模化设计在组合压气机中的数值模拟研究

韦威

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

在现代中小型航空发动机中，组合压气机的应用越来越广泛，其循环参数也越来越高，这使得高压比、高效率、高负荷成为未来组合压气机的发展趋势。但组合压气机因其内部流动复杂，部分流动机理尚未得到充分认识，全新设计组合压气机周期长、风险大。模化设计是根据相似理论设计研究对象的模型，然后根据模型试验结果研究并预测研究对象的性能等有关参数，从而将现有的非常成功的压气机应用到新的压气机中[1-2]。经过多年发展，模化设计已经在部分压缩系统中得到了成功应用。国内外的学者对模化设计也进行了大量的理论及试验研究[3-4]，但在高负荷、高压比的在组合压气机中的应用研究较少。本文以某由模化设计而来的组合压气机及其母型为研究对象，采用数值模拟的方法对其进行了三维数值仿真,结果显示该模化设计方法用于组合压气机的设计是可行的。

1.模化设计

压气机模化设计一般需要选取母型压气机特性线上的某一个特性点的相关参数（流量、压比、转速）作为模化设计输入条件，然后根据模化压气机的流量指标确定模化比k，通过流量公式可推导其计算公式如下：

式中M、T＊、P＊分别为母型压气机进口物理流量、总温、总压。M'、T'＊、P'＊分别为模化压气机进口物理流量、总温、总压。

根据相似理论，已知母型压气机转速N，则可以通过下式确定模化压气机转速N'：

根据上述模化设计公式，本文中的模化压气机按模化比k=1.30进行模化设计。并且在初步模化的基础上对局部进行了修型。

2.数值模拟

2.1 数值方法及计算模型

采用商用软件CFX17.2对模化压气机以及母型压气机进行了三维数值模拟，模化压气机及母型压气机均采用相同的求解计算设置，如图1所示。

图1 数值计算模型图示

2.2 数值模拟特性对比

为方便比较分析，后文中母型压气机的流量均按模化比k进行了变换，得到变换后的流量参与比较与分析。图2给出了母型压气机及模化压气机的数值模拟特性。从图中可以看出，模化压气机的最高压比及峰值效率均明显高于母型压气机，但母型压气机的流量裕度更大。

图2 压气机特性

选取设计压比点的参数进行对比，表1为对比结果，结果显示模化压气机的流量比母型大0.2%，二者差异非常小；效率较母型增加0.4%；喘振裕度增加0.5%。

表1 设计压比点参数数值模拟结果对比

经过模化设计后，组合压气机设计压比点的流量满足要求，效率及喘振裕度均有较明显的提高。这是因为数值模拟时模化压气机及母型压气机均给定了相同的叶尖间隙，在模化比k>1的情况下，模化后压气机的叶尖相对间隙减小，这有利于提高组合压气机的效率及喘振裕度。

2.3 流场及参数对比

图3、图4给出了母型压气机及模化压气机部分叶片排的归一化进口Ma沿叶高的分布。对比可以看出，第1级转子、第1级静子以及离心叶轮进口的Ma沿叶高的分布基本相同，但径向扩压器进口的Ma分布二者存在一定差异，在10%～65%叶高区域，模化压气机的Ma较母型小，在65%～100%叶高区域，模化压气机的Ma较母型大。这说明局部突破几何限制的模化设计方法会对下游径向扩压器的气动参数分布造成较明显影响。

图3 第1级转子、静子进口Ma分布对比

图4 离心叶轮、径向扩压器进口Ma分布对比

3.结论

通过对某模化设计的组合压气机及其母型的数值模拟研究，结果表明：

（1）模化压气机与母型压气机在流场上相似，但径向扩压器进口的Ma分布存在一定差异。这说明局部突破几何限制的模化设计方法会对下游流场及气动参数分布造成影响。

（2）模化压气机设计压比点的流量满足要求，效率及喘振裕度均有较明显的提高。该模化设计方法用于组合压气机的设计是可行的。