着抽气流量增大,动叶流道S2流面等马赫数总体分布形态变化不大,因流量略有降低使得马赫数沿流向的变化梯度有所减小。动叶进口高速区随着抽气流量增大有较为明显的减小,但在叶排后方流场所受的影响已经很小。
3.2 S1流面静压分布对比
  抽气对下游叶排上部S1流面,尤其是端壁附近S1流面的流场产生明显的影响。图3给出了抽气口下游端壁处S1流面的静压分布。随着抽气量的增大,机匣端壁处S1流面静压发生明显变化,靠近动叶前缘的高压区略有变小,吸力面处中部低压区的变小更为显著。未抽气工况,动叶压力面后缘叶尖附近存在一个高压区,随着抽气量的增大,该高压区逐渐缩小甚至消失。整体而言,抽气口下游端壁处整个S1流面的压力有所减小。

3.3 叶片表面压力分布对比
  抽气改变了下游叶片表面的压力分布,这种改变在叶片顶部表现得更为明显。
  图4给出了抽气口下游叶片95%叶高位置处的压力分布。随着抽气量的增大,叶片前半部表面压力有所增大,这是叶排流道流速下降所致。叶片吸力面上,压力变化发生在距前缘13%左右弧长之后,20%弧长处达到最大,一直延伸至尾部。压力面上,压力升高出现在前缘附近,压力面尾部区域表面压力略有降低的趋势。
  图5给出了抽气口下游叶片50%叶高位置处的压力分布。叶片表面压力变化趋势与95%叶高处相似,由于该区域离抽气口较远,叶面压力的变化幅度要小得多。

4 结论
  轴流压气机采用级间环形缝隙抽气将影响下游叶排流场,具体表现为:1)动叶顶部进口速度降低;2)机匣壁面处S2流面压力变化减弱;3)叶片前半部吸力面和压力面压力都有所升高,压力面尾部压力略有降低;4)级间抽气对近叶顶区域流场影响较大,其程度随着抽气量增加而增大。

参 考 文 献

[1] Kerrebrock J L, Reijnen D P.,Ziminsky W S, etal.Aspirated Compressors. ASME Paper 97-GT-525,1997.
[2] Kerrebrock J L, Drela M A, Merchant A, et al. A Family of Designs for Aspirated Compressors. ASME Paper 98-GT-196 1998.
[3] 顾春伟.压气机抽气级静叶吸力面抽气方式的研究[J].工程热物理学报,2007,28(4):574-576.
[4] 顾杨.压气机带静叶优化的引气试验研究[J].燃气涡轮试验与研究,2004,17(17):15-19.
[5] 张皓光.轴向间隙引气对双级轴流式压气机性能及流场影响的数值研究[J].流体机械,2006,34(7):24-27.