張劍

葉尖間隙對渦輪性能影響的計算與試驗研究

張劍1，2

(1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

采用電容型葉尖間隙測量系統，在國內首次對單級渦輪級性能試驗狀態(tài)下的轉子葉尖間隙進行了實時測量，并利用獲得的葉尖間隙熱態(tài)試驗數據，完善了渦輪轉子葉尖間隙計算方法。同時，開展了變葉尖間隙的渦輪級性能試驗，總結了葉尖間隙對渦輪性能的影響規(guī)律。另外，還對試驗方案進行了數值模擬，并與試驗結果進行對比分析，進一步研究了葉尖間隙對渦輪性能的影響。結果表明，電容型葉尖間隙測量系統具有較高的準確性，利用該系統有助于掌握葉尖間隙真實變化規(guī)律，提高試驗安全；通過對葉尖間隙實時測量，可正確評估渦輪性能隨葉尖間隙的變化規(guī)律，具有較高的工程應用價值。

渦輪部件；葉尖間隙；動態(tài)測量；性能試驗；數值模擬

1 引言

航空發(fā)動機渦輪轉子葉尖間隙對發(fā)動機效率有著重要影響。為提高發(fā)動機性能，轉子葉尖與機匣間的徑向間隙應盡可能小，以減少因工作介質泄漏造成的損失；但間隙又不能太小，否則將可能產生葉尖與機匣碰磨，導致零部件損壞，影響發(fā)動機安全。徑向間隙過大會使效率降低，渦輪前溫度升高。據文獻[1]介紹，葉尖間隙每增加葉片高度的1.0%，渦輪部件效率約降低1.5%，耗油率及全壽命費用相應增加?？傊?，間隙過大或過小對發(fā)動機都不利。

在設計中控制最佳間隙，對提高發(fā)動機性能、保證飛行安全尤為重要。而合理設計間隙，關鍵在于了解并掌握其變化規(guī)律。因此，在發(fā)動機研制過程中，通過對間隙進行實測，得到間隙隨不同轉速及狀態(tài)的變化規(guī)律，并驗證理論計算的合理性，這對優(yōu)化設計、保證試車試驗安全具有實際的工程應用價值。

以往的發(fā)動機部件及整機試驗，是在裝配渦輪轉子時獲取冷態(tài)葉尖間隙，再通過理論計算獲得工作間隙。不過理論計算目前尚難以準確預測間隙，只有通過試驗測量才能獲知其真實變化。

本文對某渦輪級性能試驗狀態(tài)下的葉尖間隙進行了實時測量，與理論計算進行了比較，錄取了渦輪性能隨葉尖間隙的變化曲線，并通過數值模擬與試驗性能參數進行了比較，總結了渦輪葉尖間隙對性能的影響規(guī)律。

2 渦輪葉尖間隙動態(tài)測量

航空發(fā)動機徑向間隙測量，特別是高壓渦輪間隙測量，由于溫度高、壓力大，一直屬于世界性難題。國外一些航空發(fā)動機公司和研究機構為達到測試、控制間隙的目的，不斷開發(fā)、完善間隙測試技術和測試手段，其中比較成熟的有探針測量法、電渦流法、電容法、高能X射線法等間隙測量方法，并在轉子葉尖間隙測試應用上積累了大量的實測數據，掌握了葉尖間隙的變化規(guī)律。

2.1 測量方法

中國燃氣渦輪研究院利用引進的電容型葉尖間隙測量系統（CAPLONG），在國內首次對渦輪轉子葉尖間隙進行了實時測量。CAPLONG的基本原理是基于探頭端面與轉子葉尖所形成的電容變化進行間隙測量。安裝在機匣上的探頭可認為是平行板電容器的一個電極，轉子葉尖是電容器的另一個電極，忽略邊緣影響，介質的相對介電常數通過試驗驗證，當探針和葉片尺寸保持不變時，電容值僅為葉尖間隙值的函數。

電容與葉尖間隙的關系[2]可表示為：

則有：

式中：εr為電極間介質的相對介電常數，ε0為真空的介電常數，A為探頭端面和轉子葉尖相對投影面積，dc為葉尖間隙，ds為發(fā)動機機匣涂層內壁與探針端面的距離。

采用四支探頭沿周向均布的方式進行實時測量。圖1為電容型渦輪葉尖間隙探針實物圖，圖2為探針周向布置示意圖。

2.2 測量結果分析

圖3為進口總溫不變時渦輪轉子葉尖間隙隨轉速的變化曲線。隨著轉子轉速的增加，葉片受到的離心拉伸應力逐漸增加，葉尖間隙逐漸減小。在該試驗范圍內，葉尖間隙隨轉速的變化可近似表示為三段線性變化的直線。

圖1 渦輪葉尖間隙探針實物Fig.1 Tip clearance probe of turbine blade

圖2 葉尖間隙探頭安裝示意圖Fig.2 Tip clearance probe fixing

圖3 平均葉尖間隙隨轉子轉速的變化曲線Fig.3 Variety of averaged tip clearance along with rotor speed

圖4為渦輪轉子葉尖間隙在設計物理轉速下隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，四支探針測量得到的葉尖間隙基本一致，葉尖間隙隨時間變化比較均勻。測量得到的轉子葉尖間隙為0.545 mm，表明該渦輪轉子同軸度非常好。

通過葉尖間隙的實時測量，獲取了試驗狀態(tài)下的渦輪轉子葉尖間隙準確數據，同時在國內首次測量了渦輪機匣壁面溫度。根據裝配葉尖間隙、試驗狀態(tài)和機匣壁面溫度，可計算出轉子葉尖伸長量、外環(huán)伸長量，則葉尖間隙可由下式計算：

圖4 轉子葉尖間隙隨時間變化曲線Fig.4 Variety of tip clearance along with time

dc=Δz+Δw+Δr

式中：Δz為裝配間隙，Δw為外環(huán)伸長量，Δr為轉子葉尖伸長量。

理論計算得到渦輪轉子葉尖間隙為0.520 mm，比試驗測量值偏小約4.6%。理論計算值與試驗測量值吻合良好。

圖5為某試驗狀態(tài)下渦輪轉子出現振動時的葉尖間隙變化曲線。圖中探針測量的間隙峰值突出，可能為信號干擾所致。各探針測量間隙輪廓波動類似一個周期的正弦波，說明波動頻率與轉子頻率接近。同一時刻，四支探針的間隙值不一致，各探針測量值具有90°的相位差，說明轉子工作時轉子軸心與轉動中心存在不重合現象。

圖5 振動時渦輪轉子葉尖間隙變化曲線Fig.5 Variety of tip clearance with vibration

通過葉尖間隙的實時測量，校準了轉子葉尖間隙冷熱態(tài)換算方法；根據間隙變化規(guī)律，分析了轉子振動原因，極大地提高了渦輪試驗安全。

3 葉尖間隙對渦輪性能影響的試驗研究

試驗在中國燃氣渦輪研究院的渦輪綜合試驗器[3]上進行。進行了單級渦輪變葉尖間隙試驗，以分析、總結葉尖間隙對渦輪性能的影響規(guī)律。在渦輪出口周向均布四支測量探針，每支沿徑向有5個測量點。試驗時保持渦輪進口總壓、總溫、轉速、膨脹比和冷氣流量比不變，分別測量了相對葉尖間隙為0.64%、1.00%和2.80%下的渦輪特性曲線。

圖6、圖7分別為不同葉尖間隙下渦輪相對折合功-LT和主氣初始效率ηT隨膨脹比πT的變化曲線。葉尖間隙減小，泄漏流量減小，渦輪效率增加，功率增大。相對葉尖間隙從0.64%增大到1.00%，效率降低約0.20%；相對葉尖間隙從0.64%增大到2.80%，效率降低約1.80%。

圖6 渦輪相對折合功隨葉尖間隙的變化Fig.6 Variety of the stage reduced work along with tip clearance

圖7 渦輪主氣初始效率隨葉尖間隙的變化Fig.7 Variety of the stage efficiency along with tip clearance

從效率特性曲線還可以看出，該渦輪隨著膨脹比的增加，效率不斷提高；在設計點附近，效率基本保持為一段水平直線，表明該渦輪能穩(wěn)定工作。

圖8、圖9分別為渦輪出口總壓和總溫在不同葉尖間隙下的徑向分布曲線。從圖中可明顯看出，不同葉尖間隙下，渦輪出口總壓、總溫都基本重合。隨著葉尖間隙的增大，葉尖測量得到的總壓、總溫逐漸增大。這反映了葉尖間隙增大時，從葉尖泄漏的氣體增加。由于這部分氣體沒有做功，因此葉尖附近的總溫、總壓都比小間隙時的高。

圖8 不同間隙下渦輪出口相對總壓的徑向分布(設計狀態(tài))Fig.8 Radial distribution of relative total pressure at exit (design condition)

圖9 不同間隙下渦輪出口相對總溫的徑向分布(設計狀態(tài))Fig.9 Radial distribution of relative total temperature at exit (design condition)

4 葉尖間隙數值模擬分析

4.1 數值計算方法

采用CFD分析軟件CFX12.0[4]，對設計狀態(tài)、設計冷氣流量比、變葉尖間隙下渦輪性能進行計算，并從理論分析上對比、總結轉子葉尖間隙對渦輪性能的影響。渦輪進口絕對總壓、總溫、轉子轉速和轉子葉尖間隙根據試驗測量結果給定。導向器和轉子交界面采用混合平面法處理。計算考慮了冷氣的影響，冷氣采用源項方法[5]給定質量流量、總溫、氣流方向和渦粘比。圖10為三維粘性計算網格，采用CFX-TurboGrid[6]進行網格劃分，網格節(jié)點總數約為60萬，采用SST湍流模型。

圖10 三維粘性計算網格(輪轂、葉片)Fig.10 3D N-S computational meshs(hub and blade)

4.2 葉尖間隙對渦輪性能影響的分析

在其它條件相同的情況下，分別計算了相對葉尖間隙為0.64%、1.00%和2.80%下的渦輪性能。設計狀態(tài)下渦輪相對折合功隨葉尖間隙的變化曲線如圖11所示。從圖中可以看出，隨著轉子葉尖間隙的增加，渦輪相對折合功逐漸減小，計算結果與試驗結果趨勢一致，近似呈線性變化，但計算曲線比試驗曲線斜率更大。

設計狀態(tài)下效率隨葉尖間隙的變化曲線如圖12所示。從圖中可知，效率與相對折合功變化趨勢

圖11 相對折合功隨葉尖間隙的變化曲線Fig.11 Reduced work of turbine vs.tip clearance

圖12 效率隨葉尖間隙的變化曲線Fig.12 Turbine efficiency vs.tip clearance

一致，也呈線性變化關系。從圖中還可得出，相對葉尖間隙增加1.00%，計算效率降低約1.40%，試驗效率降低約0.84%。

圖13 渦輪級出口相對總壓的徑向分布Fig.13 Radial distribution of relative total pressure at exit

圖14 渦輪級出口相對總溫的徑向分布Fig.14 Radial distribution of relative total temperature at exit

圖13和圖14分別為設計狀態(tài)下相對葉尖間隙1.00%時渦輪出口相對總壓、相對總溫的徑向分布。在測量區(qū)域內，計算值與試驗值吻合較好。但測量探針沿相對葉高最高點僅在0.9位置處，從計算數據可以看出，該間隙下間隙泄漏流僅能影響到相對葉高約0.9處。因此，從試驗測量的出口總壓、總溫探針上還不能明顯地看到葉尖泄漏渦的影響。

5 結論

(1)通過葉尖間隙的實時測量，掌握了葉尖間隙在過渡態(tài)的變化規(guī)律，為理論計算、正確評估葉尖間隙提供試驗數據支持，保證了渦輪試驗安全。

(2)渦輪葉尖間隙實時測量為葉尖間隙的最優(yōu)設計提供了試驗支持。在本試驗范圍內，相對葉尖間隙增加1.00%，計算效率降低約1.40%，試驗效率降低約0.84%。

(3)計算的渦輪出口參數與試驗測量結果吻合良好。通過數值模擬的方法研究間隙流對渦輪氣動性能的影響具有工程實用價值。

[1]熊宇飛.航空發(fā)動機轉子葉尖間隙測量[J].測控技術，2004，23(1)：5—7.

[2]王俊莉，陳洪敏，石小江.電容式葉尖間隙測量系統校準技術研究[C]//.第八屆發(fā)動機試驗與測試學術討論會論文集.2006：95—101.

[3]趙旺東，周禹彬，楊銳.葉尖間隙對渦輪氣動性能影響的試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2009，22(3)：19—22.

[4]ANSYS CFX Release Notes for 12.0[M].ANSYS Inc.，2009.

[5]曾軍，張劍.帶冷氣影響的某高壓渦輪級流場分析[J].燃氣渦輪試驗與研究，2005，18(3)：19—22.

[6]CFX-TurboGridUserDocumentationVersion1.5[M]. AEA Technology Engineering Software Ltd.，2000.

Calculation and Test of Influence of Rotor Tip Clearance on Turbine Performance

ZHANG Jian1，2
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The tip clearance was measured real time with capacitive probe in the single-stage turbine per?formance test.And it is the first time to measure it at home.The data of tip clearance was obtained in the test condition and the method of tip clearance calculation was consummated.Simultaneously,the equation between tip clearance and turbine efficiency was established via the turbine stage tests of different tip clear?ance.A further investigation of the influence of tip clearance on turbine efficiency was carried out with the numerical simulation method.Comparing the calculation results and the test results,it showed that the cal?culation data agreed well with the test data.The application of capacitive probe was beneficial to master the changing rules of tip clearance and improve test security.Also the influence of tip clearance on turbine effi?ciency could be properly evaluated by real time measurement of tip clearance.

turbine rotor；tip clearance；real time；performance test；numerical simulation

V231.3

A

1672-2620(2012)02-0033-04

2011-07-25；

2012-03-06

張劍(1978-)，男，四川資中人，高級工程師，碩士，主要從事渦輪氣動設計。