多级轴流压气机级间引气的仿真方法_丁骏.pdf

哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University ISSN 1006-7043,CN 23-1390/U 哈尔滨工程大学学报网络首发论文哈尔滨工程大学学报网络首发论文 题目：多级轴流压气机级间引气的仿真方法 作者：丁骏，郑健生，郑群，隋永枫，史德润，张宏伟 收稿日期：2021-06-24 网络首发日期：2022-11-23 引用格式：丁骏，郑健生，郑群，隋永枫，史德润，张宏伟多级轴流压气机级间引气的仿真方法J/OL哈尔滨工程大学学报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。1 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 多级轴流压气机级间引气的仿真方法 丁骏1,2，郑健生1,3，郑群2，隋永枫1,3，史德润1,3，张宏伟1,3（1.杭州汽轮控股有限公司，浙江 杭州 310022；2.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；3.杭州汽轮动力集团股份有限公司，浙江 杭州 310022）摘 要：为了论证采用直接网格划分法或者源项法对级间引气技术进行数值研究的可行性，对比了 2 种不同的三维仿真方法。利用直接网格划分法对引气腔室进行简化，再通过对引气腔室网格划分将引气效果施加于压气机的主流道；源项法则省略了引气的二次通道，赋予引气口一定的引气流量。研究结果表明：由于计算原理的限制，源项法对引气口的模拟失真，无法预测出不均匀的引气效果和局部溢流。同时，源项法导致引气口上游的流量系数增大，造成了上游静叶的落后角减小，甚至于过偏转。由于上游静叶的过滤作用，源项法的流向影响范围有限，如若不是要对引气口上游的局部流场进行研究，源项法足以支撑级间引气对压气机总体特性的影响分析。关键词：工业燃机；轴流压气机；引气；数值仿真；源项法；网格划分；速度三角形；级间匹配 中图分类号：TK472 文献标识码：A Simulation method of inter-stage bleeding of multi-stage axial compressor DING Jun1,2，ZHENG Jiansheng1,3，ZHENG Qun2，SUI Yongfeng1,3，SHI Derun1,3，ZHANG Hongwei1,3（1.Hangzhou Steam Turbine&Power Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310022,China；2.College of Power and Energy Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China；3.Hangzhou Steam Turbine Co.,Ltd.,Hangzhou 310022,China）Abstract:In order to demonstrate the feasibility of using direct meshing method or source term method for numerical study of inter-stage bleeding technology,two different three-dimensional simulation methods were compared here.Direct meshing method was to simplify the bleed air chamber,and the influence of bleed air was applied to the main flow path by meshing the bleed air chamber.While the secondary passage of bleed air was omitted in source term method,a certain bleed flow mass was applied to the bleed slot.The research results show that,due to the limitation of the calculation principle,the flowfield near the bleed slot is distorted by the source term method.It is impossible to predict the uneven bleed effect and partial overflow.Meanwhile,the flow coefficient upstream of the bleed slot is increased by the source term method,the deviation of the upstream stator is decreased,even over deflection.However,due to the filtering effect of the upstream stator,the streamwise influence of the source term method is limited.If it is not necessary to study the local flow field upstream of the bleed slot,the source term method is sufficient to support the analysis of the influence of inter-stage bleed air on the overall characteristics of the compressor.Key words:Industrial gas turbine;axial compressor;bleed air;numerical simulation;source term method;meshing;velocity triangle;inter-stage matching 收稿日期收稿日期：2021-06-24.基金项目基金项目：中国博士后科学基金（2020M671672）；浙江省科技计划项目（2022C01118）.作者简介作者简介：丁骏,男,高级工程师；隋永枫,男,教授级高级工程师.通信作者：通信作者：隋永枫,E-mail:.网络首发时间：2022-11-23 12:44:10网络首发地址：https:/ 丁骏，等：多级轴流压气机级间引气的仿真方法 2 引气系统被应用于航空发动机 F100-PW-2201和 F404-GE-4002，并已成为航空、船舶、工业等燃气轮机的一个重要组成部分3-4。在工业燃气轮机中，引气口通常位于压气机级间，通过全周或周期性分布的引气孔或者引气槽，将压气机级间的高压空气引入环形的全周腔室，再通过一个或多个引气管引向燃机的其他部件。计算能力的提升为引气系统的三维仿真提供了条件5-8。在引气和引气孔的数值计算中，可以采用一种简化的计算方法，即壁面网格上赋予源项代替引气孔或者槽9，边界给定均匀的静压或者流速，能有效简化引气计算过程，节约算力，提高仿真速度。边界给定静压还能够模拟出非均匀引气的效果。但是，实际上对引气孔或者槽与气流通道一起进行建模仿真才可能更准确地预测引气口及附近区域的真实流动10。这是由于 1）气缸内表面的周向引气槽位于动叶叶顶，与泄漏流动有较强的交互作用10-12；2）静叶栅通道内的引气孔或者引气槽对二次流动和横向压力梯度有较大的影响13-14；3）研究的目标是引气不均匀性或者引气槽/孔、引气腔室和引气管的几何设计15-17。如若所研究的周向引气槽位于动静叶片排之间，与叶栅通道内的压力场没有较强的交互作用，引气效果将呈现沿周向均匀的二维特性18，此时，以源项法预测级间引气对主流的作用效果或为可行。目前，真实引气系统的研究依然较少，鲜有研究能够同时兼顾压气机在起动工况下的大引气量19。因此，本文对某型工业燃气轮机多级轴流压气机的级间引气进行三维仿真，对比采用源项法和直接网格划分法研究级间引气技术对主流道流场的影响，为准确评估压气机级间引气效果和级间引气对于叶栅流场的影响提供参考。1 研究对象及数值模拟方法介绍 本文研究对象为一台工业燃机多级轴流压气机的中间级，计算域级间设计有一个静叶与动叶之间的全周引气槽。三维数值仿真采用商业软件 NUMECA的FineTM模块，通过三阶非线性谐波法提高叶片排之间的流场信息传输质量，湍流模型选用雷诺应力模型 EARSM，通过中心差分格式对空间进行离散。网格划分采用 AutoGrid5TM，拓扑结构采用默认的O4H 形式，叶顶间隙采用蝶形网格。动叶径向网格节点数 89，叶顶间隙 25，总网格数 1 500 万左右，y+最大值不大于 3。通过移动动/静交界面的轴向位置，将级间引气的引气口完全划分到上游静叶的流域内，得到如图 1 所示的三维计算网格。图 1(a)通过 ZR effect的功能对引气槽（简化后的引气腔）内的流域进行了网格划分。以收缩流道来简化引气腔的具体结构，仅保留了引气环槽的几何结构，省略了下游的引气环腔。将引气槽的出口设置在远离主流的收缩通道出口，以一定的流量作为引气出口的边界。图 1(b)则省略了引气的二次通道，凭借源项法，通过在气缸内壁面一定区域范围内的网格节点上赋予一定的径向流通量，模拟引气口的引气效果。(a)引气腔简化 (b)源项法 图 1 数值网格示意图 Fig.1 Schematic diagram of the numerical grid 本文利用文献20-25压气机的几何和试验数据，通过对 NACA 的八级轴流压气机进行仿真，验证了本文数值仿真方法的准确性。图 2 所示为数值仿真结果与试验结果的对比，本文所采用的数值算法能够准确的捕捉到多级轴流压气机的堵塞流量，尤其是在较高的相对折合转速下，堵塞流量和最高压比均得到了较为准确的预测。在低转速下试验的最高压比相对较高，本文所采用的三维数值方法足以支撑研究工作的进一步展开。3 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 图 2 NACA 八级轴流压气机三维仿真方法校准 Fig.2 Three dimensional simulation method calibration of NACA eight stages axial compressor 2 数值结果处理及分析 本文提到了 2 种级间引气的仿真方法，即引气槽（简化后的引气腔室）网格划