馬廣義，楊志春，伍文君

（1.青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東 青島266001；2.海軍駐438廠軍事代表室，湖北 武漢430064；3.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢430032）

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葉頂間隙對多級軸流式壓氣機(jī)氣動性能影響研究

馬廣義1，楊志春2，伍文君3

（1.青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東 青島266001；2.海軍駐438廠軍事代表室，湖北 武漢430064；3.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢430032）

摘要：對某多級軸流式壓氣機(jī)中兩級靜葉和一級動葉進(jìn)行全三維的CFD數(shù)值模擬。通過對不同動葉葉頂間隙值的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，探究了軸流式壓氣機(jī)的動葉葉頂間隙變化時對軸流式壓氣機(jī)的氣動熱力性能的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)的滯止效率、壓比、質(zhì)量流量等性能參數(shù)，隨著動葉間隙的增大均呈明顯的下降。同一葉高處的間隙內(nèi)部，隨著葉頂間隙的增大，頂部間隙內(nèi)的流場變得劇烈，尤其是通道的中部；通過對間隙內(nèi)部熵增的詳細(xì)分析，獲取了間隙泄漏損失的分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：多級軸流式壓氣機(jī)；葉頂間隙；氣動特性；CFD數(shù)值試驗(yàn)

葉片頂部與機(jī)匣內(nèi)表面間隙的存在，在葉背和葉腹壓力差作用下，少量的氣流會越過葉頂間隙變成葉頂泄漏流。泄漏流會擾動主流場，導(dǎo)致?lián)p失增加，據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，泄漏流產(chǎn)生的損失可占到壓氣機(jī)氣動熱力總損失的三分之一。對壓氣機(jī)的效率和喘振有很大的影響，如堵塞主流區(qū)，使主流區(qū)的氣動參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值。當(dāng)偏離較多時，甚至使級間的匹配特性變差，壓氣機(jī)整體性能受到較大影響。開展壓氣機(jī)葉片葉頂間隙對壓氣機(jī)性能的影響研究是提高現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)熱效率、穩(wěn)定性和壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。

Storer和CumPsty［1］發(fā)現(xiàn)環(huán)端壁面的最小壓力點(diǎn)就是葉片葉頂間隙渦源。Kang與Hirsch［2-4］提出了葉頂間隙附近有三種渦：三渦、間隙渦、分離渦。Brandt［5］等實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口邊界層厚度的增加將會使葉片葉頂間隙渦源前移，且惡化了壓氣機(jī)運(yùn)行的氣動穩(wěn)定范圍。王祥鋒等［6］葉頂間隙變化對多級壓氣機(jī)性能影響的數(shù)值研究。

由于壓氣機(jī)長期運(yùn)行中動葉葉頂在磨損作用下，其間隙量可能存在變化，本文研究不同葉頂間隙量對軸流式壓氣機(jī)的氣動熱力性能的規(guī)律。

1　湍流模型

湍流模型主要有兩種模型：單方程模型和雙方程模型。Spalart-Allmaras為單方程模型，不僅具有計(jì)算速度快，還具有穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，在葉輪機(jī)械中應(yīng)用較為廣泛。

式中：v為湍流運(yùn)動粘度；Gv為湍流粘度的增加項(xiàng)；Yv為湍流粘度的減少項(xiàng)；v為分子運(yùn)動粘度；sv為用戶自定義源項(xiàng)；d為到壁面的距離。

2　CFD數(shù)值仿真

2.1研究對象

本文選取研究對象是多級軸流式壓氣機(jī)的第一、第一級動葉、第二級靜葉。如圖1所示為研究對象所在位置。

圖1　某型多級軸流式壓氣機(jī)示意圖

壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)：前靜葉38片，后靜葉40片，葉頂間隙為默認(rèn)值。動葉25片，轉(zhuǎn)速15 000 rpm，葉頂間隙分別取3 mm～10 mm.

2.2邊界條件及流場計(jì)算

為了對定常的全三維流場進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，本文在Numeca軟件數(shù)學(xué)模型選擇Turbulent Navier-Stoker方程組，湍流模型設(shè)定為Spalart-Allmaras方程。

邊界條件：總溫288 K，軸向進(jìn)氣，進(jìn)口總壓0.101 325 MPa，；出口的靜壓106 000 Pa，半徑0.13 m；無滑移絕熱邊界。初始條件：進(jìn)口的估計(jì)靜壓90 000 Pa，轉(zhuǎn)子/靜子分界面1（ID10）估計(jì)靜壓85 000 Pa，轉(zhuǎn)子/靜子分界面2（ID20）估計(jì)靜壓100 000 Pa.

本文采用二階迎風(fēng)格式，結(jié)合當(dāng)?shù)貢r間步長和三重網(wǎng)格循環(huán)技術(shù)來加速計(jì)算收斂速度，取允許最大時間步長的收斂條件控制參數(shù)CFL=3，時間項(xiàng)的離散采用顯式的龍格-庫塔法，交界面采用混合平面法。

如圖2所示為網(wǎng)格劃分三維圖，從氣流從入口到出口的過程中（由于受到計(jì)算機(jī)硬件的限制，只是對研究對象的單通道進(jìn)行研究，而沒有對全通道進(jìn)行模擬），在葉片附近尤其是葉頂，葉根部位的網(wǎng)格比較密，對葉片表面的邊界層相應(yīng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密。

圖2　葉片壁面的網(wǎng)格劃分

不同間隙的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)均在200萬左右。為了使結(jié)果更具說服力，所有間隙條件下嚴(yán)格按照同樣的步驟，設(shè)置相同的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

設(shè)定計(jì)算最大步為400，收斂判別準(zhǔn)則為1.E-6，數(shù)值為單精度。通過Numeca軟件求解離散方程，獲得近似的流動參數(shù)。從計(jì)算的結(jié)果進(jìn)出口流量的誤差為0.002%，在允許范圍（誤差小于±0.5%即視為收斂）之內(nèi)，穩(wěn)定收斂。

3　葉頂間隙泄漏的流場分析

頂部間隙對流場的擾動是非常明顯的，如圖3所示葉頂間隙泄漏流的局部圖。從中可以發(fā)現(xiàn)3 mm～7 mm的葉柵的吸力面已經(jīng)開始形成渦流，但還不劇烈。葉頂間隙增加到10 mm時渦流的已經(jīng)形成劇烈的泄漏渦，這將對壓氣機(jī)內(nèi)部流場的產(chǎn)生很大的影響。

圖3　葉頂間隙泄漏流的局部圖

為了進(jìn)一步分析頂部間隙泄漏對內(nèi)部流場的影響，本文選取熵增這個參數(shù)來分析。

3.199.8%葉高截面上的熵增分布

如圖4所示為99.8%葉高截面即間隙內(nèi)部的熵增等值線圖，由于只是改變動葉的葉頂間隙，動葉入口的熵增基本沒有變化。在距離葉片端部1/3處的通道附近，熵增變化的異常劇烈，說明泄漏流主要在此位置與通道內(nèi)氣流發(fā)生慘混，引起熵增。在間隙為3 mm時，泄漏引起的熵增約僅僅在吸力面附近。隨著間隙的變大，程度變強(qiáng)，范圍變大。當(dāng)徑向間隙達(dá)到10 mm，泄漏引起的熵增約已經(jīng)完全擴(kuò)展到相鄰葉片的壓力面，說明泄漏的擾動已經(jīng)到穿過通道影響到相鄰葉片的壓力面了，擴(kuò)展到整個機(jī)匣。如此強(qiáng)烈的泄漏流必將使下一排的葉片進(jìn)氣角發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，即對級間的匹配特性變差。而在距離葉片端部2/3處的熵增分布普遍比較均勻，說明泄漏流和主流摻混基本完成，此時，主流場的熵值相對比較均勻。

圖4　不同間隙值下99.8%葉高處熵增等值線圖

3.2不同軸向弦長處的熵增分布

如圖5所示，截取了4個不同軸向弦長處（25%、50%、75%、100%）的通道截面來研究葉頂泄漏流的熵增分布。

圖5　不同通道截面（沿軸向弦長）的選取位置

圖6和圖7分別顯示了3 mm和10 mm間隙的動葉的葉頂泄漏渦導(dǎo)致的熵增分布，其中壓力面為左側(cè)，吸力面為右側(cè)。從3 mm與10 mm熵增分布圖中，發(fā)現(xiàn)熵增最大影響范圍在3/4弦長附近，熵增最劇烈的位置均在1/2弦長附近。從圖7中，發(fā)現(xiàn)在3 mm動葉葉頂間隙時，大部分分布在上機(jī)匣附近，影響的最大處高度約為葉片高的2.8%，熵增的數(shù)值與范圍均較小，大體沒有影響到主流流動。隨著間隙的變大，熵增數(shù)值顯著變大，同時熵增在軸向上的范圍也明顯增大。到10 mm葉頂間隙時，最大熵增的位置已經(jīng)約為8.2%葉高，對主流造成了干擾，基本上分布于整個通道。

圖7　間隙10mm時不同通道界面的熵增等直線分布圖

4　葉頂間隙變化對壓氣機(jī)性能影響

隨著間隙的變大，壓氣機(jī)的滯止效率、質(zhì)量流量和壓比均變小。本文的數(shù)值計(jì)算的結(jié)果如表1所示。

表1　不同葉頂間隙效率，壓比，質(zhì)量流量的變化

從沿葉高方向的滯止效率與總壓比的分布來分析動葉葉頂間隙對壓氣機(jī)性能影響。

如圖8所示，在25%到65%葉高之間隨著葉頂間隙的增大，滯止效率變大，在65%葉高以上隨著葉頂間隙的變大，滯止效率反而降低，且越接近葉頂效率下降越大。這主要是由于流動阻塞，間隙的泄漏損失造成的。

圖8　沿葉高方向不同葉頂間隙壓比變化

如圖9所示，隨著間隙的增加，總壓比隨著葉頂間隙值的增加降低，尤其是在65%葉高以上更為明顯，動葉葉頂區(qū)域的影響還是比較大的。由于存在其他的因素影響的總壓，對滯止效率和總壓比的影響范圍和規(guī)律是有區(qū)別的。

圖9　不同葉頂間隙下從葉根到葉頂?shù)臏剐实淖兓€

5　結(jié)束語

本文采用CFD數(shù)值計(jì)算技術(shù)對壓氣機(jī)的動葉葉頂間隙對氣動性能的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算與數(shù)值分析。結(jié)論如下：

（1）壓氣機(jī)的效率、壓比、質(zhì)量流量等主要參數(shù)，隨著動葉葉頂間隙的增大而下降，流動損失增大，對壓氣機(jī)總體性能影響很大。

（2）在同一間隙下，頂部間隙內(nèi)弦長方向上熵增強(qiáng)度發(fā)生變化，熵增最大均約在1/2弦長處。而隨著間隙的增加，熵增數(shù)值變大，范圍變廣，在間隙為10 mm時，熵增最大位置已達(dá)到約葉高的1/10.

參考文獻(xiàn)：

［1］Storer，J A，CumPsty N A．Tip-Leakage in Axial ComPressors ［J］．ASME Journal of Tubomachinery，1991，113（2）：252-259．

［2］Kang S，Hisrch C．Experimental Study on the Three-Dimen sional Flow Within a ComPressor Casacade With Tip Clearance：Partl-Velocity and Pressure Fields［J］．ASME Journal of Turbomachinery，1993，115（3）:435-443．

［3］Kang S，Hisrch C．Experimental Study on the Three-Dimens ional Flow Within a Compressor Casacade With Tip Clearance: PartII-TheTipLeakageVortex［J］．ASMEJournalof Turbomachinery，1993，115（3）:445-452．

［4］Kang S，Hisrhc C．Tip Leakage Flow in Linear Compressor Casacde［J］．ASME Journal of Turborachinery，1994，116（4）: 657-664．

［5］Brandt H，F(xiàn)ottner L，Saathoff H，et al.Effects of the Inlet Flow Conditions on the Tip Clearance Flow of an Isolated Compressor Rotor［C］．2002，ASME Paper GT-2002-30639．

［6］王祥鋒，王松濤，韓萬金.葉頂間隙變化對多級壓氣機(jī)性能影響的數(shù)值研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（1）：83-85．

Effect of Tip Clearance on Aerodynamic Performance of Multi Stage Axial Flow Compressor

MA Guang-yi1，YANG Zhi-chun2，WU Wen-jun3
（1.Qingdao Area Equipment Maintenance Supervisor Department，Qingdao Shandong 266001，China；2.Military Representative Office of Navy in the 438 Factory，Wuhan Hubei 430064 China；3.School of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan Hubei 430032，China）

Abstract：A full three-dimensional numerical simulation of CFD in a multistage axial flow compressor with two stage stator and rotor blades is carried out.By comparing the calculation results of different dynamic blade tip clearance values，the law of the aerodynamic performance of axial flow compressor with tip clearance of axial flow compressor was analyzed.The study found that the stagnation of compressor efficiency，pressure ratio，mass flow rate and other performance parameters，with the increase of blade clearance was significantly decreased.Same leaf height of internal clearance，with increase of the tip clearance，clearance between the top of the flow field become intense，especially in the central channel；through detailed analysis of internal clearance of entropy increase，access to the clearance leakage loss distribution.

Key words：multistage axial flow compressor tip clearance；aerodynamic；characteristics；CFD numerical test

中圖分類號：TK47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0017-04

收稿日期：2015-12-01

作者簡介：馬廣義（1980-），男，遼寧普蘭店人，碩士研究生，主要專業(yè)方向?yàn)榕灤瑒恿こ獭?/p>