由于压缩机内部流场的复杂性,高性能高负荷轴流压缩机的气动设计与优化仍然存在三个问题:丰富的工程设计经验、高维数、计算时间长。为克服这三个问题,本文以某工程设计的2.5级高负荷轴流压缩机为例,介绍了其设计过程及采用的设计思想。然后,对计算流体动力学的数值方法进行了验证。提出了叶片吸力面和压力面贝塞尔曲面建模的新方法,并直接采用多岛遗传算法进行进一步优化。仅用32个优化变量对压缩机转子和定子进行优化,极大地克服了高维数、计算时间长和叶片表面光滑的问题。优化后,与原压缩机相比,峰值效率仍提高了0.12%,失速裕度提高了2.69%。峰值效率的增加主要是由于转子。与原压缩机相比,第二级转子的绝热效率提高了约0.4%,这主要是由于在30%以上的跨高和10%-30%的弦长范围内总压损失减小。此外,对于原压缩机而言,由于第二级定子叶顶区附近流场的恶化,大低速区域最终由角分离演变为角失速,出现三维空间螺旋回流。对于优化后的压缩机,失速裕度增加的主要原因是提高了叶高50%以上的二级定子流场,减少了分离面积和三维空间螺旋回流。


相关论文以题为“Optimization Design of a 2.5 Stage Highly Loaded Axial Compressor with a Bezier Surface Modeling Method”发表在《Applied Sciences》上。


新研发的高负荷轴流压缩机,与上一代相比绝热效率提高了约0.4%!


研究背景


军用和民用燃气轮机可用于涡轮轴发动机、无人机、导弹、大型发动机的辅助动力装置,以及更多的工业应用。为了降低燃气轮机能耗,满足环境约束,对发动机部件的效率提出了更高的要求。轴流压缩机是燃气轮机产生能量的主要消耗者,也是向燃烧室提供必要压力比的重要部件。因此,轴流压缩机的设计要求正在向高负荷、高效率、大失速裕度的方向发展。几十年来,各国、各机构的学者致力于压缩机运行效率的工程设计,形成了一维分析、二维计算和三维计算流体力学(CFD)分析相结合的工程设计流程。然而,由于轴流压缩机流场的复杂性,设计高负荷、高效率、大失速裕度的压缩机具有很大的挑战性。多年来出现了许多工程设计哲学。Hatch等人提出压缩器设计过程中简化的径向平衡方程不准确。要得到正确的速度分布,必须考虑压缩机的径向熵梯度。Reynolds等人采用多种气动设计理念设计并测试了三级轴流压缩机,如可定制减小激波损失的转子翼型,高效可变的进口导叶几何形状,可变的静轮毂型线以减小间隙损失等。为了更准确地预测跨度参数和速度线,Hu等人提出了一种新的流线曲率方法来改善入射模型和损失特性,主要应用于现代轴向跨声速压缩机。Attia等人为轴流压缩机的初步设计开发了一种新的旋涡解决方案。他们考虑了端壁附近轴向和周向速度的分布,从而在初步设计阶段达到了提高性能的目的。


压缩机


本文研究的压缩机为2.5级高负荷轴流压缩机。在工程热物理研究所轻型燃气轮机实验室进行设计和测试,如图1所示。主要用于小型叶轮机械。压缩机设计总压比为2.7,设计质量流量为4.6 kg/s,绝热效率为86.5%。


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图1. 2.5级高负荷压缩机原理图。


在前面的文献中,研究人员对各种压缩机设计理论进行了简要的介绍。这台2.5级高负荷压缩机是基于商用软件AxCent的三维叶片设计概念进行工程设计的。简化后的设计过程示意图如图2所示。为了实现设计目标,采用了多种工程设计思想。为了避免尺度范围内的流动分离,采用了多圆弧转子型线和大转角的弓形状态器。其中,三维CFD计算是设计过程的核心。


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图2.高负荷压缩机设计过程的简化原理图。


网格拓扑与实验验证


2.5级轴流式压缩机的叶片几何形状创建和网格生成是使用商业软件NUMECA Autogrid 5进行的。由于每个叶片行的网格拓扑几乎相似,因此本文将详细介绍第二个转子的网格拓扑。在仿真中使用了具有六面体单元的多块结构网格。在叶片表面周围,生成了O栅格以改善正交性,而在入口,通道和出口处使用了H栅格。将第一网格单元与实体墙之间的距离设置为1×10 -6 m,以满足所有计算中实体墙y + <3的需要。图3显示了高负荷压缩机的单通道。


为了进行网格独立性以消除网格节点数对流动解的影响,使用了三个不同的网格节点数来计算预测的绝热效率和总压力比。如可在可见图4,该绝热效率和稍微3000000个网格节点的总压力比的变化来4000000个网格节点。这意味着将每个叶片通道的网格节点数设置为300万,这满足了稳态仿真中网格独立性的要求。


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图3. 高负载压缩机的网格拓扑。


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图4. 在优化点使用不同数量的网格节点的压缩机性能。


2.5级高负荷轴向压缩机试验台是在中国科学院工程热物理研究所建造的。试验台以开放周期运行。在喇叭口和蜂窝之后,压缩机由800 kW交流电动机驱动以改变转速。变速箱的传动比为1:12。变速箱后的转速范围是从0 rpm到36,000 rpm,这是由电磁传感器测量的,相对测量误差在±0.15%之内。质量流量由安装在喇叭口入口管道中的流量管测量,相对测量误差为±0.5%。为了测量压缩机图,总温度和总压力由位于压缩机入口和出口的探头捕获。用热电偶测量温度,测量误差为±0.8℃。用压电压力传感器测量总压力,相对满量程测量误差为±0.2%。在压缩机入口处,总压力由三个具有五个翼展方向位置的耙式压力传感器测得,而总温度是由三个具有三个翼展方向位置的耙式压力传感器测得的。在压缩机出口处,总压力由六个具有三个跨度位置的耙式压力传感器测量,而总温度由六个耙形压力传感器具有三个跨度位置的温度计测量。总压力由三个具有五个跨度位置的耙式压力传感器测量,而总温度由三个具有三个跨度位置的耙式压力传感器测量。在压缩机出口处,总压力由六个具有三个跨度位置的耙式压力传感器测量,而总温度由六个耙形压力传感器具有三个跨度位置的温度计测量。总压力由三个具有五个跨度位置的耙式压力传感器测量,而总温度由三个具有三个跨度位置的耙式压力传感器测量。在压缩机出口处,总压力由六个具有三个跨度位置的耙式压力传感器测量,而总温度由六个耙形压力传感器具有三个跨度位置的温度计测量。


为了验证数值方法的有效性,图5比较了实验测量的数据和数值计算的结果。横坐标表示无量纲的质量流量,其通过设计质量流量进行了标准化。可以看出,在80%,90%和100%的设计速度下,性能图在绝热效率和总压力比上显示出相同的趋势。对于100%的设计速度,数值计算中的总压力比和峰值效率几乎与实验值相同,但是当流速低于峰值效率点时,绝热效率值会高于实验值。效率差异可能是因为所选的RANS模拟无法预测接近失速条件的总温度分布或实验测量误差。但是直接数值模拟计算的计算量很大,这使得该方法不适用于工程计算。应该注意的是,尽管数值计算结果在预测失速流量方面存在数值误差,但是下面的优化结果仅与计算结果进行比较,因此不会影响定性结论。总之,本文所选择的数值模型满足了计算精度的要求,可以预测工程用2.5级高负荷轴流式压缩机的性能,并分析其流动机理。


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图5. 计算和测量的压缩机性能图。(a)不同归一化质量流量下的绝热效率;(b)不同归一化质量流量下的总压力比。


优化结果分析


图6显示了原始的和优化的压缩机性能映射。从图6可以看出,优化后的配置与原压缩机相比,其失速裕度更高,比原压缩机高出约2.69%,绝热效率也提高了0.12%。


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图6.原始和优化的压缩机性能地图。(a)不同归一化质量流的绝热效率;(b)不同归一化质量流量下的总压比。


为了说明优化后的叶片几何相对于原始叶片几何的信息,研究人员以第二级转子和第二级定子为例。图7为优化后压缩机二级转子表面相对于原压缩机的变化情况。其中,图7a为原二段转子和优化后的二段转子的三维建模图。图7b显示了圆周波动量的优化阶段的转子与转子原始阶段相比,在正值表明变化的圆周位置的方向压力面,负值表示变化的圆周位置的方向吸力面。可以看出,整个第二级转子呈正值,即优化后的压缩机转子沿压力面方向的周向位置发生变化。其中正值幅值最大的区域集中在轮毂区域的前缘附近。这也可以从图7a中看出。此外,中间段到尾缘的幅值最小,且为正值,说明前缘附近的曲率大于中间段,从而可能改变弦向和展向的场结构。


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图7.原二段转子与优化后的二段转子吸压面比较。(a)原二段转子和优化后的二段转子的三维建模图;(b)优化后的二级转子与原二级转子的周向波动量A。


图8为优化后压缩机第二级定子表面相对于原压缩机的变化情况。但需要注意的是,波动量A的正值表示吸力面方向周向位置的变化,负值表示压力面方向周向位置的变化。这和转子正好相反。从图8b可以看出,第二级定子的变化趋势与第二级转子的变化趋势不同。负幅值最大的区域集中在50%跨区以上的前缘附近。表明在50%跨度区域以上定子有较大的转角;这也可以从图8a中看出。更多的流场结构分析如下图所示。


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图8.原二段定子与优化后的二段定子吸压面对比。(a)原二级定子和优化后的二级定子三维建模图;(b)优化后的第二级定子与原第二级定子的周向波动量A。


结论


由于轴流压缩机内部流场的复杂性,高气动性能的高负荷轴流压缩机的气动设计与优化仍然存在三个问题,即工程设计经验丰富、维数高、计算时间长。为克服这三个问题,本文以某工程设计的2.5级高负荷轴流压缩机为例,介绍了其设计过程及采用的设计思想。将一种新的叶片吸力面和压力面贝塞尔曲面建模方法成功应用于某高负荷2.5级轴流压缩机的优化设计中。只需32个优化变量,大大减少了优化变量的数量,节省了计算成本。此外,叶片的吸力面和压力面可以很好地进行微调,平滑度高。采用贝塞尔曲面建模方法和多岛遗传算法,成功地提高了高负荷跨音速2.5级轴流压缩机的气动性能。它的优点是可以节省大量的工程设计计算费用,可以快速、全面地优化轴流压缩机的气动性能。但在实际中必须考虑其计算成本,一个好的压缩机工程设计是非常重要的。


优化后的压缩机峰值效率比工程设计的原压缩机提高了0.12%,峰值效率的提高主要是由于转子。对于第二级转子,绝热效率提高了约0.4%。与原压缩机相比,优化后压缩机30%以上跨高的绝热效率有所提高,优化后压缩机10% ~ 30%弦长范围内的熵增率有所降低。对于原压缩机,由于第二级定子叶尖附近的流场恶化,大范围低速区域最终由小的角分离演变为角失速,出现三维空间螺旋回流。优化后的压缩机,其失速裕度增加了2.69%。增加的主要原因是50%跨高以上的第二级静子流场得到了改善,分离区和三维空间螺旋回流得到了减小。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3860/htm




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