双级离心压气机叶轮改型优化设计报告.docx
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合同号：
XTE-20150317-CHMGT
密级：
内部
双级离心压气机叶轮改型优化
设计报告
委托方：
中科合肥微小型燃气轮机研究院有限责任公司
承接方：
势加透博（北京）科技有限公司
项目负责人：
张学锋
项目实施人：
邓 嵘
2015年05月
双级离心压气机叶轮改型优化设计报告
PageNo.17
目 录
一、引言 3
二、双级离心压气机原型及改型要求 3
三、双级离心压气机优化设计 4
三、多级离心压缩机详细设计 6
四、双级离心压气机全三维气动性能计算 10
五、主要结论 13
一、引言
根据中科合肥微小型燃气轮机研究院有限责任公司（项目委托方）与势加透博（北京）科技有限公司签订的“双级离心压气机叶轮改型优化设计合同开发技术协议”要求，利用经过校核的离心压气机设计系统，在保证双级离心压气机静子部件不变的前提下，完成低压压气机和高压压气机离心叶轮的改型设计（将原来的闭式叶轮改型为半开式叶轮，降低叶轮加工制造难度和成本），并完成改型后双级离心压气机全三维数值计算与分析，性能完全满足设计指标要求。
二、双级离心压气机原型及改型要求
双级离心压气机总体结构布局如图1所示，主要由低压进口导叶、低压离心叶轮、低压径向扩压器、低压轴向扩压器、回流器、高压进口导叶、高压离心叶轮、高压径向扩压器和高压轴向扩压器组成，气动及结构设计参数如下表1所示。
为了保证压气机结构尺寸与燃机总体结构匹配，设计中保证所有静子部件完全不变，仅重新设计叶轮，将离心叶轮由原来的闭式叶轮改型为半开式叶轮，同时保证离心叶轮的进口轮毂直径、进口叶尖直径、叶轮外径、离心叶轮轴向长度以及压气机外径严格按照客户提出的约束进行。
设计中保证改型前后双级离心压气机气动性能（基于相同全三维数值计算软件计算获得）基本不变或者略有提高，同时保证改型后叶轮强
度、振动特性满足要求。
表1双级离心压气机气动及结构设计参数
参数
要求
流量（kg/s）
4.3
总压比
10.6
效率
不低于或略高于原型机
低压级压比
4.02
高压级压比
2.64
低压转速
28000
高压转速
38000
图1双级离心压气机子午流道示意图
三、双级离心压气机优化设计
利用损失模型，借助一维性能预测程序，在给定的几何尺寸限制下以效率最大化为目标对各截面参数进行优化，并进行初步强度
校核，确定初步离心叶轮的几何参数，在给定的限制条件下以效率最大化为目标对离心压气机各个截面的主要几何参数进行筛选，确定初步得出满足设计要求的离心压气机各关键截面上的气动参数和几何尺寸。
如图2给出了给出改型后的双级离心压气机的子午流道。
图2 双级离心压气机子午流道
级编号
低压级
高压级
叶轮类型
开式
开式
叶轮叶片数Z
11+11
11+11
叶轮进口轮毂直径DTmm）
82.0
73.0
叶轮进口叶尖直径Dh（mm）
202.0
136.8
叶片出口叶片角b2A（°）
56.0
67.0
叶轮外径D2（mm）
345.0
250.0
叶轮出口宽度B2（mm）
15.5
9.8
径向扩压器进口直径D3（mm）
444.8
282.5
表2给出了该离心压气机各级主要几何参数。
表2双级离心压气机各级几何参数
径向扩压器进口宽度B3（mm）
14.5
8.74
径向扩压器出口直径D4（mm）
602.8
388.4
径向扩压器出口宽度B4（mm）
15.9
10.3
利用一维性能预测软件，完成了离心压气机一维热力计算，表
级编号
1
2
进口总压（kPa）
101.325
408.13
进口总温（K）
288.2
462.8
叶轮进口叶尖相对Ma
0.85
0.74
叶轮出口线速度（m/s）
505.8
497.4
出口压力（kPa）
408.13
264.8
出口温度（k）
462.8
642.16
级效率
0.801
0.805
标准比转速
0.753
0.614
内功率（kW）
759.4
806.7
3给出了一维程序计算获得的双级离心压气机各级主要热力参数。
表3双级离心压气机一维热力参数
三、多级离心压缩机详细设计
在详细设计阶段要进一步给出叶轮的详细子午流道，完成叶轮叶片造型，计算叶轮内部准三维流场并进行诊断，并反复修改叶片流道、叶片角和叶片厚度的分布来获得合理的叶片表面气动载荷。
利用Concepts NREC软件的AxCent模块完成了离心压气机叶轮叶片造型，同时计算内部准三维流场并进行诊断，反复修改叶片流道、叶片角和叶片厚度的分布来获得合理的叶片表面载荷，完成离心压气机的通流（包括叶片和流道）设计和造型，在此过程中对
离心压气机内部流场进行了详细的分析，经反复迭代最终完成了双级离心压气机的详细设计。
双级离心压气机离心叶轮轮毂和机匣流道均采用直线加圆弧造型方式，同时保证机匣流道斜率在前部较小，在中后部斜率较大。
前后缘附近的曲率较小，而中部曲率较大，这样一方面有利于控制离心叶轮进口扩压，控制进口马赫数大小；另一方面有利于调控离心叶轮机匣侧流动，抑制叶轮内部流动在出口流动分离。
考虑双级离心压气机加工成本，离心叶轮采用直纹曲面叶片造型，根据叶片构造角分布在完成叶片造型之后，经过准三维粘性程序分析和叶片修改设计的多次优化，最终确定了叶片的设计。
离心叶轮进出口叶片角由一维设计确定，其分布规律则由叶片负荷分布来确定。
叶片角度β的分布需综合考虑最大负荷位置、叶片包角、叶片倾斜角等。
作为示例，如图3给出了双级离心压气机低压叶轮造型参数分布。
对于该离心压气机，离心叶轮采用了出口后弯角26度的S型叶片，见图3（a）。
这种分布能够保证离心叶轮内的扩压比较均匀，气动性能可明显优于其它类型叶片。
由于高压比离心叶轮/导风轮叶尖马赫数相对较高，设计严格控制叶轮/导风轮进口负荷，通过减小进口段吸力面的曲率可以有效地叶片前缘附近的加速，但是需要同时兼顾后部叶片转折角和载荷增加不应过快，这样可以有益于叶轮性能的提升。
该离心叶轮的包角和倾斜角见图3（b）和3（c），叶片倾角从进口0度变化到出口25度，叶轮出口采用较大的倾角以
控制其内部的二次流动，同时也利于该离心叶轮的强度设计，离心叶轮中前部的倾角在10度以内。
厚度分布主要影响到叶片的强度和振动，对压气机气动性能也有一些影响。
通常压气机叶片前缘要尽可能的薄，以减小气流在前缘加速，叶片前缘厚度（叶尖）通常取为0.3~0.4mm。
本文研究的压气机进口马赫数相对较高，因此叶片叶尖前缘厚度取为0.3mm，见图3（d）。
另外，离心叶轮的厚度分布对其寿命具有较大的影响，为了保证该离心叶轮足够的寿命，离心叶轮尾缘的厚度锥度比参照经验取4左右，同时稍微增加叶轮尾缘附近的厚度以控制其振动水平。
（a）叶片角度分布 （b）叶片包角分布
（c）叶片倾斜角分布 （d）叶片厚度分布
图3低压压气机离心叶轮叶片参数分布
对叶轮的叶片数进行选择是初步设计中必须完成的一项内容，叶片数对压气机性能的影响非常大。
如果叶片数过少，则无法将气流很好地约束在叶片通道内，容易引起气流的分离增加损失，二次
流损失严重，效率低；反之，如果叶片数过多，则增加了堵塞使得流量减小，也增加了气流与叶片表面的摩擦损失。
叶片数的选择是在气流分离/叶片载荷与叶片表面气动摩擦之间寻找一个平衡，同时兼顾流量等其它因素的需求。
多年来，分流叶片设计已经成为高压比离心叶轮设计的必要手段。
研究表明，带分流叶片的离心叶轮既减少了进口气流的堵塞，又提高了叶轮出口的滑移系数；不仅使叶轮效率、加功量提高，而且由于改善了叶轮出口的流场，为扩压器进口创造了良好的条件，从而使压气机整级效率得到提高。
分流叶片的周向位置可按几何等分或者流量等分的原则设计。
在子午方向，分流叶片起始位置需要在流道喉部位置之后，可从两相邻大叶片的当量扩张角为10°~12°的位置开始。
在多次优化分析比对，本方案离心叶轮采用11+11大小叶片，分流叶片的进口取在叶轮子午弧长约
26%处的位置。
如图4给出了双级离心压气机以及叶轮的三维渲染图。
低压压气机离心叶轮 高压压气机离心叶轮
图4 双级离心压气机及叶轮三维渲染图
四、双级离心压气机全三维气动性能计算
前面分别介绍了离心压缩机的几何特征及其设计原则，压气机几何（如子午流道、叶片角度分布及叶片厚度等）对性能的影响不是孤立的，而是相互影响的。
为了提高离心压缩机设计的可靠性，保
证获得更好的离心压缩机性能，必须对离心压缩机内的三维流场有清楚的了解。
因此，在离心压缩机设计过程中采用经过教核的全三维粘性流场分析工具，对压缩机进行优化分析，获取流场信息，并计算其非设计点性能。
实际上，在前面给出的压缩机几何，正是基于全三维CFD为核心分析工具，经过三维粘性程序分析和叶片修改
设计的多次优化最终确定的。
全三维数值计算采用了NUMECAFINE/Turbo软件包的Euranus
求解器。
该求解器采用Jameson的有限体积差分格式并结合Spallart-
Allmaras湍流模型对相对坐标系下的三维Reynolds平均Navier-
Stokes方程进行求解，采用显式四阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，同时加入二阶和四阶人工粘性项以消除数值计算中过程中的伪数值振荡，为提高计算效率，采用了多重网格法、局部时间步长和残差光顺等加速收敛措施，各叶片排之间的动静干涉采用混合平面法进行信息传递。
边界条件给定如下：
进口给定总温，总压和气流角，出口给定平均静压。
壁面采用了绝热无滑移边界条件，与转子叶片联结的轮毂壁和叶片壁转动，而机匣壁和轮毂壁的其它部分则定义为静止。
为了获得该离心压气机级的特性线，计算从设计点开始，通过逐渐增加背压向近失速点推进，并取前一工况的计算结果为初场，数值失速前的最后一个收敛解对应着近失速工况，计算中数值失速点的定义如下：
随着迭代次数的增加，压气机的流量、压比以及效
率等性能参数不断减小。
图5对比了利用全三维CFD计算获得的改型前后双级离心压气机总性能特性。
全三维CFD计算中叶轮进口热态间隙给定为0.15mm，叶轮出口轴向间隙给定为0.2mm（在压气机结构设计中冷态间隙需要通过计算叶轮的变形来确定，叶轮进出口处变形加上热态间隙即为冷态间隙，按照我司经验，对于该尺寸的离心压气机来说，通常离心叶轮进口冷态间隙为0.3-0.35mm，叶轮出口冷态轴向间隙0.6-0.65mm），在设定顶部间隙时，保证离心叶轮外机匣流道不变，通过朝叶片通道内切削叶轮获得顶部间隙。
由图可以看出，改型前双级离心压气机设计点附近流量为4.3kg/s，总压比为10.38，等熵效率为0.746，综合裕度约为5.1%，改型后双级离心压气机设计点流量4.3kg/s，总压比10.8，等熵效率0.762，综合裕度12.05%，双级离心压气机的各项性能完全满足设计指标要求。
（a）压比特性
（b）效率特性
图5 改型前后双级离心压气机性能对比
如图6和图7分别给出了改型后双机离心压气机子午流道周向平
均流场参
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