收稿日期:2002205225；修订日期:2002207210
文章网址:http ://www.hkxb/hkxb/2002/05/0394
文章编号:100026893(2002)0520394211叶轮机计算流体动力学技术现状与发展趋势
刘宝杰，邹正平，严 明，刘火星，宁方飞，张永新，徐力平，蒋浩康，陈懋章
(北京航空航天大学动力系，北京 100083)
PRESENT STATUS AN D FUTURE DEVE LOPMENT OF CFD IN TURBOMACHINER Y
L IU Bao 2jie ,ZOU Zheng 2ping ,YAN Ming ,L IU Huo 2xing ,N IN G Fang 2fei ,ZHAN G Y ong 2xin ,
XU Li 2ping ,J IAN G Hao 2kang ,CHEN Mao 2zhang
(Department of Jet Propulsion ,Beijing University of Aeronautics and Astronautics ,Beijing 100083,China )
摘 要：通过对863高负荷风扇、200MW 汽轮机组改进、组合压气机改进和轴流大小叶片压气机的研制，说明了全三维定常CFD 技术在我国叶轮机研究中的作用，并指出了当前的主要问题；通过对风扇-
吊架干扰，单级压气机和处理机匣的研究，说明了非定常CFD 技术对叶轮机气动力学研究的作用和价值。结合上述全三维定常和非定常CFD 应用的实例，论述了我国叶轮机CFD 技术面临的挑战，及其发展趋势。关键词:CFD ；定常流数值模拟；非定常流数值模拟；风扇；压气机；涡轮中图分类号:V211.3 文献标识码:A
Abstract :The merits and shortcomings of three 2dimensional steady flow numerical analysis nowadays in turboma 2chinery in China are prented bad on the development of a high performance fan and a new axial com pressor with the splitter rotor ,and the improvement of a 200MW stream turbine and a mixed com pressor introduced in the pa 2per ,and the value of three 2dimensional unsteady flow numerical analysis nowadays in turbomachinery are also dis 2cusd bad on the study of interactions of pylon and fan ,rotor and stator ,and rotor and casing treatment.Finally ,the challenges and tendencies of the CFD technique are pointed out in the paper.
K ey w ords :CFD ;steady flow numerical analysis ;unsteady flow numerical analysis ;fan ;compressor ;turbine
20世纪40年代，电子计算机的诞生使得复
杂非线性偏微分方程组的数值求解逐渐成为可能，从而引起了人们对数值求解流体力学问题(计算流体
力学,CFD )的浓厚兴趣。在日新月异的计算机技术的强有力推动下，计算流体力学获得了突飞猛进的发展。到20世纪80年代，计算流体力学在离散方法、网格生成和求解方法等各方面已基本成熟，针对各种具体流动情况而发展起来的不同的湍流模型，也为各种工程问题的解决起到越来越大的作用，作为计算流体力学的重要组成部分的叶轮机数值模拟技术进入了全三维定常粘性数值模拟阶段；在过去的十年中，叶轮机CFD 技术进一步发展到全三维非定常粘性数值模拟阶段。与此同时，叶轮机计算结构力学(CSD )也保持了同步发展，当前CFD 和CSD 技术已经被日益广泛地应用到各种叶轮机械的基础研究和工程实践中。
在20世纪的最后20年内，在叶轮机计算气动力学和计算结构力学的有力推动下，世界航空
发动机的研制经历了一场革命性的变化，逐渐摆脱了耗资多、周期长、风险大、主要依靠完备实验数据库的“传统设计方法”，开始向以CFD 和CSD 技术为基础的“预测设计方法”转变，使得发动机的研制周期从原来的10～15年缩短为6～8年或4～5年，试验样机从原来的40～50台减少到10
台左右，更为重要的是这种设计方法在相当大程度上减少了对试验数据库的依赖，大大降低了研制的风险和研制费用，这对于我国的航空发动机研制现状尤为重要。这场变革的标志性工程就是
美国的“综合高性能涡轮发动机计划”(即IH 2PTET 计划)和“先进涡轮发动机概念计划”
(即A TEC 计划)，这场变革的产物将是比当前推比8
纽扣花
和推比10发动机(如F100、F119等)各项指标约提高一倍的高性能涡扇发动机等一批各类飞行器使用的先进航空动力装置。因此，世界航空工业在这场技术变革的有力推动下，在其诞生近百年时反而呈现出加速发展的态势。
这场航空发动机设计技术变革，在给我国航空发动机的研制提出新挑战，带来新压力的同时，也为我国实现航空发动机“跨越式”发展提供了契
第23卷 第5期航 空 学 报
Vol 123No 15 2002年 9月ACTA AERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA Sep 1 2002
机[1,2]。本文将以我们自身的叶轮机数值模拟技术现状，及其在我国一些重大项目研制中的应用为例，初步分析CFD 技术对我国航空叶轮机械等发展的作用和意义，及其面临的挑战和进一步发展趋势。
1 三维定常粘性数值模拟技术
即使在稳定的工作状态下，叶轮机内部的流
动仍是典型的强三维非定常流动，对这种流动的数值模拟至少要求解雷诺平均的全三维定常N 2S 方程
组，才能提供比较可靠的流动信息。80年代末到90年代初，在高性能计算机日益普及的前提下，时间推进求解方法、高精度空间和时间离散方法、网格生成技术的成熟、加速收敛技术的应用和能够初步满足工程应用的湍流模型的出现，使得数值求解雷诺平均的全三维定常N 2S 方程组不仅成为可能，而且越来越实用，从而出现了一批叶轮机全三维定常粘性数值模拟程序，如Denton 程序等[3～7]。三维定常粘性数值模拟摆脱了对大量经验数据的依赖，突破了以往只有通过实验才能获得比较可靠的叶轮机内部流动信息的局限，为叶轮机气动力学的研究，以及叶轮机的工程设计提供了一种先进的手段。
正是由于经过验证的全三维定常粘性CFD 技术的引入，使得设计阶段就可以对任意造型的风扇/压气机/涡轮进行分析和优化，从而促使叶轮机的设计产生了根本性的变化。首先，它使砷计逐渐摆脱了对完备数据库的依赖，也突破了赖以建立经验设计准则的实验数据有效范围的局限性；其次，它使设计采用三维任意叶片造型成为可能；第三，它使大量新概念和新思想在设计中的应用成为可能；最后，它大大加快了产品的开发周期，降低了产品的研制风险和费用。下面以本研究组的一些应用实例，来说明全三维CFD 技术对我国高性能风扇/压气机和涡轮研制及改进改型的重要作用，以展示先进的叶轮机CFD 技术对于我国以航空发动机为代表的各种叶轮机械发展的
重大意义。
111 863高负荷风扇的研制
根据863计划的要求，北航和606所合作，研制了原计划用于空天飞行器动力装置的高负荷高性能风扇的第1级[8]，其预研指标和美国同类风扇预研指标相当，如表1所示。
表1 863高负荷风扇设计指标
T able 1 Design parameters of a high load fan 流 量
压 比
绝热效率
喘振裕度
9712kg/s入团申请书
213
0188
12%
在国内当时最高单级压比只有117的条件专业教育
下，而且也没有类似美国的高通流风扇预研的积累，这种高负荷风扇的研制无疑是一次大大超前的尝试。从表2的一些特征设计参数与当时传统设计体系所能支持的极限值的对比，就可以看出该风扇的设计难度。
表2 863风扇典型特征参数
多动症孩子
T able 2 Typical parameters of the high load fan designed
典型特征参数863风扇传统设计体系
级 压 比
21301170转子叶尖相对马赫数11721150转子叶尖扩散因子01540142静子叶根绝对马赫数
0197
0188
该风扇不但研制成功，而且是通过一次设计、制造和试车就达到并部分超过了预定指标，这样的成功在美国等航空发达国家也是非常少见的。取得这种成功的根本原因，就是采用了以可靠的全三维定
常粘性CFD 技术为核心的新气动设计体系，贯彻了“充分利用二维设计经验，以全三维数值模拟为基础进行优化设计”的设计思想。 图1是所用的全三维定常粘性程序计算出的设计点、最高效率点和近失速点转子叶尖等马赫线图；图2是实验测量出的设计点、最高效率点和近失速点转子叶尖压力分布，从中可以分析出转子叶尖的激波形态和激波位置。对比图1和图2，可以清楚地看出数值模拟结果和实验结果符合的很好,
从而反映出所采用的全三维定常粘性程序
图1 设计点、最高效率点和近失速点转子叶尖马赫数计算结果
Fig 11 Calculation results of the M a contour in the rotor tip at the design ,highest efficiency and near stall conditions
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第5期刘宝杰等：叶轮机计算流体动力学技术现状与发展趋势
图2 设计点、最高效率点和近失速点转子叶尖压力场测量结果
Fig12 Measurement results of the static pressure contour in the rotor tip at the design,highest efficiency and near stall conditions 在模拟高负荷单级风扇内部的复杂流动时，如果
应用得当，具有比较高的可靠性。
借助于这套全三维定常粘性程序，在863风
扇的设计过程中，可以对叶片的造型、叶片的叶型
和转子内激波结构等进行全面的数值试验，从而
最终优化出了转子中等程度的前后复合弯掠、静
子复合前掠和转子双激波结构的气动方案。
最终的实验结果与国外同类风扇的对比如下
表3所示。
表3 863单级风扇与国外同类风扇性能对比
T able3 Comparison of similar high load fans
863风扇实验结果美国HTFC计划
(1992年)
美国NAFCO T计划
(1988年)
压比2131192212
效率018801860188
喘振裕度12%1017%311%
从表3可以看出，虽然我们没有经验数据库的支持，没有前期预研计划的支持，而且没有能从文献中得到任何有关这种级别的风扇的设计方法和经验数据，但所达到的指标却可以同美国最好的同类风扇相媲美。总结该风扇的研制过程，可以看到借助先进的CFD技术，实现了高性能风扇研制的一次“跨越式”发展；也走出了一条经济、高效的新路子，这条路子就是要从传统的实验优化和验证，过渡到数值优化和数值验证上，这也是当代航空发动机等叶轮机械设计和研制的发展方向。
112 200MW蒸汽机组改造
全三维定常数值模拟技术，对地面燃气/蒸汽轮机的改进改型和新机研制同样具有重要价值，而且也被广泛应用到泵、风机和水轮机等国民经济的重要领域。下面给出一个这方面的例子，即本研究组承担的某发电技术服务有限公司200MW汽轮机高压缸改造的气动设计。
由于是改进设计，必须满足各种约束条件，即在流道不改动的前提下，只能通过对动静叶的优化和各排叶片之间的匹配优化来提高机组效率，为此设计了低损失的动静叶片，并对整个高压缸共12级流动进行了优化。由于蒸汽的特殊物言，所用的全三维程序是能够用于蒸汽轮机计算的Denton程序。
下面仅以静叶为例，来说明全三维数值模拟技术所实现的优化设计及其效果。能够降低所研究的静叶流动损失的主要措施是采用后加载叶型和复合弯扭造型，问题的关键在于如何实现最优化。由于该全三维程序的引入，通过数值试验，在设计阶段即可完成对三维流场结构和与之相关的损失的优化。以第7级静叶为代表，在上海汽锅所做了由真实叶片构成的环形叶栅的吹风实验，图3是其吹风结果。新优化设计的是鱼头形弯叶片，与之比较的是鱼头形直叶片和传统的红旗直叶片。由图可见，两种直叶片在中径以下的很大范围内的总压损失系数很高，而优化的弯扭鱼头叶型则大幅度降低了该区域的损失，与红旗直叶型相比，总压损失系数降低了51%，可见效果非常明显
。
图3 优化叶片环形叶栅吹风结果
Fig13 Annular cascade test results of the blade optimized
在设计阶段，通过这种数值试验，还可以对高压缸整个12级流动进行优化。图4和图5是第7级和第12级根、中、尖截面的等马赫线分布，从中可以看出：借助于全三维CFD技术，可以得到每排叶片的实际流动环境，并可以根据每排叶片的具体流动环境加以分别设计，最后通过几何参数的调整，不但可以使各级流动相匹配，而且可以使每排叶片都在接近最佳状态下工作。只有通过
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航 空 学 报第23卷
这种深入细致的设计，才能够使整机达到最佳工作状态，接近其性能极限。这种经济高效的根本性技术进步，对于我国能源的有效开发和利用具有重要的实际意义
。
哪家银行好
图4 高压缸第7级根、中、尖等马赫线分布
Fig 14 Mach contours in the hub ,middle and tip ctions of 7th
stage of high pressure
turbine
图5 高压缸第12级根、中、尖等马赫线分布
Fig 15 Mach contours in the hub ,middle and tip ctions of天人合一思想
12th stage of high pressure turbine
113 组合压气机改型设计
下面以某组合压气机的改型设计为例，来进
一步说明全三维定常粘性CFD 技术在复杂多级压缩系统流动分析方面的能力，及其对设计起到的作用。
所模拟的某组合压气机包括三级轴流和一级离心，总共11排叶片，由于叶片排数多，流道复杂，对全三维定常CFD 技术提出了较大的挑战。计算网格如图6所示，所用的程序为基于Denton 程序改进的、能够用于轴流大小叶片计算的程序，考虑了离心叶轮叶尖间隙。图7是组合压气机近转子吸力面的等马赫线分布，图8是近叶尖等马赫线分布。计算结果与试验结果对比见表4，其中失速点性能是根据轴流计算特性和修正的离心压气机单独试验特性得到的。
表4 组合压气机计算结果与后来试验结果的对比
T able 4 T est and simulation results of an axial 2centrifugal
compressor
设计点流量设计点效率失速点流量失速点压比
相对误差
013%
217%
217%
315%
数值模拟结果与试验的对比结果表明，当前
的三维定常CFD 技术在模拟高负荷多级压气机时，其计算精度和可靠性还有待于进一步提高，但总体模拟结果和趋势是正确的。
由于全三维计算
图6 某组合压气机计算网格
Fig 16 Computation mesh of an axial 2centrifugal
compressor
图7 近转子吸力面等马赫数分布
Fig 17 Mach contour near the rotor suction
surface
图8 近叶尖截面等马赫数分布
Fig 18 Mach contour in the rotor tip ction
可以提供具体的流动细节，所以对于分析组合压
气机的流动特点，研究各级的匹配，以及轴流和离心的匹配，提供了大量的有用信息，而且有些信息是采用先进测量技术也难以获得的。这种整个压缩系统全三维数值模拟，非常有助于正确判断设计缺陷所在，以及实现整个压缩系统的优化设计，从而可以大大提高复杂压缩系统改型设计和新机研制的可靠性。而复杂压缩系统的研制一直就是制约我国高性能航空发动机研制的主要技术瓶颈之一。
114 轴流大小叶片压气机的研制
以全三维定常粘性CFD 程序为核心的风扇/压气机设计系统，还为我们探索超常规气动设计的新技术提供了条件。本研究组利用改进的全三维定常粘性CFD 程序，承担了一项具有很大挑战性的项目———前掠及大小叶片先进气动布局的研究。前掠设计的大小叶片风扇/压气机，是美国IHPTET 计划最重要的方向之一，也是美国实现
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第5期刘宝杰等：叶轮机计算流体动力学技术现状与发展趋势
其超高推重比涡扇发动机的技术制高点之一。美国自身研制轴流大小叶片技术的历史，也充分说明如果没有全三维定常粘性CFD 程序的支持,IHPTET 计划也无法在这一高技术上取得突破。
为研制前掠大小叶片压气机，本研究组对原有的三维造型程序和全三维定常粘性CFD 程序均进行了全面的修改，使其能够实现多排前掠大小叶片压气机的设计和数值模拟。图9是设计点前掠大小叶片压气机及其与离心压气机叶轮联算的近转子吸力面等马赫线分布。
由于实现了前掠大小叶片转子、双排静子、过渡段/内机匣和离心叶轮的联算，所以在设计阶段，不但可以对前掠大小叶片压气机进行优化，而且还可以研究轴流与离心压气机的匹配问题，以及过渡段(内机匣)的优化设计问题
。
图9 近转子吸力面等M a 线分布
Fig 19 Mach contour near the rotor suction surface
该全尺寸单级大小叶片压气机最近完成了首
轮试验，不同折合转速下大小叶片压气机特性线与原型常规压气机特性线对比如图10所示。 上述试验结果表明，在相同转速的条件下，大小叶片方案能够较大幅度提高轴流压气机的加功增压能力、失速裕度和效率，不但验证了大小叶片
理论的有效性，而且表明我国在航空发动机大小叶片设计、加工技术方面已取得实质性重大突破，为进一步在涡轴发动机、涡扇发动机等方面的工程应用奠定了坚实基础。
随着全三维定常粘性程序得到越来越深入广泛的应用，定常数值模拟方法本身及其湍流模型等内在缺陷也得到了更多暴露，简单可以归纳为以下两方面:
(1)采用定常假设，从根本上忽略了叶轮机内部的非定常效应 为处理叶轮机中最基本的转静干涉问题，国内大量使用的程序和软件主要采用掺混截面的方法，由于此方法完全忽略了转静子间周向非均
匀性而引起的非定常相互作用，所以对于转静排间轴向间隙比较小的情况以及对于转子出口流场沿周向分布高度不均匀的情况，如离心叶轮出口流场，都会带来一定的偏差。以离心压气机的模拟为例，由于离心叶轮及其径向扩压器存在强烈的非定常相互作用，不但会导致定常数值模拟难以很好收敛，而且在效率计算上会明显偏高。上述掺混面法带来的偏差，随所计算
的叶排数的增加，具有累计效应。因此，越是多级
压气机越不容易很好收敛，越具有更大的模拟偏差。这也是为什么必须对所用的全三维定常CFD 程序进行可靠性验证；为什么必须谨慎地分析和利用全三维定常CFD 的数值模拟结果的根本原因之一。
(2)湍流模型 湍流模型虽然对于任何粘性流动的数值模拟而言都是一个问题,
的笔顺但对于强三
上海春节
(空心点的线为大小叶片，实心点的线为原型)
(Blank circle line for the compressor with splitter ,Solid triangular for the original conventional compressor )
图10 单级大小叶片压气机试验特性和原型压气机试验特性对比
Fig.10 Comparison of the test performances of the axial compressor with splitter and the original conventional compressor
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