孫海鷗，葉 楠，王紀達，宮 宇，王忠義

（1.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱150001；2.南京汽輪電機(集團)有限公司，南京210037；3.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京100082）

葉頂間隙對軸流壓氣機性能及流場的影響

孫海鷗1，葉 楠1，王紀達2，宮 宇3，王忠義1

（1.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱150001；2.南京汽輪電機(集團)有限公司，南京210037；3.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京100082）

針對由磨損、機械損傷等因素造成的動葉葉頂間隙變化對壓氣機性能的影響，以某已知參數(shù)的1.5級壓氣機為研究對象，采用NUMECA軟件分別對不同大小的均勻及非均勻間隙情況進行了數(shù)值模擬。通過改變背壓條件，設(shè)定均勻及非均勻情況下不同的葉頂間隙值，模擬了變工況下壓氣機的氣動性能，繪制了壓氣機流量特性線；同時分析了不同葉頂間隙對內(nèi)部流場及流動的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：動葉葉頂間隙增大時壓氣機的效率、壓比等出現(xiàn)了衰退，且不同間隙情況對性能衰退程度的影響也不同，這對壓氣機非設(shè)計工況下的性能預測具有一定的參考價值。

軸流壓氣機；葉頂間隙；性能；流場；數(shù)值模擬；航空發(fā)動機；效率

0 引言

壓氣機作為燃氣輪機的主要部件，對總體性能有重要的影響，而葉頂間隙是造成壓氣機內(nèi)部流動損失的重要因素。在壓氣機工作過程中，腐蝕、磨蝕、機械損傷、熱負荷等因素會造成葉頂間隙增大，由葉片前、后面壓差驅(qū)動的間隙流動增強，從而導致泄漏損失增大[1-2]。泄漏流動對壓氣機氣動性能有顯著影響，馬文生等的研究表明，葉頂間隙增加1%，壓氣機流量減少約1%，效率減小約1.3%[3]。所以對葉頂間隙的研究一直是葉輪機械領(lǐng)域研究的熱點，研究者采用不同方法取得了很多成果[4]。

Kang S.等通過流場可視化技術(shù)和5孔探針對壓氣機葉柵葉頂間隙進行了試驗研究，并結(jié)合數(shù)值方法給出了間隙泄漏渦的結(jié)構(gòu)[5]；Mark P.W.等應(yīng)用3D PIV設(shè)備測量軸流壓氣機葉頂間隙流動，得到了在設(shè)計工況和近失速工況下葉頂間隙渦的空間尺度和位置[6]；Young-Seok Kang等考察了軸流壓氣機葉片排由于旋轉(zhuǎn)軸與機匣中心偏離時產(chǎn)生非均勻葉頂間隙的流場特性；蔣永松等運用數(shù)值方法對高壓風扇轉(zhuǎn)子進行研究，指出葉尖附面層和泄漏渦對轉(zhuǎn)子失速有直接影響[7-8]；Kazutoyo Yamada等通過試驗和數(shù)值模擬方法闡述了葉頂間隙對軸流壓氣機轉(zhuǎn)子失速開始和形成歷程以及渦結(jié)構(gòu)[9]；Zhong Jingjun等在壓氣機葉柵動葉葉頂加翅片，改變?nèi)~頂間隙，減弱了葉頂間隙渦的強度，并模擬了內(nèi)部氣動流場[10]；鄧向陽等采用數(shù)值模擬方法研究了非定常葉頂間隙流的流動特征和頻率特性，指出葉頂泄漏渦的非定常波動為其瞬態(tài)空間位置、尺度和形態(tài)的周期性變化[11]；王祥鋒等采用商用軟件對多級軸流壓氣機進行數(shù)值模擬，得出間隙增大時壓氣機的流量、效率和壓比等都明顯下降[12]。由于受葉頂間隙的空間和測試方法的限制，難以通過試驗得到準確的間隙流動特性，目前多數(shù)研究都圍繞數(shù)值模擬方法進行[13]。

本文對已知參數(shù)的1.5級軸流壓氣機進行數(shù)值模擬研究，分別考察不同葉頂間隙條件下的壓氣機流場和性能。

1 壓氣機和間隙模型

以某型等外徑設(shè)計的，由進口導葉、動葉和靜葉3排葉片組成的1.5級軸流壓氣機為研究對象，其3維通道模型如圖1所示，相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1[14]。

圖1 壓氣機3維通道模型

表1 壓氣機設(shè)計參數(shù)

在壓氣機實際運行過程中，由磨損或機械損傷等原因?qū)е氯~頂間隙變大。壓氣機模型數(shù)據(jù)以各截面型線控制點坐標和輪轂機匣控制線的形式保存在Autogrid（NUMECA網(wǎng)格處理工具）的數(shù)據(jù)編譯文件Geomturbo中，為改變?nèi)~頂間隙值提供了方便[15]。本文研究葉頂間隙變化導致的影響，設(shè)置了3種間隙變化模型，并通過改變動葉高度確定不同的間隙變化值，具體情況分別如圖2所示，并見表2。原型壓氣機的設(shè)計間隙為1%動葉葉頂弦長，以相對值給出。

圖2 間隙變化方案

表2 動葉葉頂間隙值設(shè)定方案

2 數(shù)值及模型驗證

式中：T0=291.15 K；C為Sutherland常數(shù)，對空氣取C=120 K；μ0=1.827×10-5Pa·s，為 T0溫度下的空氣黏性系數(shù)。

2.1 網(wǎng)格劃分

考慮計算效率和數(shù)值精度的要求，選取單葉片通道的周向邊界應(yīng)用周期條件作為計算域模型。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格工具NUMECA前處理軟件Autogrid5進行網(wǎng)格劃分，在進、出口段以H型劃分，葉片周圍以O(shè)型劃分，動葉頂部間隙以蝶形劃分，全計算域網(wǎng)格數(shù)目為186萬。壓氣機單葉片通道模型網(wǎng)格和hub面網(wǎng)格劃分及局部放大分別如圖3、4所示。

NUMECA軟件是應(yīng)用于葉輪機械流動的CFD求解器，采用有限體積法對控制方程進行離散求解。湍流模型選用加強型壁面函數(shù)的k-ε模型，工質(zhì)為理想氣體，黏性系數(shù)μ受溫度的影響，由工程上常用的Sutherland方程得出

圖3 壓氣機單葉片通道模型網(wǎng)格

圖4 壓氣機hub面網(wǎng)格劃分及局部放大

2.2 邊界條件

進口軸向進氣，給定總溫為303K，總壓為100825Pa；出口為壓力出口，給定靜壓，并通過調(diào)節(jié)數(shù)值模擬不同工況點及逼近數(shù)值邊界點；壁面絕熱，無滑移，且給定動葉表面等效粗糙度k0=ks/30=1.0×10-7。

所有計算的收斂標準為計算殘差小于10-6，進出口流量、軸向力等穩(wěn)定或呈小范圍周期性變化，在額定轉(zhuǎn)速及部分轉(zhuǎn)速工況下調(diào)節(jié)出口壓力，取數(shù)值發(fā)散前的最后收斂解作為邊界點，即為喘振邊界點和堵塞流量點。

2.3 模型驗證

取壓氣機設(shè)計參數(shù)作為邊界值，在滿工況額定轉(zhuǎn)速下進行數(shù)值計算，將得到的壓比和效率分別與設(shè)計值和試驗值進行對比，見表3。

表3 模擬結(jié)果與設(shè)計值和試驗值的比較

從表3中可見，數(shù)值模擬得到的壓比、效率的最大相對誤差分別為1.77%、1.01%，這在工程上是可以接受的，因此所建立的數(shù)值計算模型是可信的。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 間隙增大對壓氣機性能的影響

首先在滿工況額定轉(zhuǎn)速下對以上設(shè)定間隙條件下的壓氣機進行數(shù)值計算，并且通過逐漸增大背壓的方法逼近數(shù)值邊界點，繪制不同背壓即不同流量下的效率或壓比變化的曲線，這樣即可得到相應(yīng)間隙條件下的壓氣機工作特性曲線（分別如圖5～7所示），對比分析不同間隙條件下的壓氣機工作特性參數(shù)。

圖5 均勻間隙條件下的壓氣機工作特性曲線

圖6 漸增間隙條件下的壓氣機工作特性曲線

圖7 漸減間隙條件下的壓氣機工作特性曲線

從圖5～7中可見，在相同流量條件下，動葉頂部間隙增大，對應(yīng)的效率和壓比都降低，即壓氣機工作特性曲線整體下移；同時隨著流量增加，間隙增大導致的壓氣機性能曲線下移的趨勢減弱，即壓氣機對于間隙變化產(chǎn)生的衰退減弱。在額定流量條件下，對于均勻間隙，間隙值增大1倍即1%弦長時，效率、壓比分別降低0.57%、0.17%左右；對于漸增間隙，間隙值增大1倍時，效率、壓比分別降低0.67%、0.17%左右；對于漸減間隙，間隙值增大1倍時，效率、壓比分別降低0.54%、0.17%左右。由此可見，對于單級增壓的壓氣機來說，葉頂間隙增大對壓比和效率的影響是可觀的，而且如圖2（c）所示的漸減間隙類型對間隙變化的響應(yīng)較小。為了更準確地展示不同間隙類型所帶給壓氣機總體性能的變化；同時把均勻間隙1%c、2%c，漸增間隙1%c～2%c及漸減間隙2%c～1%c繪入同一圖中。類似地，其他3組也作同樣處理，僅給出流量-效率特性，如圖8所示。

從圖8中可見，由于漸增或漸減間隙的變化是線性的，取具有相等間隙平均值的情況與均勻間隙進行對比，得出間隙值越大，效率越低。而對比漸增或漸減間隙類型，具有相等平均值時，漸減間隙對應(yīng)的曲線在下方，表明效率衰退得更多。

3.2 間隙變化對壓氣機內(nèi)部流場的影響

圖8 不同間隙類型對壓氣機總體性能的影響

在100%轉(zhuǎn)速下，設(shè)定背壓為109000 Pa（對應(yīng)圖5中流量軸右數(shù)第10點），分別對不同間隙情況進行數(shù)值計算，選取壓氣機內(nèi)部流場的部分參數(shù)進行對比分析，考察間隙變化對壓氣機內(nèi)部流場的影響。均勻間隙不同數(shù)值對應(yīng)的壓氣機葉尖部分流場分布如圖9所示。包括流線、沿軸向等弦長截面相對速度大小分布以及空間內(nèi)低速區(qū)等值面。其中，低速區(qū)等值面是自定義的，設(shè)定相對速度小于50m/s的區(qū)域。

圖9 不同均勻間隙值對應(yīng)的流場分布（100%轉(zhuǎn)速、背壓為109000 Pa）

在100%轉(zhuǎn)速、背壓為109000 Pa條件下，不同均勻間隙值對應(yīng)的流場熵分布如圖10所示。從圖10中可見，由于間隙流動，在葉尖流場內(nèi)存在熵增的區(qū)域，該區(qū)域沿弦長方向向主流擴散，是間隙泄漏流與葉片通道主流摻混的結(jié)果，而且其主要空間位置在葉片通道中間50%～90%弦長范圍內(nèi)。與圖9對比，漩渦產(chǎn)生和發(fā)展的區(qū)域正是熵分布（即熵增）最大的區(qū)域，是造成間隙流動損失的主要原因。

圖10 不同均勻間隙值對應(yīng)的流場熵分布（100%轉(zhuǎn)速、背壓為109000 Pa）

對于漸增和漸減間隙，同樣在100%轉(zhuǎn)速下，設(shè)定背壓為109000 Pa（對應(yīng)圖6、7中流量軸右數(shù)第10點），進行了一系列數(shù)值計算。不同間隙值對應(yīng)的壓氣機葉尖部分流場分布如圖11所示。包括流線、沿軸向等弦長截面相對速度大小分布以及空間內(nèi)低速區(qū)等值面。

圖11 不同間隙值對應(yīng)的流場分布（100%轉(zhuǎn)速、背壓為109000Pa）

從圖11中可見，與均勻間隙下類似的規(guī)律，葉尖流動相對速度沿周向逐漸減小，在葉尖前緣吸力面附近形成間隙泄漏渦；間隙值增大時，間隙流動增強，與葉片通道主流的摻混增強，直至漩渦低速區(qū)出現(xiàn)且發(fā)展擴散；同時通過對比非均勻間隙下漸增和漸減間隙的情況可見，與具有相等間隙平均值條件下，在漸減間隙下的間隙流動更強烈，對通道主流的影響也更大，這與圖8中不同間隙的總體性能有對應(yīng)關(guān)系。主要體現(xiàn)在間隙流對通道主流特別是自葉尖前緣發(fā)展的流動的裹挾作用更大，流線更紊亂；同時漩渦低速區(qū)（渦核）的形成提前。這是由于葉片前緣相對速度較大，通道主流和間隙流動均更強烈。對于漸減間隙，葉片前半部分間隙大，間隙流動相對更強烈，對主流造成的影響也越大。

4 結(jié)論

針對某型1.5級軸流壓氣機進行數(shù)值模擬研究，考察葉頂間隙變化對壓氣機的影響，得到如下主要結(jié)論：

（1）在相同流量條件下，間隙增大，壓氣機效率和壓比都降低，對應(yīng)的壓氣機流量-效率及流量-壓比特性線均整體下移。在額定流量條件下，間隙值增加1%弦長時，效率、壓比分別降低0.6%、0.17%。

（2）對于葉頂間隙非均勻變化的情況，當具有相等間隙平均值時，漸減間隙對應(yīng)的壓氣機效率和壓比降低得更多。

（3）對于均勻間隙，隨著間隙增大，間隙泄漏流動對葉片通道主流影響增強。間隙為3%c時，在通道中間下游產(chǎn)生漩渦低速區(qū)，即漩渦渦核。該區(qū)域?qū)?yīng)的熵增也最大，而且隨間隙的增大逐漸沿流動方向發(fā)展擴大。

（4）對于非均勻間隙，間隙增大，間隙泄漏流動增強，引起壓氣機葉片通道內(nèi)逐漸形成漩渦，并且形成相對速度的低速區(qū)。相比漸增間隙，漸減間隙對應(yīng)的漩渦低速區(qū)提前形成，與結(jié)論（2）相對應(yīng)。

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Effect of Tip Clearance on AxialCompressor Performance and Flow Field

SUN Hai-ou1,YENan1,WANG Ji-da2,GONG Yu3,WANG Zhong-yi1
（1.Harbin Engineering University,Harbin 150001，China；2.Nanjing Turbine&Electric Machinery(Group)co.,LTD.,Nanjing 210037，China； 3.Nuclear and Radiation Safety Center,Beijing 100082，China）

Aiming at tip clearance caused by the erosion andmechanicaldamage on the compressor performance,the differentuniform and non-uniform tip clearance of 1.5 stage compressors were numerically simulated by NUMECA software.The compressor aerodynamic performance on variable operations was simulated,and the flow characteristics curve were obtained by changing the back pressure and giving the different tip clearance valueson uniform and non-uniform situation.The effectof different tip clearance on the internal flow field and flow characteristics was analyzed.The numerical results indicate that there appears the performance degradation of the compressor efficiency and pressure ratio when rotor tip clearance increases.The degradation under different tip clearance condition is different,which provides certain reference value to performance prediction underoff-design conditions.

axial compressor;tip clearance;performance;flow field;numerical simulation;aeroengine;efficiency

V235.11

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.001

2013-11-25 基金項目：國家自然科學基金（51309063）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（HEUCF120306、HEUCF130306）、高等學校博士學科點專項科研基金（20132304120012）資助

孫海鷗（1962），男，教授，主要研究方向為船舶動力裝置總體性能與系統(tǒng)；E-mail:b205030024@126.com。

孫海鷗，葉楠，王紀達，等.葉頂間隙對軸流壓氣機性能及流場的影響[J].航空發(fā)動機，2014,40（3）：1-7.SUNHaiou,YENan,WANG Jida,et al.Effectoftip clearance on axialcompressorperformanceand flow field[J].Aeroengine，2014,40（3）：1-7.