郝苜婷 謝 蓉*/大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院

關(guān) 亮/上海空間推進(jìn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)室

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時(shí)序效應(yīng)對(duì)離心壓縮機(jī)葉片非定常氣動(dòng)負(fù)荷影響*

郝苜婷 謝 蓉*/大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院

關(guān) 亮/上?？臻g推進(jìn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)室

Abstract

針對(duì)國(guó)內(nèi)某大型企業(yè)不同機(jī)組離心壓縮機(jī)葉輪葉片進(jìn)行非定常流動(dòng)數(shù)值分析，通過(guò)求解三維瞬態(tài)N-S方程組，得到流場(chǎng)分布和葉片表面的靜壓載荷信息。利用數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法獲得離心壓縮機(jī)不同時(shí)序位置葉輪葉片表面動(dòng)載荷的變化，并通過(guò)傅里葉變換得到葉輪葉片表面動(dòng)載荷的分布特性，進(jìn)而分析不同時(shí)序位置葉輪葉片表面氣動(dòng)負(fù)荷的差異。數(shù)值計(jì)算表明，時(shí)序效應(yīng)對(duì)離心壓縮機(jī)流道內(nèi)流動(dòng)以及葉輪葉片的非定常氣動(dòng)負(fù)荷存在不可忽略的影響，且合適的時(shí)序位置具有改進(jìn)壓縮機(jī)級(jí)性能的潛能。動(dòng)載荷是壓縮機(jī)葉輪葉片結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的誘因，且不同機(jī)組離心壓縮機(jī)中的時(shí)序效應(yīng)對(duì)氣動(dòng)載荷的影響具有一致性。

離心壓縮機(jī)；時(shí)序效應(yīng)；瞬態(tài)流動(dòng)；數(shù)值模擬；氣動(dòng)負(fù)荷；葉片斷裂

0 引言

離心壓縮機(jī)作為一種典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，由于其葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉輪轉(zhuǎn)速較高，在運(yùn)行中時(shí)常發(fā)生葉輪葉片斷裂事故。靜止部件與旋轉(zhuǎn)部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成離心壓縮機(jī)流場(chǎng)中表現(xiàn)出明顯的非定常特性；在尾流和勢(shì)流周期性的相互干擾下，壓力場(chǎng)存在潛在的周期性變化規(guī)律，從而作用在葉片表面的壓力動(dòng)態(tài)載荷也具有一定的周期性。周期性的交變載荷易導(dǎo)致葉片的疲勞破壞，從而離心壓縮機(jī)中的事故分析逐步受到關(guān)注［1-4］。

在葉輪初期設(shè)計(jì)中，考慮動(dòng)靜葉相互干涉所帶來(lái)的非定常影響［5］是必須且必要的。在研究非定常效應(yīng)中，時(shí)序效應(yīng)作為一種特例亦引起廣泛關(guān)注，即當(dāng)改變同名葉片排的相對(duì)周向位置會(huì)引發(fā)整體性能不同的效果。Walker［6］通過(guò)時(shí)序位置引起噪聲的改變發(fā)現(xiàn)了葉輪機(jī)械中的時(shí)序效應(yīng)。于是國(guó)內(nèi)學(xué)者利用軸流壓縮機(jī)中的分離渦數(shù)值分析方法證實(shí)了利用軸流壓縮機(jī)中的時(shí)序效應(yīng)可以提高流動(dòng)效率的潛在性能［7-8］。渦輪中時(shí)序效應(yīng)對(duì)尾跡傳遞過(guò)程以及作用于葉片上非定常作用力的影響亦被研究［9］，研究中發(fā)現(xiàn)同名葉柵數(shù)量比例是影響時(shí)序效應(yīng)的一個(gè)重要因素，且時(shí)序效應(yīng)對(duì)渦輪性能的影響主要體現(xiàn)在尾跡與主流之間的摻混損失和尾跡誘導(dǎo)的邊界層轉(zhuǎn)涙損失兩方面。周斌彬等人［10］探討了軸向間距對(duì)時(shí)序效應(yīng)的影響。西安的席光等人［11-13］針對(duì)離心壓縮機(jī)展開(kāi)了數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究，進(jìn)而離心壓縮機(jī)亦存在時(shí)序效應(yīng)得到證明。鑒于此，本文重點(diǎn)分析某大型企業(yè)離心壓縮機(jī)中時(shí)序效應(yīng)對(duì)葉輪葉片非定常氣動(dòng)載荷的影響，為該型離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)及裝配提供指導(dǎo)。本文首先以某離心壓縮機(jī)機(jī)組半開(kāi)式葉輪機(jī)作為研究對(duì)象，采用非定常數(shù)值方法研究時(shí)序效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)流動(dòng)與葉片載荷的影響；然后以同企業(yè)另一臺(tái)離心壓縮機(jī)機(jī)組半開(kāi)式葉輪機(jī)作為參考研究對(duì)象，為離心壓縮機(jī)中時(shí)序效應(yīng)的作用效果進(jìn)行全面的對(duì)比與驗(yàn)證。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 幾何模型

表1展示了兩機(jī)組的結(jié)構(gòu)參數(shù)和進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉、半開(kāi)式葉輪葉片及擴(kuò)壓器葉片的葉片數(shù)量。圖1所示為離心壓縮機(jī)機(jī)組A半開(kāi)式葉輪級(jí)的幾何模型。機(jī)組B結(jié)構(gòu)與機(jī)組A類(lèi)似，但是葉型參數(shù)不同。

表1　離心壓縮機(jī)級(jí)不同機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖1　離心壓縮機(jī)機(jī)組A幾何模型圖

1.2 網(wǎng)格模型與數(shù)值計(jì)算方法

本文的數(shù)值模擬采用進(jìn)口導(dǎo)葉、葉輪葉片及出口擴(kuò)壓器的全通道的機(jī)構(gòu)化網(wǎng)格。依據(jù)數(shù)值計(jì)算要求，計(jì)算域的進(jìn)出口均做了必需的延長(zhǎng)。機(jī)組A的三維網(wǎng)格如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)為310萬(wàn)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證滿(mǎn)足數(shù)值計(jì)算精度要求。機(jī)組B的三維網(wǎng)格與機(jī)組A采用相同的結(jié)構(gòu)與精度。

圖2　機(jī)組A計(jì)算網(wǎng)格示意圖

在CFX計(jì)算平臺(tái)上采用基于k-w的SST湍流模型求解總能N-S方程進(jìn)行流動(dòng)的數(shù)值模擬。設(shè)定邊界條件，在進(jìn)口設(shè)定總溫、總壓及軸向進(jìn)氣；在出口設(shè)定質(zhì)量流量。機(jī)組A葉輪轉(zhuǎn)速5 556r/min，機(jī)組B葉輪轉(zhuǎn)速7 200r/min。設(shè)定動(dòng)靜部件的交界面算法以傳遞動(dòng)靜部件之間的數(shù)據(jù)傳遞，在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中使用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法，而在瞬態(tài)計(jì)算中則使用了滑移界面方法。非定常計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)由葉輪旋轉(zhuǎn)360°迭代512步來(lái)選取。由于本文所研究的葉片在工程運(yùn)行中于葉根處發(fā)生斷裂，而本文的目的也是著眼于給力學(xué)提供數(shù)據(jù)支持，所以對(duì)葉輪前緣葉根處一點(diǎn)以及葉輪尾緣葉根處一點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，如圖3為壓力面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意，吸力面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。本文首先針對(duì)機(jī)組A進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果為初值進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算；非定常計(jì)算七個(gè)周期以達(dá)到數(shù)值結(jié)果的相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)葉根處一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力頻譜特性達(dá)到時(shí)，即認(rèn)為非定常計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定。取穩(wěn)定后的最后一個(gè)周期的非定常計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)分析以及葉片表面載荷分析；以相同的方法進(jìn)行機(jī)組B的數(shù)值計(jì)算，以驗(yàn)證數(shù)值模型和所得結(jié)論的準(zhǔn)確性；然后將兩機(jī)組進(jìn)行對(duì)比。

圖3　葉片壓力面監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

1.3 時(shí)序位置的選取

選取如圖4所示4個(gè)時(shí)序位置作為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)4種進(jìn)口導(dǎo)葉與擴(kuò)壓器葉片的相對(duì)位置。其中，時(shí)序位置CLC0為給定擴(kuò)壓器葉片前緣沿軸向投影至進(jìn)口導(dǎo)葉通道中央的位置；時(shí)序位置CLC3為給定擴(kuò)壓器葉片前緣沿軸向投影至進(jìn)口導(dǎo)葉尾緣的位置；時(shí)序位置CLC1與時(shí)序位置CLC2等分時(shí)序位置CLC0與時(shí)序位置CLC3間的周向節(jié)距。本文針對(duì)每個(gè)時(shí)序位置分別建立模型進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算及分析。

圖4　數(shù)值計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及時(shí)序位置示意圖

圖5　10%葉高處流線(xiàn)圖

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 流場(chǎng)分析

選取非定常模擬到達(dá)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的某一個(gè)瞬態(tài)結(jié)果進(jìn)行流場(chǎng)的分析。本文所研究的葉片在工程運(yùn)行中于前緣葉根處發(fā)生斷裂，而本文的目的也是著眼于給力學(xué)提供數(shù)據(jù)支持，所以取10%葉高以重點(diǎn)研究葉根處的流動(dòng)現(xiàn)象。如圖5（a，b，c，d）為機(jī)組A四個(gè)時(shí)序位置下10%葉高處的流線(xiàn)圖。用于標(biāo)定時(shí)序位置的擴(kuò)壓器葉片與進(jìn)口導(dǎo)葉由淺色顯示。由于不同葉片排的葉片數(shù)量不等，單個(gè)靜葉片的時(shí)序位置改變會(huì)造成同列葉片排內(nèi)其余葉片與下游靜葉片間時(shí)序位置改變不同［14］，因此這里選取標(biāo)定擴(kuò)壓器所在通道進(jìn)行定性分析。由圖5所示，對(duì)比標(biāo)定擴(kuò)壓器所在通道的流線(xiàn)，時(shí)序位置CLC0表現(xiàn)出最差的流動(dòng)性能。位于擴(kuò)壓器出口處，無(wú)論壓力面?zhèn)群臀γ鎮(zhèn)染霈F(xiàn)了較大的漩渦；而在其它時(shí)序位置，標(biāo)定擴(kuò)壓器所在通道流動(dòng)較為順暢。再者，在時(shí)序位置CLC0和時(shí)序位置CLC1，標(biāo)定擴(kuò)壓器所在通道的相鄰?fù)ǖ莱霈F(xiàn)了尺寸較大的低速能團(tuán)附在相鄰擴(kuò)壓器葉片的吸力面?zhèn)龋坏退倌軋F(tuán)占據(jù)了一半以上的周向通道面積，造成了低速能團(tuán)所在通道流體的堵塞，從而導(dǎo)致流出葉輪的氣體被擠壓至低速能團(tuán)所在通道的相鄰?fù)ǖ?，進(jìn)而使標(biāo)定擴(kuò)壓器所在通道流體更充足飽滿(mǎn)且流動(dòng)更為順暢。因此不同時(shí)序位置下，標(biāo)定擴(kuò)壓器所在通道的流動(dòng)特性呈現(xiàn)出，時(shí)序位置CLC1和CLC2流動(dòng)最好，時(shí)序位置CLC3次之，時(shí)序位置CLC0最差的現(xiàn)象。

可見(jiàn)，改變離心壓縮機(jī)半開(kāi)式葉輪機(jī)的時(shí)序位置可以一定程度地改善流道中的流動(dòng)特性。但是，對(duì)于不同葉片排的葉片數(shù)量不等的情況，單個(gè)葉片通道內(nèi)流動(dòng)性能的改善并不意味著所有葉片通道內(nèi)流動(dòng)性能的提高；所以對(duì)于不同葉片排的葉片數(shù)量不等的情況，在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中最佳時(shí)序位置的選取更為復(fù)雜，不同時(shí)序位置對(duì)高速選擇的葉輪葉片的影響亦需要研究。

2.2 葉片載荷分析

為了闡述時(shí)序效應(yīng)對(duì)葉輪葉片的影響，圖6 （a，b，c，d）展示了機(jī)組A四個(gè)時(shí)序位置下葉輪葉片表面的時(shí)均靜壓系數(shù)云圖，靜壓系數(shù)定義如公式（1）。

圖6　葉輪葉片表面靜壓系數(shù)圖

如圖6所示，相較而言在時(shí)序位置CLC3，葉輪葉片吸力面?zhèn)瘸尸F(xiàn)最高的壓力梯度，Cps在0.2以下的低壓區(qū)面積較大；而不同時(shí)序位置在壓力面?zhèn)葔毫μ荻阮?lèi)似。在時(shí)序位置CLC3，流體作用在壓力面?zhèn)扰c吸力面?zhèn)鹊牟钪递^大，致使時(shí)序位置下的葉輪葉根處呈現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力，易發(fā)生斷裂事故，該時(shí)序位置形式在裝配過(guò)程中應(yīng)盡量避免。在時(shí)序位置CLC2，葉片壓力面?zhèn)瘸隹谔幊尸F(xiàn)均勻的高靜壓系數(shù)，此位置擴(kuò)壓效果最好。

2.3 壓力脈動(dòng)分析

2.3.1 機(jī)組A時(shí)域壓力脈動(dòng)

對(duì)機(jī)組A中葉輪葉片表面位于尾緣葉根處一點(diǎn)的壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不同時(shí)序位置下其時(shí)域特性如圖7所示。葉輪葉片由于受其與下游擴(kuò)壓器之間的相互干擾作用，葉輪葉片表面的壓力脈動(dòng)幅值呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)信息。且壓力振幅的最大差值在不同時(shí)序位置不同，其中時(shí)序位置CLC0下的壓力振幅的最大差值最大，最大差值達(dá)到40 000Pa，而時(shí)序位置CLC3下的壓力振幅的最大差值最小；這說(shuō)明了在時(shí)序位置CLC3下，流體流至葉片尾緣處時(shí)的流動(dòng)性能最優(yōu)，在時(shí)序位置CLC0下，流體流至葉片尾緣處時(shí)的流動(dòng)性能最差，流體波動(dòng)最劇烈。這與上文中分析相符合，由此判定，時(shí)序位置CLC0為機(jī)組A葉輪葉片設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程中應(yīng)該避免的位置。

圖7　葉輪葉片壓力面尾緣處葉根靜壓脈動(dòng)圖

對(duì)葉片表面的壓力載荷時(shí)域進(jìn)行通過(guò)傅里葉變換得到壓力載荷的頻域信息，從而分析不同時(shí)序位置對(duì)葉輪葉片非定常氣動(dòng)負(fù)荷的影響。

2.4 頻譜分析

2.4.1 機(jī)組A葉片表面的頻譜分析

由于本文所研究的兩臺(tái)機(jī)組在運(yùn)行中均發(fā)生過(guò)葉輪葉片斷裂，本文針對(duì)兩機(jī)組葉輪葉片表面的氣動(dòng)載荷頻譜特性進(jìn)行了分析。頻譜分析能夠進(jìn)行氣動(dòng)力干擾頻率的預(yù)測(cè)。對(duì)葉片動(dòng)載荷的時(shí)域信息進(jìn)行傅里葉變換得到壓力載荷的頻域信息。葉片的通過(guò)頻率與葉片數(shù)量以及轉(zhuǎn)動(dòng)頻率成正比，其能一定程度上反映動(dòng)靜干涉的作用強(qiáng)烈度。低倍頻指低數(shù)倍頻，其反映了葉片在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)在整周呈現(xiàn)的非定常特性。本文對(duì)所研究的兩臺(tái)離心壓縮機(jī)機(jī)組，選取相同的四個(gè)時(shí)序位置，并對(duì)各機(jī)組在不同時(shí)序位置下動(dòng)葉片尾緣壓力面與吸力面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜特性進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖8為在四個(gè)時(shí)序位置下，機(jī)組A葉輪葉片壓力面?zhèn)任簿壧幦~根一點(diǎn)的頻譜特性。圖8為在四個(gè)時(shí)序位置下，機(jī)組A葉輪葉片吸力面?zhèn)任簿壧幦~根一點(diǎn)的頻譜特性。

圖8　葉輪葉片壓力面尾緣處葉根頻譜特性

圖9　葉輪葉片吸力面尾緣處葉根頻譜特性圖

如圖8、圖9所示，機(jī)組A葉輪尾緣根部呈現(xiàn)出的頻譜特性中，擴(kuò)壓器通過(guò)頻率20fn的壓力幅值在時(shí)序位置CLC0下最大，相較于時(shí)序位置CLC1，CLC2，CLC3，動(dòng)靜干涉作用中擴(kuò)壓器對(duì)葉輪的作用在時(shí)序位置CLC下最強(qiáng)。20fn的壓力幅值在4 000Pa以?xún)?nèi)，此動(dòng)靜干涉中擴(kuò)壓器葉片對(duì)葉輪的反沖作用不足以產(chǎn)生破壞性的干擾，同時(shí)也并非該離心壓縮機(jī)機(jī)組中葉輪葉片斷裂事故的主要因素。

同時(shí)，低頻段3-5fn倍基頻的幅值積分在時(shí)序位置CLC0下亦最大，在周向的非定常效果最強(qiáng)。排除本身結(jié)構(gòu)不對(duì)中等因素，級(jí)內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定性較強(qiáng)，相較而言時(shí)序位置CLC0下的流動(dòng)情況最差。另外，由于半開(kāi)式葉輪頂部存在葉頂間隙，間隙產(chǎn)生的二次流加重了內(nèi)部流動(dòng)的不均勻性。綜合各種因素，3fn頻率處的動(dòng)載荷幅值達(dá)到7 000Pa如圖所示。而長(zhǎng)期運(yùn)行在這種較大的交變載荷下可能誘發(fā)葉片斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致事故。因此時(shí)序位置CLC0為機(jī)組A葉輪葉片設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程中應(yīng)該避免的位置。

2.4.2 機(jī)組B頻譜分析的驗(yàn)證

相較于時(shí)序位置CLC1，CLC2，CLC3，動(dòng)靜干涉作用中擴(kuò)壓器對(duì)葉輪的作用在時(shí)序位置CLC下最強(qiáng)。20fn的壓力幅值在4 000Pa以?xún)?nèi)，此動(dòng)靜干涉中擴(kuò)壓器葉片對(duì)葉輪的反沖作用不足以產(chǎn)生破壞性的干擾，同時(shí)也并非該離心壓縮機(jī)機(jī)組中葉輪葉片斷裂事故的主要因素。

如圖10所示，機(jī)組B葉輪尾緣根部呈現(xiàn)出的頻譜特性中，擴(kuò)壓器通過(guò)頻率20fn的壓力幅值在時(shí)序位置CLC0和CLC1下最大，相較于時(shí)序位置CLC2，CLC3，動(dòng)靜干涉作用中擴(kuò)壓器對(duì)葉輪的作用在時(shí)序位置CLC0和CLC1下最強(qiáng)。同時(shí)，低倍頻率2fn的壓力幅值在CLC0和CLC1時(shí)序位置下相對(duì)較大，說(shuō)明其內(nèi)部流動(dòng)具有較強(qiáng)的不均勻性，該兩位置下流動(dòng)情況更差。葉型結(jié)構(gòu)帶來(lái)的流動(dòng)在周向的非定常性與半開(kāi)式葉輪機(jī)特有的葉頂間隙所引發(fā)的二次流綜合導(dǎo)致了流道內(nèi)部的不均勻性，而長(zhǎng)期運(yùn)行在這種較大的交變載荷下可能誘發(fā)葉片斷裂。

機(jī)組B與機(jī)組A的現(xiàn)象雖有一定差別，但是實(shí)際的機(jī)理相同。排除一定誤差，壓力脈動(dòng)振幅最大的位置均位于或接近下游擴(kuò)壓器葉片前緣正對(duì)上游進(jìn)口導(dǎo)葉通道中央的位置，也即上游進(jìn)口導(dǎo)葉尾跡輸運(yùn)到下游擴(kuò)壓器的通道中央時(shí)的位置，這與軸流壓縮機(jī)中的時(shí)序效應(yīng)——“當(dāng)?shù)谝慌澎o子尾跡輸運(yùn)到第二排靜子的通道中央時(shí)效率最低現(xiàn)象［13］”相符合。證明了離心壓縮機(jī)中的確也存在一定的時(shí)序效應(yīng)。但是從給出的數(shù)據(jù)來(lái)看，由于時(shí)序位置不同而導(dǎo)致的幅值上的改變，與該葉片本身以及轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的脈動(dòng)幅值相比較小。即離心壓縮機(jī)中時(shí)序效應(yīng)對(duì)葉片壓力脈動(dòng)的干涉作用較小，不能是導(dǎo)致葉片斷裂事故的最主要原因。之所以不同機(jī)組會(huì)產(chǎn)生一定誤差，原因可能是機(jī)組葉片自有的特點(diǎn)，以及不同葉片排數(shù)量不等，從而造成單個(gè)葉片時(shí)序位置的改變會(huì)引起同列靜葉片排內(nèi)其余葉片與下游靜葉片間時(shí)序位置改變不同，進(jìn)而使得時(shí)序效應(yīng)對(duì)壓縮機(jī)流動(dòng)性能影響的潛能減小。

機(jī)組B的現(xiàn)象與機(jī)組A的一致性，證明了離心壓縮機(jī)中的時(shí)序效應(yīng)對(duì)流動(dòng)性能及氣動(dòng)載荷的影響對(duì)于不同機(jī)組具有一致性，同時(shí)排除了計(jì)算的誤差和偶然性。

圖10　機(jī)組B不同時(shí)序時(shí)刻葉輪葉片尾緣葉根監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)載荷分布圖

3 結(jié)論

本文利用非定常數(shù)值方法分析大型離心壓縮機(jī)機(jī)組在不同時(shí)序位置下的流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)特性以及葉輪葉片表面動(dòng)載荷特性。對(duì)比分析結(jié)果表明，大型離心壓縮機(jī)中不同時(shí)序位置會(huì)對(duì)流動(dòng)性能和葉輪葉片動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生一定影響。通過(guò)本文結(jié)論可以指導(dǎo)離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。同時(shí)本文通過(guò)對(duì)兩臺(tái)不同機(jī)組的頻域分析，得到離心壓縮機(jī)內(nèi)部流動(dòng)中葉輪葉片的主要干擾頻率——葉片通過(guò)頻率以及低倍頻的分布，進(jìn)而為葉輪葉片后續(xù)的強(qiáng)度分析提供數(shù)值支持。不同機(jī)組得到的頻譜特性的一致性證明了離心壓縮機(jī)中的時(shí)序效應(yīng)對(duì)流動(dòng)性能及氣動(dòng)載荷的影響具有真實(shí)性，同時(shí)排除了計(jì)算的誤差和偶然性。

1）時(shí)序效應(yīng)被廣泛研究于軸流式透平機(jī)械中，而其在離心壓縮機(jī)中的影響及改善性能的潛能亦不可忽視。本文研究了離心壓縮機(jī)機(jī)組A中四個(gè)不同時(shí)序位置下流道中的流動(dòng)性能以及葉輪葉片的載荷特性，發(fā)現(xiàn)時(shí)序位置CLC0下葉輪葉片氣動(dòng)負(fù)荷波動(dòng)最劇烈，相應(yīng)的流動(dòng)性能最差。后又研究了離心壓縮機(jī)機(jī)組B中四個(gè)時(shí)序位置下的葉輪葉片頻譜特性作為驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)對(duì)于機(jī)組B，時(shí)序位置時(shí)序位置CLC0和CLC1下葉輪葉片氣動(dòng)負(fù)荷特性最差。在今后兩種型號(hào)的離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)應(yīng)考慮避開(kāi)這些位置。

2）交變載荷作用下的離心壓縮機(jī)機(jī)組葉片會(huì)發(fā)生疲勞破壞，本文所研究的半開(kāi)式葉輪機(jī)獨(dú)有的葉頂間隙會(huì)產(chǎn)生一系列二次流，可能會(huì)引發(fā)葉輪葉片載荷的復(fù)雜變化還有待研究；綜合所有非定常因素對(duì)葉片表面載荷的影響是否會(huì)導(dǎo)致葉片斷裂事故還有待進(jìn)一步的力學(xué)驗(yàn)證。

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Clocking Effect on the Unsteady Aerodynam ic Loading on the Blade in the CentrifugalCom pressor

Hao Mu-ting，Xie Rong/School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology，Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation ofMinistry ofEducation
Guan Liang/China Aerospace Science and Technology Corporation

By solving the three dimensional density-based Reynolds time-averaged N-S equations，the numerical simulations for the transient flow of impeller blade passages in different centrifugal compressor units are conducted.The distribution of internal flow and aerodynamic load on the impeller blade surfaces of different units is obtained.The dynamic load characteristics of impeller blade surfaces are transformed by Fourier transformation，ation and then the difference of the aerodynamic load on the impeller blade surfaces due to different clocking positions is analyzed.Numerical simulation results show that the clocking effect on the aerodynamic load cannot be ignored. Appropriate clocking positions have the potential to improve the performance of compressor stages.Meanwhile，the main reason for fatigue failure in compressor impellers is the aerodynamic load.The clocking effecton frequency characteristics from differentunitsshows this consistently. Key words：centrifugal compressor；clocking effect；transient flow；numerical simulation； aerodynamic load； blade damage

TH452；TK05

A

1006-8155（2016）01-0015-08

10.16492/j.fjjs.2016.01.0076

2015-05-06 遼寧 大連 116024

*本文其他作者：郝苜婷 謝 蓉/海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室