叶顶间隙对轴流压气机性能及流场的影响

孙海鸥，叶 楠，王纪达，宫 宇，王忠义

（1.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨150001；2.南京汽轮电机(集团)有限公司，南京210037；3.环境保护部核与辐射安全中心，北京100082）

叶顶间隙对轴流压气机性能及流场的影响

孙海鸥1，叶 楠1，王纪达2，宫 宇3，王忠义1

（1.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨150001；2.南京汽轮电机(集团)有限公司，南京210037；3.环境保护部核与辐射安全中心，北京100082）

针对由磨损、机械损伤等因素造成的动叶叶顶间隙变化对压气机性能的影响，以某已知参数的1.5级压气机为研究对象，采用NUMECA软件分别对不同大小的均匀及非均匀间隙情况进行了数值模拟。通过改变背压条件，设定均匀及非均匀情况下不同的叶顶间隙值，模拟了变工况下压气机的气动性能，绘制了压气机流量特性线；同时分析了不同叶顶间隙对内部流场及流动的影响。数值模拟结果表明：动叶叶顶间隙增大时压气机的效率、压比等出现了衰退，且不同间隙情况对性能衰退程度的影响也不同，这对压气机非设计工况下的性能预测具有一定的参考价值。

轴流压气机；叶顶间隙；性能；流场；数值模拟；航空发动机；效率

0 引言

压气机作为燃气轮机的主要部件，对总体性能有重要的影响，而叶顶间隙是造成压气机内部流动损失的重要因素。在压气机工作过程中，腐蚀、磨蚀、机械损伤、热负荷等因素会造成叶顶间隙增大，由叶片前、后面压差驱动的间隙流动增强，从而导致泄漏损失增大[1-2]。泄漏流动对压气机气动性能有显著影响，马文生等的研究表明，叶顶间隙增加1%，压气机流量减少约1%，效率减小约1.3%[3]。所以对叶顶间隙的研究一直是叶轮机械领域研究的热点，研究者采用不同方法取得了很多成果[4]。

Kang S.等通过流场可视化技术和5孔探针对压气机叶栅叶顶间隙进行了试验研究，并结合数值方法给出了间隙泄漏涡的结构[5]；Mark P.W.等应用3D PIV设备测量轴流压气机叶顶间隙流动，得到了在设计工况和近失速工况下叶顶间隙涡的空间尺度和位置[6]；Young-Seok Kang等考察了轴流压气机叶片排由于旋转轴与机匣中心偏离时产生非均匀叶顶间隙的流场特性；蒋永松等运用数值方法对高压风扇转子进行研究，指出叶尖附面层和泄漏涡对转子失速有直接影响[7-8]；Kazutoyo Yamada等通过试验和数值模拟方法阐述了叶顶间隙对轴流压气机转子失速开始和形成历程以及涡结构[9]；Zhong Jingjun等在压气机叶栅动叶叶顶加翅片，改变叶顶间隙，减弱了叶顶间隙涡的强度，并模拟了内部气动流场[10]；邓向阳等采用数值模拟方法研究了非定常叶顶间隙流的流动特征和频率特性，指出叶顶泄漏涡的非定常波动为其瞬态空间位置、尺度和形态的周期性变化[11]；王祥锋等采用商用软件对多级轴流压气机进行数值模拟，得出间隙增大时压气机的流量、效率和压比等都明显下降[12]。由于受叶顶间隙的空间和测试方法的限制，难以通过试验得到准确的间隙流动特性，目前多数研究都围绕数值模拟方法进行[13]。

本文对已知参数的1.5级轴流压气机进行数值模拟研究，分别考察不同叶顶间隙条件下的压气机流场和性能。

1 压气机和间隙模型

以某型等外径设计的，由进口导叶、动叶和静叶3排叶片组成的1.5级轴流压气机为研究对象，其3维通道模型如图1所示，相关设计参数见表1[14]。

图1 压气机3维通道模型

表1 压气机设计参数

在压气机实际运行过程中，由磨损或机械损伤等原因导致叶顶间隙变大。压气机模型数据以各截面型线控制点坐标和轮毂机匣控制线的形式保存在Autogrid（NUMECA网格处理工具）的数据编译文件Geomturbo中，为改变叶顶间隙值提供了方便[15]。本文研究叶顶间隙变化导致的影响，设置了3种间隙变化模型，并通过改变动叶高度确定不同的间隙变化值，具体情况分别如图2所示，并见表2。原型压气机的设计间隙为1%动叶叶顶弦长，以相对值给出。

图2 间隙变化方案

表2 动叶叶顶间隙值设定方案

2 数值及模型验证

式中：T0=291.15 K；C为Sutherland常数，对空气取C=120 K；μ0=1.827×10-5Pa·s，为 T0温度下的空气黏性系数。

2.1 网格划分

考虑计算效率和数值精度的要求，选取单叶片通道的周向边界应用周期条件作为计算域模型。采用结构化网格工具NUMECA前处理软件Autogrid5进行网格划分，在进、出口段以H型划分，叶片周围以O型划分，动叶顶部间隙以蝶形划分，全计算域网格数目为186万。压气机单叶片通道模型网格和hub面网格划分及局部放大分别如图3、4所示。

NUMECA软件是应用于叶轮机械流动的CFD求解器，采用有限体积法对控制方程进行离散求解。湍流模型选用加强型壁面函数的k-ε模型，工质为理想气体，黏性系数μ受温度的影响，由工程上常用的Sutherland方程得出

图3 压气机单叶片通道模型网格

图4 压气机hub面网格划分及局部放大

2.2 边界条件

进口轴向进气，给定总温为303K，总压为100825Pa；出口为压力出口，给定静压，并通过调节数值模拟不同工况点及逼近数值边界点；壁面绝热，无滑移，且给定动叶表面等效粗糙度k0=ks/30=1.0×10-7。

所有计算的收敛标准为计算残差小于10-6，进出口流量、轴向力等稳定或呈小范围周期性变化，在额定转速及部分转速工况下调节出口压力，取数值发散前的最后收敛解作为边界点，即为喘振边界点和堵塞流量点。

2.3 模型验证

取压气机设计参数作为边界值，在满工况额定转速下进行数值计算，将得到的压比和效率分别与设计值和试验值进行对比，见表3。

表3 模拟结果与设计值和试验值的比较

从表3中可见，数值模拟得到的压比、效率的最大相对误差分别为1.77%、1.01%，这在工程上是可以接受的，因此所建立的数值计算模型是可信的。

3 数值模拟结果及分析

3.1 间隙增大对压气机性能的影响

首先在满工况额定转速下对以上设定间隙条件下的压气机进行数值计算，并且通过逐渐增大背压的方法逼近数值边界点，绘制不同背压即不同流量下的效率或压比变化的曲线，这样即可得到相应间隙条件下的压气机工作特性曲线（分别如图5～7所示），对比分析不同间隙条件下的压气机工作特性参数。

图5 均匀间隙条件下的压气机工作特性曲线

图6 渐增间隙条件下的压气机工作特性曲线

图7 渐减间隙条件下的压气机工作特性曲线

从图5～7中可见，在相同流量条件下，动叶顶部间隙增大，对应的效率和压比都降低，即压气机工作特性曲线整体下移；同时随着流量增加，间隙增大导致的压气机性能曲线下移的趋势减弱，即压气机对于间隙变化产生的衰退减弱。在额定流量条件下，对于均匀间隙，间隙值增大1倍即1%弦长时，效率、压比分别降低0.57%、0.17%左右；对于渐增间隙，间隙值增大1倍时，效率、压比分别降低0.67%、0.17%左右；对于渐减间隙，间隙值增大1倍时，效率、压比分别降低0.54%、0.17%左右。由此可见，对于单级增压的压气机来说，叶顶间隙增大对压比和效率的影响是可观的，而且如图2（c）所示的渐减间隙类型对间隙变化的响应较小。为了更准确地展示不同间隙类型所带给压气机总体性能的变化；同时把均匀间隙1%c、2%c，渐增间隙1%c～2%c及渐减间隙2%c～1%c绘入同一图中。类似地，其他3组也作同样处理，仅给出流量-效率特性，如图8所示。

从图8中可见，由于渐增或渐减间隙的变化是线性的，取具有相等间隙平均值的情况与均匀间隙进行对比，得出间隙值越大，效率越低。而对比渐增或渐减间隙类型，具有相等平均值时，渐减间隙对应的曲线在下方，表明效率衰退得更多。

3.2 间隙变化对压气机内部流场的影响

图8 不同间隙类型对压气机总体性能的影响

在100%转速下，设定背压为109000 Pa（对应图5中流量轴右数第10点），分别对不同间隙情况进行数值计算，选取压气机内部流场的部分参数进行对比分析，考察间隙变化对压气机内部流场的影响。均匀间隙不同数值对应的压气机叶尖部分流场分布如图9所示。包括流线、沿轴向等弦长截面相对速度大小分布以及空间内低速区等值面。其中，低速区等值面是自定义的，设定相对速度小于50m/s的区域。

图9 不同均匀间隙值对应的流场分布（100%转速、背压为109000 Pa）

在100%转速、背压为109000 Pa条件下，不同均匀间隙值对应的流场熵分布如图10所示。从图10中可见，由于间隙流动，在叶尖流场内存在熵增的区域，该区域沿弦长方向向主流扩散，是间隙泄漏流与叶片通道主流掺混的结果，而且其主要空间位置在叶片通道中间50%～90%弦长范围内。与图9对比，漩涡产生和发展的区域正是熵分布（即熵增）最大的区域，是造成间隙流动损失的主要原因。

图10 不同均匀间隙值对应的流场熵分布（100%转速、背压为109000 Pa）

对于渐增和渐减间隙，同样在100%转速下，设定背压为109000 Pa（对应图6、7中流量轴右数第10点），进行了一系列数值计算。不同间隙值对应的压气机叶尖部分流场分布如图11所示。包括流线、沿轴向等弦长截面相对速度大小分布以及空间内低速区等值面。

图11 不同间隙值对应的流场分布（100%转速、背压为109000Pa）

从图11中可见，与均匀间隙下类似的规律，叶尖流动相对速度沿周向逐渐减小，在叶尖前缘吸力面附近形成间隙泄漏涡；间隙值增大时，间隙流动增强，与叶片通道主流的掺混增强，直至漩涡低速区出现且发展扩散；同时通过对比非均匀间隙下渐增和渐减间隙的情况可见，与具有相等间隙平均值条件下，在渐减间隙下的间隙流动更强烈，对通道主流的影响也更大，这与图8中不同间隙的总体性能有对应关系。主要体现在间隙流对通道主流特别是自叶尖前缘发展的流动的裹挟作用更大，流线更紊乱；同时漩涡低速区（涡核）的形成提前。这是由于叶片前缘相对速度较大，通道主流和间隙流动均更强烈。对于渐减间隙，叶片前半部分间隙大，间隙流动相对更强烈，对主流造成的影响也越大。

4 结论

针对某型1.5级轴流压气机进行数值模拟研究，考察叶顶间隙变化对压气机的影响，得到如下主要结论：

（1）在相同流量条件下，间隙增大，压气机效率和压比都降低，对应的压气机流量-效率及流量-压比特性线均整体下移。在额定流量条件下，间隙值增加1%弦长时，效率、压比分别降低0.6%、0.17%。

（2）对于叶顶间隙非均匀变化的情况，当具有相等间隙平均值时，渐减间隙对应的压气机效率和压比降低得更多。

（3）对于均匀间隙，随着间隙增大，间隙泄漏流动对叶片通道主流影响增强。间隙为3%c时，在通道中间下游产生漩涡低速区，即漩涡涡核。该区域对应的熵增也最大，而且随间隙的增大逐渐沿流动方向发展扩大。

（4）对于非均匀间隙，间隙增大，间隙泄漏流动增强，引起压气机叶片通道内逐渐形成漩涡，并且形成相对速度的低速区。相比渐增间隙，渐减间隙对应的漩涡低速区提前形成，与结论（2）相对应。

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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 基金项目：国家自然科学基金（51309063）、中央高校基本科研业务费专项资金（HEUCF120306、HEUCF130306）、高等学校博士学科点专项科研基金（20132304120012）资助

孙海鸥（1962），男，教授，主要研究方向为船舶动力装置总体性能与系统；E-mail:b205030024@126.com。

孙海鸥，叶楠，王纪达，等.叶顶间隙对轴流压气机性能及流场的影响[J].航空发动机，2014,40（3）：1-7.SUNHaiou,YENan,WANG Jida,et al.Effectoftip clearance on axialcompressorperformanceand flow field[J].Aeroengine，2014,40（3）：1-7.