多级轴流压气机二维计算与分析优化

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轴流式压气机级间匹配和全工况下性能提高均很困难，尽管设计体系在不断完善，但由于设计指标同时也在不断提高，气动性能的最优化设计仍然是多级轴流压气机设计的瓶颈技术之-，-般需要多轮修改才能满足设计要求。

压气机二维计算模型如果能和可靠的经验数据配合(叶栅损失、攻角、落后角等关联数据)，就能快速、准确的预测出压气机非设计状态性能。

就二维模型来说，在过去的几十年中，叶轮机工作者已经作了大量的基元叶栅方面的理论和实验研究，积累了许多关于基元叶栅流动损失、落后角等方面相当完整的资料，为高性能轴流压气机的设计奠定了基矗从多级轴流压气机的二维计算出发，通过与三维计算的对比验证，证明所使用的二维计算方法精确、可靠。另外，根据二维计算结果对压气机原始设计进行分析，并作出-定的优化改进，实现研究的多级轴流压气机的性能提高。

1 多级轴流压气机的二维计算方法介绍1.1 压气机二维计算物理模型的建立对于轴流压气机而言，轴对称条件下子午面简化物理模型如图 1所示：图1 压气机的子午面简化物理模型1.2 假设条件与基本控制方程根据建立的物理模型，给定相关假设如下：假定气体在压气机中的流动是定常的，整个气体流场轴对称，整个流动为绝热流动。

在上述假设条件下，可得柱坐标系下气流流动的控制方程：连续方程：蛾 -0 (1)R OR OX 1/动量方程：径向OR-T OR R ( OR- OX) 。 a尺 - I J ( - )周向收稿日期：2012-11-09作者简介：高修(1988-)，男，河南周口人，硕士研究生，从事压气机的气动热力计算、设计与优化研究。

第1期 高修磊，等：多级轴流压气机二维计算与分析优化 330- 1[vR (3)轴向T-asT -go3Z 3Z R aZ - [ aR- 3Z] 。 ～f l(4)能量方程：- 叫D下(RVo) (5-- 上述控制方程经变换后可写为连续方程：m - 2丌IpVxRdR (6)J RH径向平衡方程：嵋-嵋， -2 I cP(T)dT-( - ， )-2-2 T 4-2 R [、aVR，以及能量方程：Ah △fRvo (8)式(6)～(8)即为模型中的基本控制方程，在求解过程中，加上其它的-些基本方程，则可对整个流厨行计算。

2 压气机二维计算结果验证分别通过二维计算和三维CFD计算方法对某多级轴流压气机进行了计算验证，其中，三维 CFD计算方法采用 NUMECA软件进行计算分析。所研究多级轴流压缩机采用某 13级亚音速大流量多级轴流压气机，其叶型选用NACA-65叶型。分别计算了压气机设计开度为28，55和7O的状态，计算结果如下，如图 2所示，其中，从左到右分别为 28、55和70度的计算结果。

图 2 二维计算和三维计算流量压比锋-多级轴流压气机二维计算及分析优化-Imageimagel1.jpg>；E-4-64.79mm。92.822mml3从图 2中我们可以看到二维计算结果与三维计算结果基本-致，误差在允许范围之内，可见本文所采用的二维计算方法能够满足本课题的要求。

图 3 三种角度下二维计算和三维计算级压比对比图 3分别是在三种开度下二维计算与三维计算 由图 3我们可以发现，压气机原设计的级压比级压比的对比图，从这里我们同样可以看到除了在 在后面级的设计还是比较好的，这是由于研究的多70度的前面有两级差别稍大之外，其他的对比均能 级轴流压气机本身是-个成熟的产品。故我们要做达到我们的要求。这更进-步的证明了所采用的二 整机的优化困难很大，只能根据流场分析对压气机维计算方法的可靠性。 较差流场处进行优化从而提高整机性能。

3 压气机的二维分析及优化为了保证压气机具有比较好的流场并能达到较高的压比和效率，多级轴流压气机的级压比设计应该同压气机安装的级间匹配相-致并达到最优。

由图3我们可以清楚的看到，在压气机的第二级以及第六级存在着明显的不光滑点。根据分析我们可以认为，压气机第二级及第六级的设计存在不合理的地方，可以对这两级进行优化，从而达到整机≮ g § ∞∞基 34 西安航空技术高等专科学校学报 第31卷优化的目的。

首先，由于根据计算得出了在压气机第二和第六级的级压比明显差别于其前后级的级压比。其次在图4左图中我们可以清晰的看到R2的气流转角设计存在着明显的不合理，造成压气机在第二级的级压比明显的与前后级不匹配。最后通过分析气流在这两级内部的气流转角，我们可以得到在这两级内部，由于气流转角较小导致其动叶片做功能力的不足进而导致了级压比较前后级要校再者由于在静叶安装角变化时我们可以看到这两级的压比有着明显的提高，所以我们可以得到：对这两级的安装角进行优化可以明显的提高压气机的压比，并且将能改善压气机内部流厨而明显提高压气机的性能。

这样的结果是由于第-级静叶片出口角度与第二级动叶片进口角度的安装不匹配造成的。动叶做功能力不足主要是由于气流在叶片排中转折的角度序者叶片排中存在着较大的损失造成的，这里针对动叶排做功能力不足问题对第二级动叶片安装角进行了优化调整。

通过计算，改变第二级安装角后压气机各级的级压比分别如图 5所示，在不同开度下压气机的第二级以及以后各级的级压比均有不同程度的提高，这是由于优化安装角使之与压气机流场相匹配，改善了整机的流场分布。从级压比的分布上来看我们同样可以清楚的看到，随着优化的进行压气机各级级压比变化曲线变的更加光滑合理，这也证明了安装角的优化使得整机的设计更为合理。总的来说，所研究的计算和优化方法可以迅速的对轴流压气机进行计算和流场分析并最终帮助设计者完成压气机的优化设计。

图 4 55度安装角前 4级转子气流转角及R2沿叶高气流转角优化比图 5 三种角度开度下改进设计与原设计级压比对比表1优化前后压气机性能参数对比 通过限定叶排根、尖的扩散因子对压气机的气动性(髓kg/s) 压比 效率 压 化 效 化角度 状态 r ( ) (%)。度 菩 2. 6。0：：.8 25；s度 菩i 5.。0 5：：.0。 32s度磊 1.。80：；. 32O·8O25.51 -1.O80.793O·8187.O4 -O.94 %0.811：5.73 -0.45 O. 775· %另外，研究方法理论上可以对 S2流面的所有可优化参数进行计算优化(见表 1)。例如，我们可以能进行优化，这时可以优化的参数是稠度，这点可以通过优化叶排叶片数目来完成。

4 结语通过对多级轴流压气机分别采用二维和三维CFD方法计算分析，得到的数据证明所采用的二维计算方法可以得出较为精确可靠的结果，并且二维计算方法简便迅捷。通过分析得到压气机原设计存在-些的不合理地方，并且对压气机局部进行了优如 船 ∞ 如 柏 加0誉 目岳娶 A第 1期 高修磊，等：多级轴流压气机二维计算与分析优化 35化调整，优化结果达到了预期目的。

(1)大流量的多级轴流压气机级数较多，内流场复杂，应充分考虑到加功量和压比在各级的分配进行设计，从而使压气机性能最优。

(2)多级轴流压气机的设计本身难度较大，要想达到最优设计需要经过多轮的修改和优化，而所使用的二维计算方法计算简便迅捷，可以满足压气机计算和优化要求。

(3)研究用压气机由于第二级的设计存在-定的问题从而导致整机陛能不能达到最优。通过优化安装角，增大了第二级动叶片的做功能力，并且使压气机内流场更为合理，在-定程度上提高了压气机的性能。