韋威

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

在現(xiàn)代中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，組合壓氣機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其循環(huán)參數(shù)也越來(lái)越高，這使得高壓比、高效率、高負(fù)荷成為未來(lái)組合壓氣機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。但組合壓氣機(jī)因其內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，部分流動(dòng)機(jī)理尚未得到充分認(rèn)識(shí)，全新設(shè)計(jì)組合壓氣機(jī)周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大。?；O(shè)計(jì)是根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)研究對(duì)象的模型，然后根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果研究并預(yù)測(cè)研究對(duì)象的性能等有關(guān)參數(shù)，從而將現(xiàn)有的非常成功的壓氣機(jī)應(yīng)用到新的壓氣機(jī)中[1-2]。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，模化設(shè)計(jì)已經(jīng)在部分壓縮系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)模化設(shè)計(jì)也進(jìn)行了大量的理論及試驗(yàn)研究[3-4]，但在高負(fù)荷、高壓比的在組合壓氣機(jī)中的應(yīng)用研究較少。本文以某由?；O(shè)計(jì)而來(lái)的組合壓氣機(jī)及其母型為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其進(jìn)行了三維數(shù)值仿真,結(jié)果顯示該模化設(shè)計(jì)方法用于組合壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)是可行的。

1.?；O(shè)計(jì)

壓氣機(jī)?；O(shè)計(jì)一般需要選取母型壓氣機(jī)特性線上的某一個(gè)特性點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)（流量、壓比、轉(zhuǎn)速）作為?；O(shè)計(jì)輸入條件，然后根據(jù)模化壓氣機(jī)的流量指標(biāo)確定?；萲，通過(guò)流量公式可推導(dǎo)其計(jì)算公式如下：

式中M、T＊、P＊分別為母型壓氣機(jī)進(jìn)口物理流量、總溫、總壓。M'、T'＊、P'＊分別為?；瘔簹鈾C(jī)進(jìn)口物理流量、總溫、總壓。

根據(jù)相似理論，已知母型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速N，則可以通過(guò)下式確定?；瘔簹鈾C(jī)轉(zhuǎn)速N'：

根據(jù)上述模化設(shè)計(jì)公式，本文中的?；瘔簹鈾C(jī)按?；萲=1.30進(jìn)行?；O(shè)計(jì)。并且在初步?；幕A(chǔ)上對(duì)局部進(jìn)行了修型。

2.數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值方法及計(jì)算模型

采用商用軟件CFX17.2對(duì)?；瘔簹鈾C(jī)以及母型壓氣機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，?；瘔簹鈾C(jī)及母型壓氣機(jī)均采用相同的求解計(jì)算設(shè)置，如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型圖示

2.2 數(shù)值模擬特性對(duì)比

為方便比較分析，后文中母型壓氣機(jī)的流量均按?；萲進(jìn)行了變換，得到變換后的流量參與比較與分析。圖2給出了母型壓氣機(jī)及模化壓氣機(jī)的數(shù)值模擬特性。從圖中可以看出，?；瘔簹鈾C(jī)的最高壓比及峰值效率均明顯高于母型壓氣機(jī)，但母型壓氣機(jī)的流量裕度更大。

圖2 壓氣機(jī)特性

選取設(shè)計(jì)壓比點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，表1為對(duì)比結(jié)果，結(jié)果顯示?；瘔簹鈾C(jī)的流量比母型大0.2%，二者差異非常小；效率較母型增加0.4%；喘振裕度增加0.5%。

表1 設(shè)計(jì)壓比點(diǎn)參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過(guò)?；O(shè)計(jì)后，組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)壓比點(diǎn)的流量滿足要求，效率及喘振裕度均有較明顯的提高。這是因?yàn)閿?shù)值模擬時(shí)?；瘔簹鈾C(jī)及母型壓氣機(jī)均給定了相同的葉尖間隙，在?；萲>1的情況下，模化后壓氣機(jī)的葉尖相對(duì)間隙減小，這有利于提高組合壓氣機(jī)的效率及喘振裕度。

2.3 流場(chǎng)及參數(shù)對(duì)比

圖3、圖4給出了母型壓氣機(jī)及?；瘔簹鈾C(jī)部分葉片排的歸一化進(jìn)口Ma沿葉高的分布。對(duì)比可以看出，第1級(jí)轉(zhuǎn)子、第1級(jí)靜子以及離心葉輪進(jìn)口的Ma沿葉高的分布基本相同，但徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口的Ma分布二者存在一定差異，在10%～65%葉高區(qū)域，?；瘔簹鈾C(jī)的Ma較母型小，在65%～100%葉高區(qū)域，?；瘔簹鈾C(jī)的Ma較母型大。這說(shuō)明局部突破幾何限制的模化設(shè)計(jì)方法會(huì)對(duì)下游徑向擴(kuò)壓器的氣動(dòng)參數(shù)分布造成較明顯影響。

圖3 第1級(jí)轉(zhuǎn)子、靜子進(jìn)口Ma分布對(duì)比

圖4 離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口Ma分布對(duì)比

3.結(jié)論

通過(guò)對(duì)某?；O(shè)計(jì)的組合壓氣機(jī)及其母型的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：

（1）?；瘔簹鈾C(jī)與母型壓氣機(jī)在流場(chǎng)上相似，但徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口的Ma分布存在一定差異。這說(shuō)明局部突破幾何限制的?；O(shè)計(jì)方法會(huì)對(duì)下游流場(chǎng)及氣動(dòng)參數(shù)分布造成影響。

（2）?；瘔簹鈾C(jī)設(shè)計(jì)壓比點(diǎn)的流量滿足要求，效率及喘振裕度均有較明顯的提高。該?；O(shè)計(jì)方法用于組合壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)是可行的。