劉海旭，馮永志，任利

(1.哈電發(fā)電設備工程研究中心有限公司，哈爾濱150046；2.中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司，北京100000）

0 引言

現代壓氣機的設計趨向于較高的壓比和效率、更少的級數和更寬廣的工作范圍，這對葉片內部氣體流動過程提出了更高的要求。葉尖間隙是影響壓氣機性能的關鍵因素，葉尖區(qū)域的流動非常復雜，尤其是跨音速壓氣機中還存在激波與附面層相互干擾現象[1]。

國內外學者針對葉尖間隙對壓氣機性能的影響進行了多年的研究與探索。1996 年Foley 等[2]針對一個多級軸流壓氣機中的一級進行了實驗研究，結果表明葉尖間隙的變化改變了葉尖載荷的分布，同時還觀察到葉尖泄漏渦在轉子下游與尾跡相互摻混。王子登等[3]對某六級高壓壓氣機進行全三維數值模擬，發(fā)現葉尖間隙的增大造成壓比下降的主要原因是由于間隙流的影響，削弱了通道激波的強度，使得葉片的擴壓能力下降。Schlechtriem[4]通過對跨音速軸流壓氣機的研究，發(fā)現葉尖泄漏渦在通過通道激波時發(fā)生破碎，進而引起壓氣機轉子的失速。Furukawa[5]對一臺低速軸流壓氣機研究同樣發(fā)現，在近失速工況下葉尖泄漏渦也發(fā)生了破碎。葉尖泄漏渦的破碎使葉片通道中產生了大范圍的堵塞而引發(fā)失速。

本文以某軸流壓氣機的跨音級為研究對象，首先分析了轉子葉尖間隙為1.5 mm 條件下設計點、近失速點葉尖泄漏渦的產生、發(fā)展及激波與葉尖泄漏渦相互干擾現象，在此基礎上探討了不同的間隙值對葉尖間隙流場的影響，為高性能壓氣機氣動優(yōu)化設計提供了參考依據。

1 研究對象與數值方法

選取某壓氣機進口跨音級共3 排葉片，進口導流葉片（IGV）、一級動葉（R1）、一級靜葉（S1），計算模型如圖1所示，動葉葉尖間隙范圍為0～ 2.9 mm，涵蓋了典型葉尖間隙值。計算主流網格拓撲結構采用O4H 形，葉尖間隙采用O-H 蝶形網格，根據氣流流動情況在葉片表面、輪轂、機匣面皆進行局部加密，確保固壁的無量綱網格y+小于10。網格無關性驗證后，本文計算選取的網格量為380 W。

數值模擬采用CFD 軟件NUMECA，求解三維定常雷諾平均N-S 方程，湍流模型選用一方程Spalart-Allmaras模型。空間離散選用二階精度迎風差分格式，時間推進采用四階Runge-Kutta 法，同時采用多重網格技術和隱式殘差均化加速收斂。進口給定總溫、總壓，出口給定背壓，周向采用周期性邊界條件，固壁采用絕熱無滑移邊界條件，轉/靜葉交界面采用混合平面法進行處理。

2 轉子內部流場分析

圖1 計算模型

間隙流動是由葉盆和葉背的壓力差引起的，圖2 給出了設計點和近失速點工況下98%葉高靜壓的分布，圖中深色線分別標示了間隙泄漏渦的軌跡和激波的位置。在強大的壓差作用下，流體從葉頂前緣間隙中流出，與主流相互作用卷吸形成葉尖泄漏渦，這條泄漏渦以直線形式存在。對比兩個工況，在激波上游，間隙泄漏渦在葉尖流場中的位置及與弦長的夾角基本不變，Hoeger 等[6]研究跨音速壓氣機葉頂間隙的流動也得到了同樣的結論，這是跨音速壓氣機葉尖泄漏渦的一個顯著特征。但近失速點的激波位置更靠近上游，且泄漏渦強度明顯高于設計點工況。間隙泄漏渦向下游的運動過程中會與激波相互作用，迫使激波發(fā)生彎曲，由于近失速點泄漏渦的強度更大，激波彎曲的程度也更大。

圖3 為葉頂附近流動損失沿通道的發(fā)展，采用熵值表示流場的損失，圖中標示了間隙泄漏渦的運行軌跡。泄漏渦在向下游輸運的過程中，沿著直線方向向下游運動的同時，會逐漸向周向遷移，這與圖4 的結果一致。由于激波與泄漏渦的相互作用，泄漏渦經過激波后，其運行軌跡不再沿著直線，而是向葉片的弦向偏轉。對比發(fā)現，近失速點高熵流體的影響范圍更廣，說明間隙泄漏渦的強度比設計點大。

圖2 99%葉高靜壓分布

圖3 熵的發(fā)展與遷移

3 間隙大小對轉子內部流場的影響

為了分析間隙大小對轉子葉高范圍的影響，選取了3 種間隙0 mm（無葉尖間隙）、1.5 mm、2.9 mm下轉子出口相對總壓沿葉高的分布。如圖4所示，葉頂附近相對總壓隨著間隙的增大而減小，間隙為1.5 mm 時，95%葉高以下的部分沒有受到影響，當間隙達到2.9 mm 時，影響范圍擴展到了葉高的10%。90%葉高以下部分相對總壓幾乎不變，說明間隙流對葉根和葉中的影響較小。

圖4 轉子出口相對總壓沿葉高的分布

圖5 給出了無葉尖間隙（0 mm）和有葉尖間隙（2.9 mm）時，98%葉高的靜壓分布。無葉尖間隙時，通道內形成一道很強的正激波，一直延伸到相鄰葉片吸力面70%弦長位置。葉頂間隙為2.9 mm 時，葉尖泄漏渦穿過激波，使激波發(fā)生彎曲。對比二者可發(fā)現有葉尖間隙時的靜壓值明顯比無葉尖間隙時低，恰好說明了間隙渦的存在削弱了激波的強度，降低了葉片的擴壓能力。因此，在跨音級壓氣機中，激波與葉尖泄漏流相互作用，對葉柵通道主流區(qū)的流場有很大的影響，同時也會嚴重影響激波的結構和強度。

圖5 99%葉高轉子靜壓分布

圖6 轉子60%弦長位置S3 流面速度分布

圖6 為轉子不同葉尖間隙(1.5、2.9 mm)在60%弦長位置S3 流面的速度分布。葉尖間隙1.5 mm 時，轉子葉尖會產生由葉盆流向葉背的間隙流，隨著間隙的增加，間隙流的能量也會逐漸增大，進而發(fā)展成葉尖泄漏渦。如圖6（b）所示，間隙流的橫向速度非常大，葉頂附近的橫向氣流與主流發(fā)生摻混，增大了氣動損失的同時，對氣流的流動也造成了堵塞，可以發(fā)現2.9 mm 間隙時橫向氣流對主流區(qū)域的影響范圍更大。

由以上分析可知，當壓氣機轉子葉尖間隙逐漸增大時，間隙泄漏流能量增加，同時可能形成葉尖泄漏渦。那么是否葉尖間隙的存在一定會產生間隙泄漏渦？Lakshminarayana[7]認為影響泄漏渦產生的因素有很多，如入口湍流度、端壁附面層厚度、葉尖線速度大小、葉尖載荷大小、葉尖間隙大小、主流與泄漏流間的速度差等都會對葉頂間隙的流動產生影響。

圖7 為轉子不同葉尖間隙下（0.3 mm、1.5 mm、2.9 mm）15%弦長擬S3 流面靜壓和速度矢量分布。如圖7（a）所示，0.3 mm 間隙時，在壓差的驅動下，葉尖射流流過葉尖后并沒有形成泄漏渦，而是與主流迅速摻混，產生強烈的剪切流。間隙增加至1.5 mm 時，泄漏流的能量也逐漸增大，在葉頂附近形成一個低壓區(qū)，此低壓區(qū)即為泄漏渦的渦核中心。當間隙達到2.9 mm 時（如圖7（c）），低壓區(qū)向主流發(fā)展的同時沿周向擴展，說明隨著間隙的增大泄漏渦的尺寸和影響范圍逐漸擴大，強度也越來越大。

綜上分析，小的葉尖間隙（0.3 mm）不一定能形成葉尖泄漏渦，當葉尖間隙增大到一定值時才會形成，且隨著葉尖間隙的增大泄漏渦的強度、尺寸和影響范圍也是逐漸增加的。

4 結語

本文以某軸流壓氣機跨音級為研究對象，對比分析了設計點和近失速工況下葉尖泄漏渦的發(fā)展規(guī)律，探討了不同的葉尖間隙值對轉子間隙流場的影響，結論如下：

圖7 15%弦長擬S3 流面靜壓和速度矢量分布

1）對比設計點和近失速工況，激波上游間隙泄漏渦在流場中的位置及其與葉片弦長的夾角基本不變，間隙泄漏渦向下游的運動過程中與激波相互作用，迫使激波發(fā)生彎曲，且近失速工況下激波彎曲的程度更大。

2）泄漏渦穿過激波后，其運行軌跡不再沿著直線，而是向葉片的弦向偏轉，近失速工況下間隙泄漏渦的強度比設計工況大。

3）當葉尖間隙增加時，葉尖泄漏渦的強度也逐漸增大，會影響激波的結構和強度，降低了葉片的擴壓能力。

4）葉尖間隙較小時，泄漏流不會發(fā)展成泄漏渦，當間隙大到一定值時才會發(fā)展成葉尖泄漏渦，且隨著葉尖間隙的增大，泄漏渦的強度、尺寸和影響范圍也是逐漸增加的。